零能耗建筑（共8篇）
零能耗建筑 篇1
被动式低能耗建筑的设计理念和技术核心是尽可能利用自然条件和环境, 减少或不用化石能源, 通过采取高效的节能措施, 提高建筑物的保温性和气密性, 减少室内热 (冷) 量的散失, 并利用可再生能源实行采暖和制冷。
1 天棚柔和式微辐射系统
更为舒适的低温辐射采暖技术, 在混凝土楼板中埋放与建筑相同寿命, 免维护的PB管, 冬季注入温水, 通过楼板向整个房间均匀辐射加热, 结合独有的建筑围护结构系统, 提供20℃-26℃的舒适采暖。优点是无风感, 温度分布均匀, 无噪声, 蓄热能力强, 温、湿独立处理, 低温运行, 热效率高。
地源热泵:
地源热泵是利用地下浅层地热资源, 既能供热, 又能制冷的一种环保型空调系统。它的工作原理是利用埋在土壤里的水循环管道, 通过热泵机组的运转, 冬天把地下的热能“取”出来向室内供热。夏天把地下的冷“取”出来向室内供冷。如果“冷”“热”的程度达不到要求, 就用热泵机组“制冷”或“制热”, 以满足需求。
地源热泵技术特点:
环保:使用电力, 没有燃烧过程, 对周围环境无污染排放;不需使用冷却塔, 没有外挂机, 不向周围环境排热, 没有热岛效应, 没有噪音;不抽取地下水, 不破坏地下水资源。
一机三用:冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。
使用寿命长:使用寿命20年以上, 是分体式或窗式空调器的2-4倍。
全电脑控制, 性能稳定, 可以电话遥控, 可以进行温湿度控制和新风配送。
地源热泵优点:
(1) 地源热泵技术属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源 (通常小于400米深) 作为冷热源, 进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能 (Earth Energy) , 是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器, 收集了47%的太阳能量, 比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制, 真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源, 使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
(2) 地源热泵属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是很好的热泵热源和空调冷源, 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%, 因此要节能和节省运行费用40%左右。另外, 地能温度较恒定的特性, 使得热泵机组运行更可靠、稳定, 也保证了系统的高效性和经济性。
(3) 地源热泵环境效益显著
地源热泵的污染物排放, 与空气源热泵相比, 相当于减少40%以上, 与电供暖相比, 相当于减少70%以上。该装置的运行没有任何污染, 可以建造在居民区内, 没有燃烧, 没有排烟, 也没有废弃物, 不需要堆放燃料废物的场地, 且不用远距离输送热量。
(4) 地源热泵一机多用, 应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调, 还可供生活热水, 一机多用, 一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑, 更适合于别墅住宅的采暖、空调。
(5) 地源热泵空调系统维护费用低
在同等条件下, 采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用, 它的机械运动部件非常少, 所有的部件不是埋在地下便是安装在室内, 从而避免了室外的恶劣气候, 其地下部分可保证50年, 地上部分可保证30年, 因此地源热泵是免维护空调, 节省了维护费用, 使用户的投资在3年左右即可收回。此外, 机组使用寿命长, 均在15年以上;机组紧凑、节省空间;自动控制程度高, 可无人值守。
地源热泵缺点
当然, 象任何事物一样, 地源热泵也不是十全十美的, 如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式, 会受到当地地下水资源的制约, 实际上地源热泵并不需要开采地下水, 所使用的地下水可全部回灌, 不会对水质产生污染。
2 地源制冷系统
夏季里通过深埋地下的双U管土壤换热器, 利用土壤浅层120米深范围内温度与自然环境温度之差相交换, 换取地下低温冷源, 利用天棚微辐射进行室内制冷, 同时将室内的热导入地下再次进行热交换, 使室内保持凉爽, 温度分布均匀, 无吹风感和噪音, 节能达40%-50%。
3 外围护优化系统
项目外窗用低辐射LOW-E玻璃, 内充氩气, 镀银膜, 降低热能的阻耗。外遮阳帘:外窗外侧设置金属外遮阳卷帘, 内部填充聚氨酯阻热材料, 有效阻挡太阳直接辐射和慢辐射, 遮阳率高达80%, 拉起方便, 自由调控室内光线, 还有防盗, 隔音, 保温等功能。外墙子系统, 外墙保温采用加厚聚乙烯板, 防止热桥出现, 制冷采暖能耗大大低于普通的传统住宅。
4 全置换式新风系统
将室内外空气经过滤尘, 温湿度等多级处理后, 经由设置在卧室和客厅地面上的新风口低速送风, 无噪音送入室内, 形成新风湖, 污浊的空气则由卫生间的排风口排除, 形成下送上回全天候的置换新风循环, 新风具备加湿, 除湿功能, 并且自成系统, 全排放, 有效避免病毒交叉循环污染, 保持室内湿度30%-60%, 解决冬季室内干燥现象。优点, 无风感, 无噪音, 健康卫生, 湿度稳定, 设备成本和运行费用低。
零能耗建筑 篇2
南京·锋尚国际公寓是中国第一个零能耗住宅，是全球可持续发展联盟（AGS）组织在中国唯一提供技术支持和跟踪监测的房地产项目，在国内第一次全面执行欧洲发达国家住宅标准。作为中国低密度节能居住区典范，南京·锋尚国际公寓依靠先进的保温隔热外建筑围护结构，配合置换式健康新风系统和辐射式采暖制冷系统、中央吸尘系统等30余项建筑新技术，首次在国内住宅建设中实现了“告别空调暖气时代”，在中国建成了第一个欧洲发达国家居住标准的超五星级、高舒适度低能耗公寓。
低耗能与高舒适度的集成开发
南京锋尚国际公寓坐落于南京下关区小桃园风貌区、“狮子山—清凉门”风光带中段，南接秦淮河、东临明代古城墙、挹江门。由于毗邻明城墙遗址公园，地块周围树木林立、河水环绕，具有得天独厚的山、水、古迹景观资源。作为中国第一个零能耗住宅小区，该项目能源消耗不需外界提供，完全自给自足。设计时采用了IDP的设计模式，综合考虑各方面因素，通过对建筑自身热工性能设计、自然通风采光的充分利用、可再生能源的充分利用、高舒适度低能耗空调系统的应用、太阳辐射的控制与改善，形成了一整套内部有机相连的生态节能系统，在为居住者提供一个高舒适健康的居住环境的同时达到了零能耗的效果。
讲到零能耗，必须首先解释低能耗与微能耗的概念。普通的住宅无论售价如何，其基本的能耗指标平均为每平方米30～40瓦。而南京锋尚国际公寓通过先进的节能设计，在未采用太阳能作为能源补充的情况下，已经达到了微能耗，即每平方米的能耗为7瓦。这一指标足可以使南京锋尚国际公寓成为第一个微能耗住宅。
在微能耗的基础上，南京锋尚国际公寓的设计采用了屋面的太阳集热器和太阳能电池板，所取得的电能和热能完全能够覆盖7瓦的能耗，并提供部分的照明用电。该项目在三个方面实现零能耗：冬季采暖、夏季制冷和基本照明。用户烧饭用煤气、用电器过多需另外计费，但在未来几十年的使用过程中，在采暖、制冷和基本照明这三个方面不必花电费。
南京锋尚国际公寓在达到高舒适度即恒温恒湿的前提下，实现了零能耗，因而极为可贵。其所采用的技术系统多达10余项。例如在不开窗的情况下有足够的新风供应。每两个小时室内空气全部置换一遍，新空气比室内温度低1摄氏度，从地板的高度进入，随着温度的升高，废气由天花排出，保证了空气清洁度。比传统使用的混合式新风有革命性的改进。
由于江南一带每年有梅雨季节，保证室内空气湿度至关重要。为此，南京锋尚国际公寓专门设计了一套液体除湿系统，保证了即便在梅雨季节室内空气仍能达到干爽清新，室内墙壁天花在低温的情况下也不会有冷凝水出现。这是第一次将工业化除湿系统应用于民用建筑的尝试。此外，其他各类先进技术的大量应用，也使得该项目在住宅新技术整合的数量和复杂性方面做出了新的尝试。
可控的节能与成本
南京锋尚国际公寓最重要部分是进行整体的生态节能模拟计算。由于每个项目所在地的气候条件不同、户型面积大小不同、南北或东西朝向不同，计算结果也是截然不同。设计中最重要的部分第一是整体模拟计算，第二是根据模拟结果合理选用适用技术和设备。对单项技术和设备，既不要求最贵，也不要求最好，更不要求最多，目的是相互匹配与消灭“短板”。有的开发商误认为选用技术设备就像选用电梯或建筑建材一样，在建筑设计完成之后，另行选购并全部装配一遍即可达到目的。所以有人简单地照搬南京锋尚国际公寓所选用的设备；也有人请设计方五合国际在完成了节能设计方案后自行接触厂家采购设备。这些未经过全套模拟设计和设备系统配适的结果，就是在大幅增加投资之后没有达到住宅的整体节能指标。
建筑节能是以一定室内舒适标准为前提的，在中国建造不同程度的生态节能住宅成本也有所区别。设计方五合国际根据实际操作经验将生态节能建筑成本划分为低、中、高三种梯度模式。低度模式：住宅节能达到国家规范标准，采用外墙保温、隔热措施，每平方米造价约增加100元左右。高度模式：住宅实现高舒适度低能耗的标准，采用辐射式采暖制冷、量换式新风、高效保温外墙体系、外遮阳系统等达到欧洲节能标准。高层住宅每平方米造价约增加800元左右；别墅由于需要独立的系统和具有较多的外墙外窗面积，达到相应的舒适节能标准，每平方米造价约增加1500元左右。中度模式：节能标准与舒适度介于低度与高度之间，依据不同的自然区域会有区别，根据五合国际在全国二、三线城市初步探索成果，每平方米造价约增加400到500元。
经过在国内几年的探索与实践，五合国际现已能精确地控制不同类型住宅产品的成本。对于高层公寓类住宅，全套采用高科技实现高舒适度与低能耗的产品，成本增加只要每平方米800元左右；对于低密度的别墅类产品，成本增加约为每平方米1500元。对于目前市场上豪宅单位售价都在万元以上的奢华现状，如果能够以每平方米千元左右的成本增加，换得舒适度与节能效果的大幅提高，才能真正体现高档住宅的核心品质。
甄选项目入围理由
