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摘要: 在超低能耗建筑大力示范推廣的今天,“零能耗”建筑被提上研究和示范日程,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑 (詞條“零能耗建筑”由行業(yè)大百科提供) 技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)》GB/T 51350-2019和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo) (詞條“評(píng)標(biāo)”由行業(yè)大百科提供) 準(zhǔn)》(T/CABEE003-2019 )開(kāi)始實(shí)施,給各方參與者有了技術(shù)和指標(biāo)的指導(dǎo)。如何能在現(xiàn)有技術(shù)下實(shí)現(xiàn)“凈零能耗”,除了卓越的建筑本體設(shè)計(jì)、適宜技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用,建筑體型高度不可忽略,本文最終研究了這一邊界條件。
關(guān)鍵詞: 凈零能耗建筑 被動(dòng)式建筑 主動(dòng)式建筑 被動(dòng)技術(shù) 主動(dòng)技術(shù)
2019年底,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350-2019和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CABEE003-2019 )開(kāi)始實(shí)施,明確規(guī)定了“超低能耗建筑”、“近零能耗建筑”、“零能耗建筑”以及“產(chǎn)能建筑”在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的室內(nèi)環(huán)境條件下的能效指標(biāo),在超低能耗建筑大力示范推廣的今天給更高能效標(biāo)準(zhǔn)的建筑以更明確的定義和指導(dǎo)。用“被動(dòng)優(yōu)先,主動(dòng)優(yōu)化”的設(shè)計(jì)理念建造零能耗建筑已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和建筑節(jié)能 從業(yè)人員的普遍認(rèn)同,在歐洲,甚至分為“被動(dòng)建筑”和“主動(dòng)建筑”兩個(gè)流派,但最終導(dǎo)向還是二者主要技術(shù)的綜合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)“零能耗”建筑的總體目標(biāo),只是技術(shù)側(cè)重點(diǎn)有所不同。
被動(dòng)房 崇尚節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、舒適和建筑美學(xué)的有機(jī)融合,通過(guò)優(yōu)化建筑方式,減少供暖 和制冷能源需求。主要措施包括良好保溫 的圍護(hù)結(jié)構(gòu) 、高效節(jié)能門窗 、夏季遮陽(yáng) 、防止結(jié)構(gòu)熱橋 、高氣密性 的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和有組織的室內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)和熱回收 系統(tǒng)。但是,要實(shí)現(xiàn)“近零”和“凈零”,必須要加入可再生能源 進(jìn)行建筑的自我能源的生產(chǎn)從而全部或部分抵消建筑自身的能耗。由于在建筑本體中生產(chǎn)可再生能源是有相當(dāng)大的局限的,所以,一方面我們必須盡可能的進(jìn)行建筑本體的節(jié)能,另一方面建筑的“6個(gè)面”,都應(yīng)考慮利用自然資源,進(jìn)行充分的能源交換,最終,通過(guò)耗能和產(chǎn)能的完全平衡,實(shí)現(xiàn)建筑全年的“零”能耗指標(biāo)。
即便如此,據(jù)不完全了解,在美國(guó),能實(shí)現(xiàn)零能耗的最高建筑是位于西雅圖這個(gè)溫和地區(qū)的“ILFI((International Living Future Institute,生命建筑)”公司總部大樓,該項(xiàng)目于2013年竣工使用的6層商業(yè)辦公建筑,總建筑面積約4831平方米。實(shí)現(xiàn)了凈零能耗、凈零水耗和凈零廢棄物的目標(biāo),是一棟無(wú)需支付能源費(fèi)用,并通過(guò)生產(chǎn)能源實(shí)現(xiàn)收益的建筑。見(jiàn)下圖:
可以看到為了實(shí)現(xiàn)“零能耗”,這個(gè)非四邊形的建筑在屋頂頂了一個(gè)超出建筑立面 約3-5米的“光伏 大帽子”總面積達(dá)1329平方米,使得該項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行能耗每年每平方米31千瓦時(shí)(相較于西雅圖能源法令2009年建筑能耗 要求低79%)的前提下,通過(guò)光伏發(fā)電 每年生產(chǎn)可再生電能超過(guò)15萬(wàn)千瓦時(shí),滿足建筑全年用能而實(shí)現(xiàn)“零能耗”需求。