侨福芳草地成功融合环保生态、节能科学理念，环保罩配合HVAC（暖气、通风与空调系统）在不同季节时会做出空间环境调节。春、秋季节为整栋建筑提供自然通风；夏季热气在高层排放，同时位于项目底部的通风系统送出冷风，形成空气对流；在冬季时，环保罩可以阻挡一部分冷空气的入侵，同时配合市政供暖，就能起到保温取暖的作用。这种构思可大大节省每年的耗能量，而同时把楼与楼之间的空间环境优化，给大楼使用者带来了额外的可使用的休憩空间。其领先的环保设计、永续发展的理念和丰富多元的艺术氛围构成了侨福芳草地的独有特色，为每一位到访者带来充满新意的独特体验。
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设计让建筑与环境和谐共处
侨福芳草地整个项目从建设之初就朝着可持续的方向发展，率先导入了许多绿能环保技术， 希望打造一个能和周边社区一同永续发展的绿色建筑。如今，绿色环保和艺术已经成为侨福芳草地最独特的特色。
侨福芳草地拥有完善的节水设施，气枕似的ETFE膜通过特别设计的排水槽结构连接为一体，用以收集雨水，引入地下储水池加以处理回用。
作为融合创新理念的商业建筑，侨福芳草地具备浓重而多元的艺术氛围。这里不仅汇集了西班牙本土之外最为丰富的西班牙超现实主义艺术大师萨尔瓦多·达利的雕塑原作，散布在各处的岳敏君、张晓刚、陈文令、王广义等中国当代顶尖艺术家的许多作品也以充满魅力的风格为侨福芳草地增添浓厚的人文氛围。侨福芳草地更将利用具象空间浓缩不同风格的艺术家作品，创造又一个启迪灵感的创意环境。
用尖端科技实现绿色环保，同样是侨福芳草地的显著特色。它金字塔般的外形不仅在外观上引人注目，而且在功能上更具完备性。整座建筑物外层覆盖的ETFE透明膜，是与北京奥林匹克国家游泳中心采用的相同的膜材料，具有强韧、自清洁、可回收等特性，可创造出舒适健康的绿色环境。而由四座钢架结构组成的建筑通过环保外罩浑然一体，建筑中的自然通风系统不仅有效节约能源，更能令人体会到犹如置身于大自然中一样的微风，为商业租户、客户及顾客创造出怡人的室内气候。另外，敞阔优雅的中庭广场可以使到访者轻松享受四季如春的室内花园和明媚阳光。
侨福芳草地项目创新性地设计了最长室内步行吊桥，全长236米。它横跨在建筑楼宇之间，为顾客鸟瞰各个商户店面和公共广场提供出理想的阔达空间，也让人们可以更便捷地行走于四座建筑之间。与整个建筑配套的系列观光电梯、直升梯与18座6米长的自动扶梯相配套，亦可让来访客户和顾客尽享便利。
细节中传达环保理念
这个项目从开始就决心建造成既能符合人体舒适度、又能降低能耗的大型建筑，在细节中传达出绿色环保的理念。整个建筑由四座塔楼构成。通透的玻璃幕墙及钢架结构，结合顶部采用的ETFE膜材料（与国家游泳中心所使用的材料相同）组成独特的节能环保罩，在内部实现独立的微气候环境。室内空气质量达到MERV标准的第11级，是综合性建筑所能达到的最高级别（国内建筑的MERV水平通常在7级左右）。楼顶的斜面设计，充分保证了周围社区的日照权，做到与环境共生的和谐相处。
侨福芳草地拥有完善的节水设施，平均用水量比LEED体系同等建筑的相应标准少48%。建筑废料的回收率达81%，远远高于LEED对同等建筑的相应基准和中国建筑的平均值。节能汽车专用车位以及电动汽车充电点的配置，更在细节中传达出绿色环保的理念。
设计采纳了目前最新颖的办公楼空间设计方法，集最先进的建筑技术，纳入了包括人文、人体工效学、环保生态、节能技术、消防科学设计的理念，为北京市创立了一个智能化环保商业建筑的先河。节能功率的追求以当时欧美先进国家环保建筑最新设计为目标。
侨福芳草地使用了独特、时尚的金字塔外罩，使用独特的ETFE（四氟乙烯与乙烯共聚物）透明膜材，巧妙地通过金字塔般的外形将四座塔楼建筑连接为一体。这个独特造型不仅能保证芳草地旁边居民区的日照时间，而且能源使用量是同等规模建筑标准的50%。侨福芳草地建筑内独有的空气循环系统，依托绿色高科技实现新鲜空气的对流循环，使人犹如置身于大自然中。
零能耗建筑技术 篇3
1 国外零能耗建筑研究概况
1.1 英国
英国零能源消耗引领着可持续发展世界建筑领域,其中以贝丁顿零能耗开发项目作为杰出的代表。贝丁顿项目在英国属于最具创新的住宅项目,实现零耗能建筑生活的同时又结合现代生活的舒适性,先进的环保、低碳零能耗设计理念得到了很好的贯彻实施,起到了良好的示范作用。
1.2 德国
德国在节能、环保和低碳建筑的研究和开发领域同样处于世界领先地位。在20世纪90年代,德国政府启动了“千屋顶计划”,该计划着重利用坡屋顶的有力朝向,尝试建立太阳能并网发电系统。其最初的目标是在1990—1995年期间,在住宅的屋顶上安装1000套太阳能光伏系统,并将这些光伏系统并入到普通的供电网。
1.3 美国
美国方面的“零耗能住宅”技术的研究主要是通过对于新技术的运用,来保持室内的温度,变化幅度减小,从而可不需担忧能源消耗带来的困扰。节约能源,减少污染,等技术将建筑的许多组件一起工作作为一个整体,通过最佳总体设计,使用最先进的建筑材料和节能设备,其目标建设所需能量或能量的100%[1]。住房与普通电网同时,它产生的电力短缺可通过太阳能发电补充,过剩时可输入电网中,电力公司需支付电费。
1.4 俄罗斯
俄罗斯在零耗能方面的技术研究主要是体现在“生态屋”,即一个有机生态系统的建设使用。是由“零耗能建筑”以及周边的建筑设施共同组建成的生态系统。
2 国内零能耗建筑研究概况
我国的“零能耗建筑”发展历程比之国外较慢,现在还处于起步阶段。然而,随着我国建筑节能工作的快速发展,丰富多样的节能技术,产品也越来越趋于成熟,零能耗建筑项目的研究逐步增多[2]。中国2010年上海世博会上实践区的伦敦零碳馆和“上海生态家”作为一个典型的零能耗建筑的形式展示,对中国的研究和发展领域的零能耗建筑提供一定的技术支持和概念的来源。
2.1“伦敦零碳馆”
原型是模仿伦敦南部的“贝丁顿”项目而建设的伦敦“零碳馆”位于上海世博园区的两栋相互连接的“零CO2排放”建筑。整体面积大2500m2,建筑共4层,设有报告厅、餐厅等6套无碳示范建筑。
2.2“沪上生态家”
在上海世博会城市最佳实践区展览“沪上生态家”。与伦敦“零碳馆”不同,“沪上生态家”主要从设备或家用电器、照明等,智能设备(多媒体信息交换平台)综述了零能耗,包括生活方式,为游客提供个人经验与生活的高科技平台,让更多的人了解和识别零能源消耗的生活方式。
我国对于零耗能建筑的研究,从实际上看已取得了较多的研究成果,但是与国际上相对比还是有很大的差距,在技术研究与工程实践上都有很大的区别,因此,对于我国的“零能耗”建筑发展历程,仍然需要进一步努力,争取取得更大的发展,实现未来零能耗生活。
3 我国“零耗能”技术的发展应用
3.1 设计原则
建筑物要实现的主要目标是零能耗,因此在对此建筑物进行设计的时候,主要的原则就是降低建筑物的能源消耗,尽可能利用可再生能源。为了能够使建筑物在使用的过程中最大程度的降低能耗,相关的设计人员在对建筑物进行设计的时候就应该要按照以下的原则进行设计:被动技术优先、主动系统优化、合理科学利用可再生能源、智能控制的科学高效利用。
3.2 被动技术策略优先
3.2.1 围护结构热工性能优化
通过对建筑物的围护结构的热工性能进行优化,就能够使建筑物在一定的程度上降低建筑物的供暖、供热的能耗,进而使建筑物的总能耗得到降低。并且通过对建筑物的围护结构热工性能进行优化,能够使建筑物墙体的传热系数K值从0.6W/(m2·K)降至0.1W/(m2·K),建筑物中窗体的传热系数K值从2.7W/(m2·K)降至1.5W/(m2·K)以下,除此之外,通过对此内容进行优化,能够使建筑物中暖通暖通工程的能源消耗降低24.5MW·h/a。
3.2.2 自然通风
为了能够使建筑物的使用者在使用建筑物的时候有一个比较舒服的状态,就应该使建筑物在使用的过程中有一个良好的通风效果。如果建筑物通风的能力比较强,那么在夏季的时候就能够减少空调的使用,进而使建筑物制冷的能源消耗得到降低。因此在进行建筑物的设计的时候,应该要根据相应的模拟软件对建筑物的室外风环境以及室内自然通风的情况进行分析,相关的人员再根据模拟软件中得到的结果进行优化[3],最后在对建筑物进行设计,通过这个步骤就能够使建筑物具有一个比较强的通风能力,也能够使建筑物的制冷能耗得到很大的降低。
3.2.3 自然采光
在一个建筑物中,室内光线是一项十分重要的内容,因此在对建筑物进行设计的时候应该要充分地考虑到这项内容。如果建筑物有一个比较好的采光能力,就能够使建筑物降低在照明方面的能源消耗,因此相关的设计人员应对此进行格外的重视。
3.3 主动系统优化
3.3.1 地源热泵系统
在供暖方式中因地制宜可使用热水型吸收式单效高温冷水机组,就能够使一些比较常规的热水型吸收式单效冷水机组制冷的COP从0.5提高到0.7。并且在工程进行设计的时候,相关的设计人员充分地利用了工程所具有的地理优势,将此工程高温的地下水作为空调系统的冷热源,使该建筑物中空调系统的能源消耗得到降低,并且还是建筑物的可再生能源得到了充分的利用。
3.3.2 高效照明系统
在建筑物中进行照明系统的设计的时候,为了能够使能源消耗降低,应该要使用高效的照明系统。设计人员对这项内容进行设计的时候主要采取的方式就是使用高效节能的灯具、对照明的自动控制系统进行设计以及对自然采光进行优化等[4]。但需注意的是在进行设计的时候应根据所设计的建筑物不同的需求进行设计,只有这样才能够使建筑物照明系统的能源消耗降到最低。
3.3.3 太阳能利用
太阳能发电共有四大目标:(1)将太阳能光电池和建筑的结构及外观完美结合,即太阳能建筑一体化设计;(2)让民众了解太阳能发电的基本规律和步骤,如何节约用电,充分利用太阳能。增强民众的环保意识,为实现零能耗生活打下基础;(3)优化太阳能并网供电系统,在项目实施过程中,通过科学家、生产者、施工人员和业主的共同努力,开发出一套标准化的太阳能光伏系统设备。
4 结束语
零能耗设计计算已经得到了世界各国的重视与应用,也是未来建筑行业的发展趋势之一,文中仅对零能耗建筑技术进行简要的分析,同时可看出我国在零能耗建筑技术中仍处于初期探索阶段,需要不断地汲取国外零能耗建筑的成功案例经验,合理的应用到我国的建筑设计中,确保将建筑能源消耗降到最低。
摘要：自1970年以来,许多发达国家对国际提出了一个“零能耗建筑”和类似的定义并开发技术研究,最近一些发达国家的政府指令、技术发展的目标都对“零能耗建筑”制订了长期规划。我国也针对“零耗能建筑”进行了一定的研究探讨,寻找到适合我国国情的“零耗能建筑技术”。
关键词：零能耗建筑,建筑节能,可再生能源
参考文献
[1]陈鹏闯.走向零能耗建筑[J].中国建材科技,2006(3):29.
[2]翟边.美国:推广零能耗住宅技术[J].中国地产市场,2005(11):72.
[3]龙恩深.建筑能耗基因理论与建筑节能实践[M].北京:科学出版社,2009.
迈向零能耗建筑的技术与实践 篇4
n ZEB (NET ZERO ENERGY BUILDING) 国际社会普遍用的词, 这个词有意思, 净零能耗建筑, 也可以叫近零能耗建筑 (NEARLY ZERO ENERGY BUILDING) , 英文和中文正好一样。现在全球是什么阶段呢, 迈向零能耗的阶段 (TOWARD TO NZEB) , 迈向多少年?可能是五年、十年、二十年, 甚至三十年或者更远。
近零能耗是大家普遍认同的目前发展的主要阶段, 比如说欧盟提出来的20-20-20, 欧盟成员国2020 年的时候所有新建建筑要达到近零能耗, 近零能耗有什么样的表现形式呢?今天我们谈的是被动房, 大家听得很多, 还有主动房, 我们今天所要讲的近零建筑, 实际上是国际社会特别是欧盟比较明确的发展目标和方向。我们现在从事的被动式超低能耗建筑或者德国讲被动房是近零能耗建筑的一个体系或者说是一种表现方式。
下面我将分三个方面来详细讲解n ZEB。
一、n ZEB发展背景
从表1 中我们可以看到, 2020 年欧盟不同国家实现近零能耗的目标, 其中有的国家, 像挪威执行的是被动房的标准, 但是有的国家并不是, 像丹麦比2006 年降低75% 就是近零能耗。这就是欧盟在EPBD规定下实现了2020 年的具体目标。
就在不久前, 美国能源部正式颁布了美国零能耗、零能耗住区和零能耗建筑群的定义, 美国提出, 在2030 年联邦新建建筑都要达到净零能耗 (表2) 。
再看看近邻韩国 (表3) , 韩国在吸收欧洲经验的基础上提出来到2025 年要达到零能耗的住宅, 分三个步聚实施。
关于零能耗各个国家的定义是不同的, 称呼也不完全一样, 我们展现出来的是它的内涵。比如说供暖、供冷、照明、热水、家用电器算不算?可能不同的国家在发展零能耗过程当中不完全一致, 说明什么?说明虽然是全球的发展方向, 但是实际上各个国家出于国情的不同, 发展的标准也不一样, 实际上定义也不完全一致。
图1 是国际能源组织IEA提出在全球过去十年里零能耗建筑主要发展的一个分布图, 可以看到基本上都是北半球, 而且纬度越高占比越多, 也就是说以供暖为主的零能耗实施项目非常多, 赤道附近供暖就没有了, 主要以制冷为主。
二、n ZEB典型工程分析
前面我讲的发展背景实际上也是要表达一层意思, 全球各个国家都在根据自己发展的计划来制定零能耗、近零能耗的路线图和时间表, 反过来也给我们提出一些思考和提示, 下面我结合几个工程介绍一下他们是怎么实现零能耗和近零能耗的。
图2 是美国非常推崇的可再生能源国家实验室, 这个实验室投资103 万美元, 将近六个亿人民币建设的零能耗办公楼。
通常去过美国都知道, 美国建筑形式一般来讲都是比较低层、大体量, 但是为了采光、通风, 把建筑分成了前后两段。除了被动技术, 主动技术也很多, 包括光伏、地源热泵、置换通风都是实现零能耗的手段, 这幢大楼在丹佛的附近, 很多人看过, 非常著名, 是美国在能源部支持下的典型的示范工程。
它是怎么实现的?表5 中可以看到美国目前既有办公建筑能耗是300 千瓦小时/ 平米, 通过执行节能规范达到150 千瓦小时/平米, 在节能标准基础上通过高性能办公建筑的设计又减一半, 达到75 千瓦小时/ 平米, 75 千瓦小时/ 平米是包括他们所有耗电, 包含供暖供冷照明、电器办公设备等, 余下75 千瓦小时/ 平米靠的是现场的可再生能源节能手段来实现。
另外再讲讲韩国, 图3 是一幢韩国的住宅楼, 也是在学习借鉴欧洲经验的基础上, 近几年开发的一座高层零碳住宅。
韩国采用的一些技术其实和我们讲的被动式超低能耗技术的体系可以说基本一致, 不过称呼不同, 只是叫零碳或者叫零能耗住宅。
我们从表6 看它是如何实现的。第一步就是和现有的居住项目相比, 通过被动式建筑技术节约87% 的供暖能源, 插座是很难减的, 因为家庭的各种电器, 微波炉、烤箱、照明或者电视, 这些都是要耗电的。然后, 再通过现在的可再生能源再降低70% 的电, 就达到了零碳的高层住宅。最后的结果是热消耗15千瓦小时/ 平米, 电消耗8 千瓦小时/ 平米。可能有很多人并不知道我们现在家庭的耗电量耗能量是多少, 我可以告诉大家一个数据, 采暖耗热量这一项平均来讲在100 千瓦小时/ 平米, 中国家庭耗电量是30 千瓦小时/ 平米, 有了我们的数据对比, 才会对达到15 千瓦小时/ 平米, 达到8 千瓦小时/ 平米有一定对比概念。
当然我也讲讲中国建筑科学研究院- 近零能耗办公楼, 我不讲它的技术途径, 只讲最后的数值, 它的能耗指标是什么?全年供热、制冷和照明电耗, 一共是25 千瓦小时/ 平米, 而在北京, 普通写字楼是100 千瓦小时/ 平米, 这是耗电, 不包括耗热, 因为在北京是集中供热为主。对比一下25 千瓦小时/ 平米, 也就是说比普通办公楼要节省80% 至90%。简单来讲, 就是冬天不用化石能源供暖, 也就是既不用燃煤, 也不用燃气。夏天比普通建筑的空调能耗降低50%, 靠什么降低50% 呢?主要是靠太阳能制冷降低50%。照明能耗相对一般建筑要降低75%。
最后讲一下德国的被动式建筑, 秦皇岛“在水一方”项目采用的是德国被动房标准, 它对于室内环境有明确的要求:冬季供暖温度要达到20℃;夏季供冷温度要到25℃;新风量是每人30 立方米/ 小时。在能耗方面, 供暖需求≤ 15k Wh/ (m2·a) 或热负荷≤ 10W /m2;当采用空调时, 对供冷需求的要求与供暖需求一致;建筑一次能源用量≤ 120 k Wh/ (m²a) ;气密性必须满足N50 ≤ 0.6, 即在室内外压差50Pa的条件下, 每小时的换气次数不得超过0.6 次;超温频率≤ 10% (25℃) 。
在过去几年里, 我们有很多人对它的理解是不正确或者是不全面的。首先, 比如说我们讲供暖需求不是供暖能耗, 供暖需求15 千瓦/ 小时, 不是我们讲的供暖能耗。第二, 就是我们的理解的一次能源能耗120 千瓦小时/ 平米, 是基于德国的一次能源转换系数得到的。我们河北省, 乃至华北、东北, 我们一次能源转换系数跟德国不一样。简单来讲, 我们发电不可能跟德国的发电转化效率是一样的。前一段时期, 我们在制订《中国被动式超低能耗技术导则》的时候, 住建部组织专家讨论的时候, 为这个问题争议很长时间, 因为我们国家发改委没有公布的一次转换系数。最后, 还有超温频率, 何为超温频率呢?有供暖没有空调只有夏天有超温频率, 有空调没供暖是冬天的超温频率, 如果有空调有供暖没有超温频率。
前面所讲的每个指标都是德国被动房研究所过去几十年研究、应用、完善的过程, 但是我们的理解一定要全面、正确, 包括面积。他讲的每年每平米是什么面积?是建筑面积还是使用面积或者是套用面积。中国的标准这个面积是什么面积?建筑面积和使用面积平均差了0.8, 需要认真思考。
当然被动房主要的技术是经典的, 五大理念很好理解, 但五大理念加上一条, 就是人的行为。技术上的问题我们都可以解决, 但是生活习惯, 人的行为要有所改变。实践告诉我们, 由于我们过去的生活习惯, 我们的生活方式和文化传统会给我们的被动房居住、使用带来变化, 因此, 在中国五大理念还要加上一个生活习惯或者叫人们的行为。
根据我们在国内或者全球做过的零能耗的研究, 得出来这张图, 不管零能耗建筑或者是近零能耗建筑, 基本途径就是要把全年的能耗指标通过被动和主动技术降在80 千瓦小时/ 平米以下, 全球各国基本上都是这样的。只有达到这个标准之后, 才有可能采用可再生能源等技术实现零能耗。
通过各个国家在过去这么多年开展近零能耗建筑, 当然也包括被动式建筑, 我们可以看到基本上它的技术途径就是五项:一是准确的建筑负荷及能耗预测, 普通的建筑可以算不准, 如果超低能耗、近零能耗建筑算不准, 就会出现风险, 就出现能耗过大, 大马拉小车, 所以必须要准确的进行计算;二是被动式建筑设计降低负荷, 不管什么类型首先要把需求降下来我用一个词叫“最大限度”地降低需求, 或者是“极大可能”地降低需求, 如果做不到这一点, 想实现近零能耗不太可能;三是高性能建筑能源系统;四是可再生能源建筑一体化设计, 其实要想实现近零能耗或者零能耗, 可再生能源仍然是必不可少的, 比如说很多地方政府在本地区推被动式建筑, 无非就是对常规能源不依赖, 减少燃烧和污染。包括京津冀地区、山东、河南都是一样。也就是说不依赖传统的以燃烧为主的供热方式;五是零能耗监控、调试、运行策略, 目前这点我们中国做得很不到位, 做完了项目都没有调试, 大家都有体会, 在我们建设程序里面没有既没有预算, 也没有时间, 也没有人力。
三、我国发展n ZEB的思考
前面讲完了, 我们看看怎么促进近零能耗建筑的发展呢?