通過(guò)上述例子可以簡(jiǎn)單分析利用現(xiàn)有的建筑科學(xué)技術(shù)建造本體實(shí)現(xiàn)“零能耗”的建筑是有一定局限性的,這也是中美清潔能源聯(lián)合研究中心在建筑節(jié)能領(lǐng)域中需要通過(guò)不斷地技術(shù)研發(fā)來(lái)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)“零能耗”建筑的邊界。根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)本文分析了在公共建筑 中實(shí)現(xiàn)“零能耗建筑”的前提條件:
1、建筑高度:
“零能耗建筑”是通過(guò)“開(kāi)源節(jié)流”來(lái)實(shí)現(xiàn)全年的能源平衡的,也就是盡可能少的使用能源和盡可能多的生產(chǎn)可再生能源。從最易集成和使用的可再生能源——光伏發(fā)電技術(shù)的使用條件來(lái)講:建筑屋頂無(wú)疑是最寶貴的資源,南立面是次一級(jí)選擇,根據(jù)地域條件,東西立面為再次一級(jí)選擇。如果想要增加立面的太陽(yáng)能 利用面積,無(wú)論是增加建筑的開(kāi)間還是進(jìn)深,都同時(shí)增加了建筑面積從而同等比例的增加了建筑能耗。因此,從建筑的尺度上來(lái)說(shuō),高度或者層數(shù)是決定是否實(shí)現(xiàn)“零能耗”的至關(guān)因素,顯然越高的建筑越難以實(shí)現(xiàn)“零能耗”;
2、建筑功能:
從國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑 能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)中可以看出,不同建筑功能的建筑能耗差別是很大的,同一地區(qū)的公共建筑,如溫和地區(qū):A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓約束值是50kW. h/ (m2 • a),而B(niǎo)類的大型超市約束值卻是100kW. h/ (m2 • a),相差足足一倍;夏熱冬冷地區(qū):A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓約束值是70kW. h/ (m2 • a),而B(niǎo)類的購(gòu)物中心的約束值卻達(dá)到了260kW. h/ (m2 • a),達(dá)到了3.7倍。因此,若要推廣“零能耗建筑”應(yīng)從辦公類的公共建筑著手,無(wú)論是技術(shù)成熟度還是增量投資還是運(yùn)行管理,這類建筑都應(yīng)屬于首選。尤其是自運(yùn)營(yíng)的辦公建筑。其后的數(shù)據(jù)分析則以A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓為建筑載體。
3、太陽(yáng)能資源:
近10年,光伏組件 與傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng) 的價(jià)格降低了近80%,標(biāo)準(zhǔn)光伏組件甚至降到了1.5元/瓦,不到300塊錢一平米。這就加大了光伏組件集成到建筑構(gòu)件 中的可能性。光伏的度電成本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)全面平價(jià),電力行業(yè)內(nèi)有一句話叫做:由于光伏有“即發(fā)即用”的優(yōu)勢(shì),所以可稱作用戶側(cè)全網(wǎng)最廉價(jià)電力。這就進(jìn)一步的揭示了光伏能源與建筑結(jié)合具有巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛力。根據(jù)美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室在SCI1區(qū)《Renewable and Sustainable Reviews》雜志發(fā)表的論文《A review of net zero energy buildings in hot and humid climates Experience learned from 34 case study buildings》中可以看到,在全球濕熱地區(qū)稱為“凈零”的建筑全部采用了光伏發(fā)電技術(shù),以補(bǔ)充建筑運(yùn)行的能源消耗。見(jiàn)下圖2:
因此,光伏發(fā)電技術(shù)作為建筑可再生能源應(yīng)用最經(jīng)濟(jì)最成熟的主動(dòng)技術(shù),幾乎成為“零能耗建筑”的必備。太陽(yáng)能資源的優(yōu)劣也就決定了建筑的產(chǎn)能強(qiáng)度 。我國(guó)太陽(yáng)能資源根據(jù)豐富程度劃分為五類地區(qū),從一類地區(qū)的每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射 (詞條“太陽(yáng)輻射”由行業(yè)大百科提供) 總量6680~8400MJ到五類地區(qū)的3344~4190MJ,太陽(yáng)能資源相差了一倍,也就是同樣的光伏電池 年發(fā)電量相差了一倍。因此,太陽(yáng)能資源約好的地區(qū)越容易實(shí)現(xiàn)“零能耗”。