第一, 要统一定义, 设定中长期发展目标。我们要有准确的定义, 欧盟也在定义, 刚才说不久前美国能源部公布了美国的定义, 住建部即将颁布的《被动式超低能耗绿色建筑导则》有定义, 明年我们还要启动中国国家标准近零能耗建筑技术标准都会对它进行准确定义。
第二, 大幅度提升节能产品和设备的性能, 我们可以看, 这是我们和德国和比利时的对比, 在很多方法上我们还差得很远。
第三, 可再生能源+HVAC系统能效提升。表10 是NREL做的全球过去20 年可再生能源发展的路线图, 实际上规模达到一定程度后, 可再生能源的价格一直在下降。
第四, 既有示范建筑的后续监测、评估和持续改进。今天我们建设的示范项目, 建造完成只是完成了第一步, 因为在我们过去没有这样的成功经验, 行或者不行要靠数据说话, 好或者不好不能由自己说了算, 要有第三方的评价, 要有全年的数据评价, 否则就只是停留在理念、停留在别人的经验之上。
第五, 通过市场竞争和扩大规模, 提升性价比。我们可以看到, 如果我们发展近零能耗建筑, 相关的产品设备要不断的进行改造和提升, 改造提升靠什么得到呢?一定是要扩大规模, 也就是说标准化、工业化, 只有这样, 我们真正才能够把这种超低能耗建筑进行推广, 否则成本难以下降。我举一个例子, 比如说手机, 20 年前手机一万块钱一部, 今天手机几百块钱一部, 就是竞争发展的结果。只有通过竞争、通过规模化降低。
第六, 近零能耗建筑的特征。集中体现现有技术先进性和产业发展水平的建筑节能技术集成;在适度提高室内舒适度的前提下, 能耗比现行居住建筑节能标准节能70% 以上, 比现行公共建筑节能标准节能75% 以上;不再需要传统的集中供热。
第七, 不能照搬国外的做法。发展过程当中要考虑中国的国情, 要考虑我们国家的一些特别的地方, 要充分考虑中国气候特点、居民生活习惯, 考虑不同地区差异, 对接中国法规和建筑标准体系, 适应中国建设管理程序。
之前讲我们要实现建筑节能的中国梦或者是终极目标, 怎么实现?我们提出一个30-30-30, 到2030 中国新建建筑的30% 达到近零能耗。通过什么呢?通过几步走, 通过2014 年到2030 年十五年的时间, 通过一步、两步、三步、四步来实现。
展望了一下, 可以说近零能耗建筑已经成为国际的新的发展趋势, 需要我们自己建立符合中国国情的近零能耗建筑, 同时我们产业要不断的升级换代, 满足市场的需求, 同时需要尽快出台行业技术指南或导则标准。
零能耗建筑的电气设计与应用 篇5
近年来,随着环境保护和节约能源的呼声越来越高,使得零能耗建筑日益受到关注。零能耗建筑指的是建筑的零能源消耗,它通过各种节能技术的应用和节能管理水平的提高,来增强人们的环保和节能意识。
零能耗建筑的面积通常不会太大,楼层不会太高,功能也不会太复杂,一般用于展示节能及环保等方面的技术和成果,不会具有很强的使用功能,如:生产或餐饮等功能。
零能耗建筑是指应用到现场和用可再生能源的能量来运作的建筑,使一年中现场产生能量的净额等于建筑所必须的能源净额[1]。由于一年里不同时间段,建筑物所需能量与通过现场光伏发电产生的能量二者并不一致,因此,零能耗建筑只有与电网交换能量才能达到净能量的平衡。
下面以中新天津生态城——公屋展示中心项目为例,探讨有关零能耗建筑的相关技术。本项目建筑面积3467m2,其中地上两层3013m2,地下一层454m2,建筑高度15m。建筑功能为:公屋展示、销售和房管部门办公及有关档案储存等。
本项目按照零能耗建筑进行设计,通过被动式技术使建筑物能耗达到最小,主动式技术实现设备的高效率运行,利用太阳能和地热能等可再生能源满足建筑能源的需求,达到现场零能耗的可持续性运转的示范作用。
为实现建筑零能耗采取了两方面的技术手段:供电方面采用由光伏发电、锂电池储能等组成的微网系统;用电方面采用由各种控制技术组成的合理调节设备用能的控制系统。
2 零能耗相关技术
对于零能耗建筑,首先要考虑保障其正常运转的能量来源,通常由太阳能光伏发电系统为其提供能源,而建筑物可以设置太阳能光伏电池板的区域非常有限,因此,选用电池板的首要问题就是确定建筑物的能耗。
2.1 建筑能耗分析
建筑能耗分两种,一种是广义建筑能耗,指的是从建筑材料制造、建筑施工,一直到建筑使用的全过程能耗;另一种是狭义建筑能耗,指的是维持建筑功能所消耗的能量,包括照明、采暖、空调、电梯、热水供应、烹调、家用电器及办公设备等的能耗。零能耗建筑使用的是狭义建筑能耗。
建筑能耗分析并非简单的数值计算,它需要综合建筑物可能出现的各种复杂的用能情况。常采用IES软件对建筑物的能耗进行分析模拟,其中的建筑环境,是由室外气候条件、光照情况、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况所决定的。要满足建筑物的舒适及使用要求,就必须对建筑环境的变化进行相应的控制。由于建筑环境变化是由众多因素所决定,因此只有通过计算机模拟分析的方法才能有效地预测出建筑环境在有和没有控制时的能耗状况,才能较准确和全面地给出建筑物内相关设备的能耗。最后可以运用时间分类的方法对计算机、热水器等设备及各房间能耗进行分析校核,最终确定建筑物的能耗。本项目的建筑物年能耗见表1。
注:其他是指与办公直接有关的设备,如:多媒体显示屏、复印机、打印机、投影仪、碎纸机、客梯、货梯、银行及弱电设备等,约占建筑物能耗的17%。
以上的分析计算结果是在采用了主动节能与被动节能技术(如:建筑围护结构、地道风、天然光导光系统等)以后得到的。对比于新加坡一所学校的技术培训楼,其建筑面积4500 m2,按照“零能耗建筑”进行改造,总能耗仅为45.8kWh/m2.a。由此可见其能耗是非常低的。
2.2 光伏发电系统的确定
以计算出的建筑物能耗作为选用光伏电池板的基本参数,根据当地太阳能资源情况和建筑物可安装电池板的面积确定光伏电池板的类型和相关参数。
(1)天津地区的太阳能资源情况
根据《天津市太阳能资源评估报告》,近30年来天津太阳总辐射特征,按照中国太阳能资源的区划标准属于ⅡC/X(5/7)h。总辐射为5977.6MJ/m2,可利用的太阳辐射为3880MJ/m2,占总辐射的65%;天数为199天,占全年的54.5%。
(2)本项目可以设置太阳能光伏电池板的区域有:建筑物的屋顶、立面和自行车棚等。
(3)安装区域首先考虑屋顶,其次是自行车棚,最后考虑建筑物立面。电池板按照转换效率最高的原则进行选择(见表2),其安装角度以总发电量最大为目标。
采用HIT210W光伏电池板需要在该区域铺设1409块,总装机容量为295.89k Wp,年发电量为299.24MWh/a。具体安装数据见表3。
本项目的光伏发电量为299,240 kWh/a,而总能耗为252,716kWh/a。预留出不小于10%的不可预见量。对比于新加坡的技术培训楼,其光伏发电量为207,000 kWh/a,能耗为206100kWh/a。
在确定光伏发电系统时应注意:
(1)遮挡分析:周边建筑物对本建筑屋顶电池板的遮挡分析,建筑自身对电池板的遮挡分析,如:建筑物屋顶女儿墙、建筑物屋顶设备机房、突出屋面的设备等。
(2)光伏发电系统的分析:光伏组件参数、光伏方阵排列间距、光伏组件倾斜角度、光伏方阵模数、逆变器参数及配置情况、系统装机容量、预计年发电量等。
(3)利用PVSYST软件进行模拟分析计算:根据天津地区的经度和纬度,通过模拟分析比较,获取光伏组件利用效率最高的安装倾角和安装间距,并根据可用场地面积,设计合理的光伏组件方阵和逆变器,模拟计算出年光伏发电量。
(4)光伏发电系统的经济性分析:在可用场地面积和技术条件一定的前提下,以满足零能耗建筑的用能需求为目标进行投资的分析比较。从表4的比较结果可以看出,采用转换效率最高的光伏板其装机容量和发电量是最高的,同时投资也是最高的。
2.3 微网及储能技术
由于光伏发电系统受外部环境气候影响较大,其发电量并不稳定,与建筑物的用能情况并非一一对应,因此,必须采用与外电网并网运行的方式,才能实现建筑物用能平衡。
本项目采用由光伏发电、锂电池储能及负荷构成的微网系统。
微网系统根据其规模的大小分为,低压微网系统、馈线级微网系统和变电站级微网系统。由于本项目是基于用户的接入模式接入到配电变压器的400V侧,因此采用低压微网系统。
2.3.1 低压微网系统
微网系统有并网和孤岛两种运行模式。本项目低压微网组建模式如图1所示。将所有光伏发电和重要负荷接入到400V交流母线M1,并配置一定规模储能装置,共同组成低压微网。通过微网联络开关实现与400V母线M2的连接。微网范围为图1中红色椭圆部分,具体要求如下:
(1)在光伏电池和负荷的出口处分别设置断路器(B1~B6,必须具有过载保护),通过微网联络开关接入400V母线M2。
(2)微网所包括的断路器均由微网监控系统进行监控,并确保在断路器下级设备发生故障时动作,在上级发生故障时不动作。
(3)在外部电网故障时,关断电源逆变器和全部微网负荷,断开微网联络开关。随后微网监控系统控制储能放电,闭合重要负荷的回路,建立微网电压。微网电压建立后,根据微网运行需要,逐步投入剩余负荷,微网转入孤网模式。以储能为主控单元,以光伏发电为辅助控制单元,孤网运行。
(4)在微网内部设备发生故障或进行检修时,断开相应断路器。
2.3.2 锂电池储能
锂电池储能具有利用峰谷电价,调节用电的功能,但在微网中主要还是稳定系统的运行。储能功率在配置时不应小于重要负荷的用电量;同时还应满足在孤网运行时,电网电压、频率的控制需求;在并网运行时,储能发挥一定的功率控制作用;电池的容量按照光伏发电量与建筑物能耗差值最大的月份来确定。储能系统配置基于以下条件:
(1)光伏出力曲线;
(2)在孤网运行时,储能系统按30%初始容量计算,通过储能放电(满放)保证重要负荷持续工作2h;
(3)在并网运行时,储能系统按25%~85%容量进行控制,控制一天不超过一次充放电循环。
2.4 能耗控制
零能耗建筑正常运转不仅需要足够的可再生能源——光伏发电,同时,还需要通过主动节能的各种措施,合理调节设备用能需求,降低建筑物的总能耗。
2.4.1 智能照明控制系统
照明用电在建筑中占有一定的比重,照明是否控制得好对照明能耗影响较大。本项目采用KNX/DALI数字化照明技术。要求所有办公区域的荧光灯配置具有DALI数字通信接口的高频电子镇流器,LED灯配置具有DALI数字通信接口的变压器。每个镇流器、变压器都通过数字寻址通信。其主要控制功能:
(1)每个光源作为一个独立的通信对象,可以分别访问和控制;
(2)光源和镇流器状态信息可实时通过总线传至弱电机房的主机;
(3)荧光灯和LED调光可实现由1%~100%的亮度调节;
(4)设置集亮度感应、恒照度控制和人体感应于一体的吸顶式感应器;
(5)根据室外光线的变化,通过DALI总线对每个灯具进行断开或调光控制。
2.4.2 空调节能控制系统
暖通空调系统消耗的能量在建筑物内占有相当大的比重。空调设备包括:地源热泵、空调机组、新风机组、排风机、机房空调等。通过对空调设备的节能控制,可以提高空调设备的运行效率,降低运行能耗。其主要控制功能:
(1)直流无刷风机盘管采用联网控制系统,系统自带温度传感器。不仅可以利用现场的温控器实现对盘管的电动阀和风机的控制,也可从后台主机对盘管进行统一监控。
(2)根据室内温度传感器与后台设定的温度相比较,通过控制模块自动调节地板采暖系统分配器上电动阀的开闭,实现室内温度的调节。
(3)根据室内吸顶式感应器的信号,通过输出继电器调节风机盘管或采暖系统分配器上电动阀的开闭,实现人走设备停。
(4)空调季通过窗磁信号和输入模块实现对风机盘管的软开闭。房间无人时,延时断开室内的照明和风机盘管的供电;当规定的下班时间到时,在确定无人后延时断开室内所有供电回路,包括照明、插座、风机盘管等。
2.4.3 能耗分配控制策略
与建筑物一年的用能情况相比,光伏发电因受外部环境气候影响,发电量波动较大,对实现建筑的零能耗带来一定困难,因此,采用了一种建筑能耗指标预测和基于光伏发电的能源分配控制策略的方法来保证零能耗建筑一年用能的平衡。
首先通过模拟分析软件等方法,建立初始能耗指标体系;根据能耗与光伏发电动态特性曲线,以能耗监测系统为基础,建立能耗与光伏发电数据库,用实际建筑能耗指标,修正初始预测的能耗指标,形成能耗指标体系;以光伏发电实际数据为依据,修正光伏发电特性曲线;以能耗指标为依据,建立能耗预警机制,最终构建均衡的能源分配控制系统,实现建筑的“零能耗”。
3 零能耗建筑与绿色建筑
绿色建筑就是在建筑全寿命周期内,最大限度地节约资源、保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,以及与自然和谐共生的建筑。绿色建筑的实施不仅需要生态环保的理念和相应的设计方法,还需要管理人员和业主具有较强的环保意识。这种多层次和多专业合作关系,需要在整个过程中确定明晰的评定和认证体系,以定量的方式检测建筑设计生态目标达到的效果,用一定的指标来衡量其所达到的预期环境性能。引导建筑向节能、环保、健康、舒适和高效的方向发展。世界许多国家、地区都制定了绿色建筑评价体系,如美国LEED、英国BREEAM、新加坡GREEN MARK、中国绿色建筑和中新生态城绿色建筑等等。
零能耗建筑强调的是建筑要超低能耗运转,更精细化的控制,100%的可再生能源的使用,确保一年中建筑现场产生的能量净额与建筑所必须的能源净额相等。因此,零能耗建筑与绿色建筑相比,既有相同点又有不同点,见表5。
按照绿色建筑评价标准体系,零能耗建筑通常能达到最高等级。本项目按照美国LEED白金奖、新加坡GREEN MARK、国家绿色建筑认证三星级、中新生态城绿色建筑认证白金奖进行设计。基本上都满足要求,但在照明方面因认证标准不同而有所不同,GREEN MARK对照度标准、照明功率密度都有具体要求;LEED仅对不同区域的照明功率密度有严格限制;在国家绿建标准和中新生态城绿建标准中,对照度标准和照明功率密度也有要求,见表6。
4 结束语
零能耗建筑在设计、建造和使用过程中会采用许多新技术以及各种成熟的技术,同时,也对运营管理提出了更高的要求。通过实施零能耗建筑,可以为我们探索和积累更多的经验。也为以后的零能耗建筑、绿色建筑和其他节能建筑的设计建造及运营,提供更多的基础数据和帮助,以使我们更好地建设资源节约型、环境友好型的家园。
参考文献
[1]许俊民.探讨零能耗建筑和零碳建筑[J].智能建筑科技,2010,43:1-6.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50378-2006绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.
零能耗建筑 篇6
据了解，所谓“零能耗建筑”，即这种建筑基本不消耗煤炭、石油、电力等能源，就能维持建筑的正常运转。其主要特点是除了强调建筑围护结构被动式节能设计外，将建筑能源需求转向太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能源。
万通生态城新新家园零能耗会所通过屋顶光伏电板、风力发电机组、土壤热源泵、外维护结构、呼吸式幕墙、遮阳百叶、相变蓄热材料、太阳能保温隔热、自然通风、高空间地板送风、溶液除湿、热回收、冷热辐射式新风等多项技术，尽最大努力实现零能耗目标。
零能耗建筑 篇7
徐伟透漏说,《被动房超低能耗绿色建筑技术导则》 (简称《导则》)很可能在一两个月内由住建部颁布。他还告诉记者,“根据住建部标准制定计划,预计2016年将启动国家标准,全面向建筑近零能耗进军。”
大势所趋
“一方面,近零能耗建筑在欧美发达国家已经成为建筑节能发展的最新趋势;另一方面,中国建筑节能工作通过近30年的发展,目前需要树立更高更远的目标,同时,国内节能减排的发展形势要求建筑节能做出更大贡献。近零能耗发展方向是做出更大贡献的必经之路。因此,我国建筑节能的发展目标是近零能耗,这是大势所趋。”徐伟如是说。
记者:我国推动建筑节能近零能耗的背景是什么?