4、地域條件:
根據(jù)我國(guó)不同氣候帶的氣候條件,國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)給出了同樣建筑類型不同的能耗約束值,如A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓:溫和地區(qū)的約束值是50kW. h/ (m2 • a),而夏熱冬冷地區(qū)的約束值卻是70kW. h/ (m2 • a),增加了40%,所以,氣候越舒適的地區(qū),越容易實(shí)現(xiàn)零能耗。
5、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度與能源消耗強(qiáng)度:
實(shí)現(xiàn)“零能耗建筑”顯然需要建設(shè)階段的增量投入,雖然在未來(lái)運(yùn)營(yíng)階段,“零”能耗的運(yùn)行成本對(duì)投資方有一定有誘惑力,但估計(jì)10%以上的增量成本,5-10年甚至以上的投資回報(bào)率顯然還無(wú)法吸引資本的關(guān)注。更何況大部分的建筑投資方和使用方并不是同一個(gè)單位,因此“零能耗建筑”還在研究和示范階段,需要政府的支持和鼓勵(lì)。其接納程度也與各地市的經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān),與各省的建筑能耗強(qiáng)度密切相關(guān)。
如圖3所示,2000-2016年全國(guó)建筑能耗占能源消費(fèi)總量的比重在17%-21%區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。建筑能耗比重的波動(dòng)與經(jīng)濟(jì)波動(dòng)總體上呈現(xiàn)稱反向關(guān)系,經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快GDP增速變大,建筑能耗比重則變小,反之亦然。2002年-2007年間,GDP增速逐年增大,達(dá)到2007年的頂峰14.23%,而建筑能耗比重則從2002年的最高峰20.15%,下降到2007年的最低谷17.68%;2007-2014年,GDP增速存在一定波動(dòng),建筑能耗比重則相應(yīng)發(fā)生反向波動(dòng)。2010年后GDP增速逐年下降,建筑能耗比重則逐年上升。
這就說(shuō)明建筑能耗的降低需要更多的經(jīng)濟(jì)投入來(lái)實(shí)現(xiàn),經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū),只可能以犧牲舒適度來(lái)?yè)Q取能耗的降低,而不是依靠技術(shù)提升所需的增量投資。所以,推動(dòng)“零能耗建筑”的示范建設(shè)要從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一二線城市開(kāi)始。
綜上5個(gè)主要因素,我們建立一個(gè)簡(jiǎn)單的建筑模型以分析什么類型的建筑是推動(dòng)“零能耗建筑”示范建設(shè)的首批建筑,界定條件為“光伏比”(光伏年發(fā)電量/建筑年耗電量)≥1。模型的邊界條件為:
1、建筑尺度:取建筑模型寬度為30米,該尺度被認(rèn)為是建筑內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)自然采光 的臨界尺寸,長(zhǎng)度取50米,5:3的黃金尺寸。長(zhǎng)度方向南北放置,寬度方向東西放置。通過(guò)逐級(jí)變化寬度和長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度變化對(duì)“光伏比”完全無(wú)影響,寬度變化影響甚微。層高取4米,變量從3層到7層;
2、建筑功能:取黨政機(jī)關(guān)辦公建筑,如前述分析,這類建筑的建筑能耗要求最低,也是容易被指定為“零能耗”示范建筑的類型;
3、地域:按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 》GB50189,分別取五個(gè)氣候帶具有代表性的五個(gè)省會(huì)城市:哈爾濱 、北京、上海、貴陽(yáng)、廣州做預(yù)測(cè)能耗分析,而這五個(gè)城市又分別代表了太陽(yáng)能資源區(qū)的四、三、四、二、五區(qū),其分布情況如下圖4所示:
4、能耗預(yù)測(cè):參考《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)的“約束值”作為按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2015 )標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的能耗指標(biāo),包括了建筑空調(diào)、通風(fēng)、照明、生活熱水、電梯、辦公設(shè)備 以及建筑內(nèi)供暖系統(tǒng) 的熱水循環(huán)泵電耗、供暖用的風(fēng)機(jī)電耗等建筑所使用的所有能耗。而按照《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CABEE JH—2019004)評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)的能耗,只包括建筑供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯的終端能耗量,設(shè)備插座等不包括,根據(jù)大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得知,正常設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí),辦工設(shè)備和插座的能耗約占總建筑能耗的30%。根據(jù)《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CABEE JH—2019004)對(duì)公共建筑的評(píng)價(jià)要求,嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的本體節(jié)能率需≥30%,其余地區(qū)為≥20%。以此預(yù)測(cè)評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)建筑本體的總能耗;
5、光伏預(yù)測(cè):假定屋面可以全部用來(lái)設(shè)置BAPV(Building attached photovoltaic systems)系統(tǒng),南立面20%的面積用于設(shè)置BIPV (詞條“BIPV”由行業(yè)大百科提供) (Building integrated photovoltaic systems)系統(tǒng)。預(yù)估屋面一平米150W安裝功率,立面一平米100W安裝功率;高緯度地區(qū)哈爾濱、北京立面是最佳傾角發(fā)電量的70%,低緯度地區(qū)廣州、貴陽(yáng)是最佳傾角發(fā)電量的55%,而位于中間的上海取60%。以上述邊界條件預(yù)測(cè)評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)的最大光伏發(fā)電量;
6、“光伏比”:如果將光伏年發(fā)電量/建筑年耗電量作為建筑的光伏比,當(dāng)光伏比大于等于1時(shí),實(shí)現(xiàn)建筑本體的“零能耗”甚至“產(chǎn)能”目標(biāo),當(dāng)光伏比小于1時(shí),則不能實(shí)現(xiàn)建筑本體的“零能耗”目標(biāo)。當(dāng)然無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際,目前都暫時(shí)認(rèn)可可提供“使用可再生能源”證明的“off site(非本體)”的“零能耗”形式存在。本論證僅就本體而言。
根據(jù)以上6個(gè)元素的假設(shè),分析現(xiàn)階段采用現(xiàn)有建筑技術(shù)能做到的層數(shù),見(jiàn)下表:
表2:“零能耗”建筑層高分析表
由上表分析可以得出結(jié)論:
1、分別調(diào)節(jié)建筑體型的長(zhǎng)和寬,對(duì)“光伏比”的影響微乎其微直至消失;
2、由于北方嚴(yán)寒地區(qū)的建筑總體能耗較高,大概率的只能3層及以下建筑能夠?qū)崿F(xiàn)本體建筑“零能耗”,其余地區(qū)原則上均能建設(shè)4層的“零能耗”建筑;
3、要實(shí)現(xiàn)更廣范圍的“零能耗”建筑還必須研究更先進(jìn)更高效的建筑技術(shù),使得建筑能耗進(jìn)一步降低,建筑產(chǎn)能越來(lái)越高。如:中美清潔能源聯(lián)合研究中心建筑節(jié)能聯(lián)盟正在研究的“零能耗”技術(shù):根據(jù)一年四季氣候變化可調(diào)圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的智能幕墻 ;基于光伏發(fā)電和燃料電池的交直流混合微電網(wǎng);基于人行為自學(xué)習(xí)的末端智能控制系統(tǒng)等。
作者單位:珠海興業(yè)綠色建筑 (詞條“綠色建筑”由行業(yè)大百科提供) 科技有限公司
專家介紹 羅多
鋁門窗幕墻委員會(huì)專家組
工作單位: 珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司
技術(shù)職稱: 高級(jí)工程師
專業(yè): 幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專長(zhǎng): 各類新型幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光伏建筑一體化的應(yīng)用研究