徐伟:总的说,我国建筑节能发展速度不慢,特别是近十年,建筑节能取得了非常大的成绩,得到了国际国内的共同认可。这主要是自身纵比。但如果与发达国家如欧美国家相比,则还有相当大的差距。过去10年,欧盟、美国,以及我们的近邻韩日都相继制定了未来10年、15年甚至20年的建筑节能发展方向。这些方向无一例外向近零能耗方向发展。
记者:请介绍一下欧美等发达国家的最新节能方向或目标。
徐伟:先看欧盟。欧盟于2002年通过了《能源效率指令》,提出了“3个20%”的目标,提高能源效率是其中之一。三个20%是指在2020年之前,使温室气体排放量比1990年减少20%,把可再生能源的比例提高20%,使能源的最终消费量比2005年减少20%。在欧盟2020建筑能效指令下,欧盟各国结合自身条件制定了相应的近零能耗建筑发展目标。比如,德国提出在2020年无需使用化石燃料,丹麦提出在2020年比2006年建筑能耗降低75%,芬兰则将在2015年执行被动房标准,英国希望在2016年实现零碳排放,法国更是希望在2020年建筑能实现对外供能(而非现有需要外部对建筑供能)。总的来说,就是欧盟要在2020年前率先实现新建建筑实现近零甚至零能耗。美国总统奥巴马在2009年发布《美国联邦零能耗、高性能绿色建筑行政命令》,该指令指出, 到2020年实现净零能耗住宅市场化,到2025年实现商业净零能耗建筑低增量成本运营,到2030年100%的新建联邦建筑达到零能耗目标。在亚洲韩国,则出台有减少温室气体排放的目标:2020减少建筑行业26.9%的温室气体排放,2025年实现零能耗住宅。
记者:决定我国走近零能耗之路的国内因素是什么?
徐伟:有两方面。一是虽然我国建筑节能取得了一些成绩,但相对于更高标准,我国在政策导向、标准方面还有不小差距。另一方面,国内节能减排形式的发展,特别是十八大后,中央提出要建设美丽中国、建设生态文明等政策与策略,其实也要求建筑节能减排质量的提升。 更为现实的是,我国不少地方深受雾霾对环境的恶劣影响(比如京津冀、长三角等地区),这要求与工业、交通位列耗能前三甲的建筑做出更大的贡献。因此,综合国际、 国内的实际情况,我国建筑节能向近零能耗发展乃是大势所趋。
为何是建筑领域,而非工业或交通领域?
众所周知,工业、建筑、交通位列耗能前三甲——不仅在国内, 国际也是同样的情况。那么,走近零能耗之路为什么是建筑领域而非工业或交通?徐伟给出了自己的解释。在徐伟看来,建筑领域不仅可以实现近零能耗,而且最终可以成为备受欢迎的“经济适用房” 而被广泛接受。
记者:为什么工业、交通不太可能向近零能耗发展?
徐伟:先说工业。我国的工业现代化还没有完成,这意味着能耗绝对量还要增加,这样的情况还要持续一段时间。在国外,发展中国家和我国情况类似。发达国家工业已经走到能源消耗的顶端, 能耗在整个社会能耗中所占比重已经达到了极致,再降低很难。所以我认为,就世界范围讲,工业领域实现近零能耗几乎不可能。交通领域为什么不能走近零能耗呢?有人会说,现在已经出现太阳能飞机——不依靠传统能源飞行——这样的话,不是可以实现近零能耗甚至零能耗了吗?的确,太阳能飞机的出现、全球飞行给交通能耗的大大降低带来了极大的想象空间。但我认为,太阳能飞机的宣传价值大于实际应用价值:宣传环保理念,鼓励人们少用甚至不用传统化石能源,积极创造新的清洁能源交通工具。但太阳能飞机从概念飞行到实际应用飞行一定还有很长的路要走。同样,要实现车船(不含人力直接驱动)近乎不消费能源而运行也很遥远。由此,我们可以预见未来的交通工具实现近零能耗的可能性有多大。因此我认为,交通节能也不太可能以近零能耗为终极目标。
记者:为什么建筑有可能实现近零能耗?
徐伟:因为建筑能耗的60%甚至70%是由采暖、空调而耗费的。既然这样,我们可以采取一些高性能保温隔热材料、采用非化石能源减少甚至取消因采暖、空调而耗费的能源。在此基础上,再配以节能设计、节能工艺、科学运行管理——这样的话,可以实现建筑节能的近零能耗。
记者:可以实现是纯理论、技术上的,还是在实际中已经可以做到的?
徐伟:理论已经被欧盟、美国等发达国家广泛应用且成效显著。这种近零能耗的被动式超低能耗绿色建筑是当今世界领先的低碳节能绿色建筑,具有“超低能耗、 高舒适度、微排放”的特点,在目前世界各类节能建筑中具有明显的技术优势。在国内已经有这样的建筑。现在我们所在的这座楼(中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院办公楼)就是近零能耗示范楼。
记者:这幢示范楼是如何实现近零能耗的?
徐伟:首先说照明方面。这幢楼通过屋顶的光导管, 将室外自然光引入室内。光导管的反射率高达99.7%, 且不受黄昏、黎明甚至阴天的影响。在公共区域照明方面,通过与南立面结合的光伏太阳能薄膜电池来实现。 在制冷和供暖方面,夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵相结合的方式;冬季所需热量则由地源热泵系统、 水蓄热系统以及屋顶的真空玻璃管中温集热太阳能空调系统来提供。该示范建筑在冬季不使用常规能源,夏季供冷系统较常规系统节省50%,年平均能耗仅为25千瓦时/平方米。除了上述技术手段,对建筑智能化、精细化的管理和控制,也是该示范建筑实现节能效果的重点。
记者:除了贵院的示范项目,其他地市还有吗?
徐伟:我院的示范楼并不唯一。河北秦皇岛在水一方、黑龙江哈尔滨溪树庭院等都是较成功的被动式居住型建筑项目。通过采取高效的保温、严格的密封和带有热回收的新风系统等主要技术,取消了传统的供暖管网和采暖方式。这些项目均实现了建造初衷:无论外面天寒地冻还是酷热难耐,室内总能保持冬季20℃、夏季26℃的舒适区间,节能率超过九成。如今,被动房的成果正如雨后春笋般铺开,黑龙江、河北、江苏、山东等省市都在筹建被动房产业园区。可以说,即将颁布的《导则》 就是在这种背景下孕育而生的。
记者:这样的高效节能的建筑是不是要增加很多成本而难以推广?
徐伟:我院的这幢示范楼在节能方面的增量成本为700元/平方米左右,但节能效果较为可观,因此,预计5~8年即可收回投资成本。如果规模大单位增量成本可以控制在五六百元之间。由此可以看出,被动式近零能耗的建筑并非贵的吓人,而且与其良好的节能效果、高质量的室内环境和适宜的舒适度相比,是名副其实的“经济适用房”,这样的房子既适合我国建筑节能的发展趋势, 又能满足收入不断提高的国人对高品质建筑的需求,因此,可以预见,随着我国节能减排工作的不断深入和成本的不断降低,这类房子肯定会逐渐扩大市场占有率。
《导则》制定克服了三大挑战
“在试验、试点、示范工程逐渐开展之后,我们发现如果要有效规范推广、使产业科学健康发展,就需要一个导则来指导、规范,这就是《导则》产生的背景。自去年3月接受编制任务至今已经历时一年半《导则》编制终于进入尾声。在编制过程中,我们十易其稿,可见其编制并不是想象的那样——搞几个月就搞完了。在编制过程中真是遇到了很大的挑战。”徐伟这样描述《导则》编制后的感想。
记者:《导则》在编制过程中遇到哪些挑战?
徐伟:主要是三方面的挑战。一是指标和方法的挑战。在评价指标上,我们改变了传统的评价方法。以前我们习惯用50%、65%、75%这样的节能率表达方式,这些标准是针对20世纪80年代初的能耗做基准而制定的。 现在全国普遍执行的是65节能标准——但这个标准和近零能耗建筑的要求差距很大——需要在这个基础上再降低85%~95%才能达到近零能耗标准。这需要一个跨越式发展。
记者:跨越式发展容易理解,那挑战体现在哪里?
徐伟:跨越式发展要求彻底改变原来的评价指标、 方法。比如指标,《导则》采用双约束指标:既要满足全年采暖、制冷能耗约束又要同时满足对室内环境提出的更高的要求,只满足一方面例如全年能耗标准,即便能耗极低,但如环境指标不达要求同样不能算达标,只有两项同时达标才可以。评价方法上也产生很大变化。过去是以规定性条件为主:告诉你房子怎么建,窗、墙、供暖、 空调、照明怎么做——照规定去做,验收合格就算节能建筑了,现在不是——现在是性能性的方法,有目标、有程序、有手段,考核目标的完成情况。由此也带来了设计方法的变革。传统设计方法是各个专种、专业、工种之间按部就班各尽所职;现在发生3方面变化:一是性能性变化;二是必须协同一致;三是必须是全过程的实施方法。 在这里需要强调说明的是,实际上,建筑节能的近零能耗绝不是单一设计过程所能完成的,它是一个完整不可分割的整体。
第二是施工上的挑战。现有施工方法、工艺无法满足大幅度降低能耗的要求。这方面必须改革甚至革命。 另外,要引导从业者大幅度提高素质。众所周知,从业者素质是决定能否建造超低能耗建筑的决定因素之一。如何变革施工工艺、方法,引导从业者提质是无法回避的挑战。
第三方面的挑战是如何引导产业转型升级。比如窗传热系数,以北京为例,北京是2.0左右——已经在国内领先,但要达到近零能耗建筑,就要达到1.0左右,2.0到1.0不是说提升一代,而是至少提升三四代的水平。同样,保温材料、照明、供暖制冷系统及控制系统都面临对传统方法的革新。这方面的挑战是巨大的,对于作为规范、导引的《导则》的制定而言,并不是凭想象、推测写上去就可以完事。它要根据产业实际,做科学的、可行的导引,否则一切都会落空。
我国推进建筑节能近零能耗有特殊性
徐伟告诉记者,搞建筑节能,我国与国外发达国家相比有共同之处,一是采用高性能建筑围护结构,就是外墙、窗、屋顶这些围护结构要做好;二是所有的能源系统包括采暖、空调、照明等系统达到高效运行。这方面从全球来讲,已经取得长足进步:近三十年来,全球能源效率平均提高了50%;三是尽可能采用可再生能源,减少化石能源的使用;四是完善、强化运行管理。“我国推进建筑节能与发达国家相比,有共性但主要表现为我国的独有特性。”徐伟进一步说到。
记者:请具体讲一讲我国推 进建筑节能的独有特性。
徐伟:一是与欧洲国家相比,我国地域广大,气候条件差别大。表现为从南到北气候带多,而在不同的气候带搞近零能耗的技术路径不同。
二是我国建筑形式与欧洲国家不同。不同的建筑形式使建筑近零能耗推进的方式方法不尽相同。具体讲就是, 欧洲国家以house形式建筑的住宅房约占50%以上,这种房子是独立低层的;而我国大中城市多半是中高层,现在三四线城市也在搞中高层。我国这种特有的住宅方式决定了我国在推进近零能耗过程中不可能与欧洲国家采取相同的措施。
三是我国推进建筑节能与欧美国家不在相同的发展阶段。欧美国家在20世纪70年代推动建筑节能时,他们的经济已经高度发达,建筑能耗也达到了相当高的程度,他们搞节能实际上是降低能耗;而我国自20世纪80年代搞建筑节能时,经济正在起步,建筑耗能的大头——采暖和空调并不普及,家电也是稀有之物,因此那时我国建筑能耗很低。这种从低能耗起步到如今搞近零能耗的历史过程决定了我国推进近零能耗的特殊性。
四是我们是在室内环境需要大幅提升的情况下推动近零能耗。提升室内环境如提高舒适度是要耗费能源的。 也就是说,我国的近零能耗是在保证室内环境提升下的降低能耗。这与发达国家不同:发达国家的室内环境质量问题已经解决,他们是单向作战;而我们是双向作战。
记者:请具体谈谈我国住宅室内环境的提升对推进近零能耗的影响。
徐伟:建筑耗能的大头是采暖和空调。之前,南方不需采暖,东北不需空调。现在情况不同了:南方也要采暖, 东北也要空调,而这都是为了提高室内环境质量——这事关改善人们生活质量,所以这一定是要做的。从实际来看,中国的居民住宅与国外发达国家相比,人居面积的差别已经不大,但室内环境质量差异很大,这块短板必须补齐。因而,我们搞近零能耗必须、只能双向作战,别无选择。这方面仅从冬天供暖的温度就可以清楚看到:过去, 我们冬天取暖要求室内保持在16℃,现在要求18℃,实际上,这个数字各地不一,有高低浮动。北京是高浮动,供暖锅炉都在20℃以上,东北往往22℃以上。为什么要这么高?因为我们的围护结构、门窗做得不够好,导致冷辐射量很大,如果不提高温度的话,室内舒适度难以保证。发达国家已经把室内舒适度的问题解决了,我们国家还差得远。因此,我们搞近零能耗面临极大挑战。
全面推进近零能耗还有很多工作要做
推进我国建筑节能近零能耗,需要借鉴国外经验、 补齐管理短板、确定自己的发展路径。《导则》的意义在于为我国未来建筑节能指明发展方向、确定发展目标。 这就相当于为我国的建筑节能工作点亮了一盏航灯。但正如徐伟所认为的一样,推进我国的建筑节能近零能耗还有很多工作要做。
记者:在向零能耗进军途中,运行管理是国内外都必须重视的环节和措施之一。请谈谈我国运行管理方面的情况。
徐伟:毋庸置疑,运行管理环节在我国建筑节能领域一直是软肋。我国有这样的传统或习惯:重建设轻运行。建设方面有一系列法律法规、管理程序、管理队伍、 标准规范以及技术体系都可以管的上、发上力,但运行谁在管?几乎没人管,管也是表面功夫。
记者:能不能举例说明?
徐伟:就拿国外运行管理中的调适commisioning环节来说吧。国外的调试是一个必不可少的环节,有专门的团队,有预算——整个建筑的调试费用和设计费用相当。这在中国不可能。在我国,运行调试就是试车:该冷的冷、该热的热、该亮的亮就可以了。调试的目的是为了使各种功能达到优化状态——国内几乎所有的楼宇整个机电系统达到优化状态的非常少,实际上,也调不出来。 需要说明的是,这样的调试过程,在国外也不是都有,但大型复杂建筑如机场、大型写字楼等都有。在国内,涉外工程如外方独资工程有调试程序。我们应该加强这方面的工作。如果不加强运行管理,再节能的建筑也难以取得理想的节能效果。
记者:我国推进建筑节能近零能耗,是否借鉴了国外先进技术或经验?
徐伟:借鉴、学习外国先进技术、经验有利于我国较快有效推进近零能耗。我们借鉴比较多的是德国的技术和经验。目前,德国被动房技术已经在我国开始应用,已经做了一些实验、试点。之所以借鉴、学习它,是因为它形成了完整的节能技术体系,是德国标志性成果。从效果来说,比较理想。另外,我们还和与之进行技术交流, 一起设计国内最大被动式建筑——青岛中德生态园展示中心。需要说明的是,学习是为了寻找自己的发展路径, 对于国外的先进经验、成果绝不是拿来主义,而是消化再创新。
记者:推进我国近零能耗,离不开相关产业的转型升级。您觉得应如何实现产业升级转型?
徐伟:要政府、企业、市场共同发力。政府的力量是积极引导、鼓励——开始阶段补贴和奖励是不可缺少的。企业要瞻前顾后,眼前和长远兼顾。据我所知,一些开发商很关注近零能耗,但大多数不愿做第一个吃螃蟹的人,要等到别人干得差不多了,才去分享成果。我认为, 企业要更积极些、主动些。国家要在产业政策上努力实现市场倒逼机制,使企业别无选择走上转型升级之路。 总之,近零能耗在我国刚刚起步,虽然取得了一些经验和成效,但离规模化、完整的推广还有大量工作要做。
采写感言:感谢引领者!
假如你工作的办公楼或住宅是带电梯的小高层, 那么,在节能低碳成为潮流的今天,有人建议你走楼梯,你意下如何?你会接受建议吗?
9月上旬的一天,也就是我们去徐伟院长办公室采访他的那一天,我们到了他的办公楼下,经前台工作人员告知,徐院长在三楼,我们便下意识找电梯(坐电梯已成习惯,除非没有):找到电梯,电梯正要关门——两个工作人员正在用电梯搬运东西,我们示意等一下:我们本想快一点上电梯——莫让人家久等——但电梯门口却竖着一块带字的牌子,我们不得不先挪开那带字的牌子;下电梯时,电梯口仍竖着一块牌子,我们又不得不侧身出电梯。采访结束,我们又下意识去找电梯—— 这时才看清牌子上的字“请走楼梯”!
次日,听采访录音,听到行为节能的相关内容时 (相关内容没有放在采写文章之中),才醍醐灌顶般地领悟过来:人家是在提醒、引领人们身体力行践行节能低碳!在采访时,徐伟院长对国人传统的节能意识及行动大加赞赏:从总体上讲,国人的节约意识及行为是非常好的。他以人走灯熄为例,“美国不关灯,印度、巴西这样的发展中国家也没这个习惯——巴西做过相关调查,结果显示,在巴西就没听说过人走关灯这件事—— 这是一个习惯问题,不存在道德问题,国人这方面是最棒的!”
真是有些汗颜——身为最棒的国人之一员,没能力所能及地践行节能低碳!由此想到了那些只把节能低碳当做随机的事件来做的情况:搞一下子、抓一阵子,之后就将节能低碳抛之脑后——容忍甚至纵容浪费行为。
建议人家不坐电梯,这需要勇气——可能受到人家的诋毁,但事关节能国策的执行——在我国能效还需要大幅提升的情况下,的确需要国人从点滴不折不扣地做起。徐伟们是这方面的引领者。作为有诚意要为节能低碳近绵薄之力的人们来说,真是要感谢这样的引领者,让包括笔者在内的无意识或意识不坚定者坚定走进为节能低碳而力所能及有所作为的国人行列。
建筑能耗的60%甚至70%是由采暖、空调而耗费的。
既然这样,我们可以采取一些高性能保温隔热材料、 采用非化石能源减少甚至取消因采暖、空调而耗费的能源。
我国这种特有的住宅方式决定了我国在推进近零能耗过程中不可能与欧洲国家采取相同的措施。
零能耗建筑 篇8
随着人类社会的扩张和发展, 环境污染和能源耗竭日益严重。可再生能源的开发利用是目前为止能够解决人类环境能源困境的有力途径。国家能源局发布的《国家能源局综合司关于进一步做好可再生能源发展“十三五”规划编制工作的指导意见》中, 明确了可再生能源发展规划的重点任务和发展方向, 同时强调了落实可再生能源发电的消纳市场, 从技术研发和政策配套方面助力可再生能源利用向着越发成熟的方向发展。
零能耗建筑是指应用太阳能和可再生能源来运作的建筑, 使一年中现场产生能量的净额等于建筑所必须的能源净额[1]。零能耗建筑是最理想也是最现实的能源节约建筑。
建筑光伏 (Building Mounted Photovoltaic) , 简称BMPV, 是安装在建筑物上的光伏发电系统, 包括BAPV和BIPV。其中, BAPV (Building Attached Photovoltaic) 是附着在建筑物上的光伏发电系统, 也称为“安装型”光伏建筑。BIPV (Building Integrated Photovoltaic) 是与建筑同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的光伏发电系统, 也称为“构件型”和“建材型”光伏建筑。将光伏发电系统与建筑实际情况相结合, 将光伏发电系统设计融入建筑设计施工的全过程中, 才能够在建筑功能及美感不受影响的同时使太阳能的利用达到最优化, 甚至优化建筑功能, 提升建筑美感。
1 工程概况
天津属于暖温带地区, 年平均气温为11.5℃, 通过国家气象局最近10年的日照统计数据可知, 天津的年均日射量为4.073k W·h/m2、年日照时间为2 778h、年平均日照率为63%。因此, 采用太阳能光伏发电系统是可行的。
中新天津生态城公屋展示中心工程位于天津市中新天津生态城15号地公屋项目内。总建筑面积3 467m2, 其中地上两层, 3 013m2;地下一层, 454m2, 建筑总高度15m。建筑功能一部分为公屋展示、销售;另一部分为房管局办公和档案储存。本工程的设计目标为零能耗的绿色公共建筑。通过被动式设计使建筑物耗能达到合理的极限, 通过主动式设计提高设备能源使用效率, 预估年建筑能耗约为252.8k W·h/a, 单位面积建筑能耗约为72.9k W·h/ (m2·a) 。建筑效果如图1所示。
2 光伏发电系统总体框架
装设光伏组件的区域主要包含:屋顶弧形架构区、屋顶东西两侧三角区、建筑东南侧停车棚和西南侧停车棚顶部。采用高转换效率HIT型光伏组件, 尺寸为798~1 580mm, 峰值功率为210Wp, 组件转换效率为16.7%, 电池转换效率为18.9%, 重量约15kg, 总装机容量292.95k Wp, 总发电量约295MW·h/a, 高于年建筑能耗12.3%, 预计可达到建筑零能耗的目标。
光伏发电系统与市电并网运行, 多余的光伏电能反馈到市电电网。设置有648k W的锂电池储能装置, 用于平滑光伏馈电功率, 并为较重要负荷提供备用电源。
本项目作为零能耗建筑, 光伏发电全年的发电量应大于负荷能耗的10%以上。但天津属华北地区, 季节差异较大, 夏季及春秋季, 光伏发电量大于负荷用电量;冬季, 光伏发电量小于负荷用电量。通过光伏发电系统的并网技术措施, 即可实现从电网取电, 也可向电网馈电的并网形式。即:夏季及春秋季多余的电量馈向电网, 冬季从电网取电。一年的光伏发电总量大于建筑能耗的总量, 从而真正实现零能耗建筑。
在此并网系统中, 主要依据两方面来确定蓄电池的容量, 一方面为智能控制系统工作站、计算机网络设备、服务器及对外窗口办公计算机提供2h的应急电源, 另一方面为了稳定光伏发电上网的相对恒功率输出的需要, 取两者中的较大容量, 最终确定为648k Wh。光伏发电系统框图见图2。
3 光伏发电系统设计方案
新建建筑光伏发电系统设计与建筑设计同步进行, 统一规划, 同时设计、施工。其规划设计应根据建设地点的地理位置、气候特征及太阳能资源条件, 确定建筑的布局、朝向、间距、群体组合和空间环境, 并应满足光伏发电系统设计和安装的技术要求。同时结合建筑功能、建筑外观以及周围环境条件, 进行光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽的选择, 使之成为建筑的有机组成部分。光伏发电系统设计流程如图3[3]所示。
3.1 遮挡分析
遮挡分析包括周边建筑物对本建筑屋顶电池板的遮挡分析、建筑自身对电池板的遮挡分析, 如建筑物屋顶女儿墙、建筑物屋顶设备机房、突出屋面的设备等。本项目位于天津市中新天津生态城15号地公屋项目内, 在本建筑南侧50m内有2栋16~18层的高层住宅, 见图4, 女儿墙高出屋面1.5m, 对本项目光伏发电系统的遮挡影响较大, 因此需要着重对周边建筑及女儿墙进行建模并模拟分析, 见图5。
根据分析结果可见, 本项目周边遮挡因数约为10.9%。
3.2 组件选择
光伏组件分类较多, 主要包括单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶/单晶异质结 (HIT) 光伏组件、非晶硅薄膜光伏组件、碲化镉 (Cd Te) 薄膜及铜铟硒 (CIS) 薄膜光伏组件等, 其中以非晶/单晶异质结 (HIT) 光伏组件转换效率最高。其太阳能电池片基本结构如图6所示, 是以光照射侧的p-i型a-Si:H膜 (膜厚5~10nm) 和背面侧的i-n型a-Si:H膜 (膜厚5~10nm) 夹住晶体硅片, 在两侧的顶层形成透明的电极和集电极, 构成具有对称结构的HIT太阳能电池组件[2]。HIT太阳能电池组件具有低温工艺、高效率、高稳定性、低硅耗等特点。
光伏组件的选用依据以下原则:
(1) 应根据建筑功能、外观以及周边环境条件遮挡情况, 从光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽等方面总体考虑来选择光伏组件, 使之成为建筑的有机组成部分。
(2) 应根据光伏组件在一年中的运行时间、运行期内的风环境、日照条件、经济条件、维护管理等多方面因素综合考虑选用光伏组件。
(3) 光伏组件及其连接件的规格、性能参数及安全要求由厂家提供, 其中连接件的尺寸、规格、荷载、位置需经过设计, 预埋件、支撑龙骨及连接件均按国家相关规范要求设计, 预埋件施工时应确保定位无误。
综合考虑, 本设计选用组件峰值功率为210Wp、组件转换效率为16.7%的光伏组件, 其技术指标如表1所示。
3.3 安装方式设计
屋顶、停车棚的光伏组件与建筑的安装构造方式为安装型, 属于BAPV方式;弧形遮阳架构的光伏组件与建筑的安装构造方式为构件型, 属于BIPV方式。在有限的可利用空间实现最大的光伏发电量是安装方式设计的出发点。
为了使光伏方阵得到的太阳辐射和光伏系统的功率输出最大, 光伏方阵的取向和倾角应按照光伏方阵所在的地理位置考虑。通过软件模拟分析, 在天津地区, 光伏组件全年获得电能最多的倾角为32°。而考虑到中央弧形遮阳架存在一定的弧度, 组件安装间距可大大缩小, 增加了组件安装数量, 因此在中央弧形遮阳架的南北两侧采用32°倾角安装, 根据弧形遮阳架弧度不同, 安装间距也不尽相同, 详见图7。
借助于专业软件, 分别对屋顶两侧三角区0°倾角安装、32°倾角安装两种方式进行了模拟分析, 详见表2。
经过分析计算可见, 0°倾角安装能够在有限的屋顶面积条件下获得最大的光伏发电量。因此在屋顶中央弧形架构中心区、东西两侧三角区光伏组件安装倾角为0°。
在车棚区域, 采用与车棚倾角一致的安装角度, 约为13°。
光伏组件共计铺设1 409块, 总装机容量为295.89k Wp。各区域安装方式参数详见表3。
3.4 并网系统设计
由于本工程光伏组件主要集中在屋顶和车棚, 所以采用集中监控、集中并网方式, 用户侧低压380V并入公共电网。结合选用的光伏组件类型、数量及安装分区, 配置并网逆变器的类型与数量。本工程选择10k W逆变器, 具体参数如表4所示。其配置方案详见表5。
光伏电站向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量, 在谐波、电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡度等方面应满足《电能质量电力系统谐波》 (GB/T 14549-93) , 《电能质量公用电网间谐波》 (GB/T 24337-2009) , 《电能质量供电电压偏差》 (GB/T 12325-2008) , 《电能质量电压波动和闪变》 (GB/T 12326-2008) , 《电能质量三相电压允许不平衡度》 (GB/T 15543-2008) , 《电能质量电力系统频率偏差》 (GB/T 15945-2008) 的要求。出现偏离标准的越限状况, 系统检测到这些偏差并将光伏系统与电网安全断开。
3.4.1 谐波
光伏电站所接入的公共连接点的谐波注入电流应满足《电能质量电力系统谐波》 (GB/T 14549-93) 的要求, 其中光伏电站向电网注入的谐波电流允许值按照光伏电站装机容量与其公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。光伏电站所接入的公共连接点的各次间谐波电压含有率及单个光伏电站引起的各次间谐波电压含有率应满足《电能质量公用电网间谐波》 (GB/T24337-2009) 的要求。总谐波电流应小于逆变器额定输出的5%。
3.4.2 电压偏差
光伏电站接入电网后, 光伏电站并网点的电压偏差应满足《电能质量供电电压偏差》 (GB/T12325-2008) 的要求。三相电压的允许偏差为额定电压的±7%, 单相电压的允许偏差为额定电压的-10%~+7%。
3.4.3 电压波动和闪变
光伏电站所接入的公共连接点的电压波动和闪变应满足《电能质量电压波动和闪变》 (GB/T12326-2008) 的要求, 其中光伏电站引起的闪变值按照光伏电站装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。
3.4.4 电压不平衡度
光伏电站所接入的公共连接点的电压不平衡度及光伏电站引起的电压不平衡度应满足《电能质量三相电压允许不平衡度》 (GB/T 15543-2008) 的要求, 其中光伏电站引起的电压不平衡度允许值按照GB/T 15543的原则进行换算, 允许值为2%, 短时不得超过4%。
3.4.5 直流分量
光伏电站并网运行时, 向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流电流额定值的0.5%。
3.4.6 功率因数
当电站输出有功功率大于其额定功率的50%时, 功率因数应不小于0.98 (超前或滞后) , 输出有功功率在20%~50%时, 功率因数应不小于0.95 (超前或滞后) 。
3.4.7 频率
光伏系统并网时与电网同步运行。电网额定频率为50Hz, 光伏系统并网后的频率允许偏差应符合《电能质量电力系统频率偏差》 (GB/T 15945-2008) 的规定, 偏差值允许±0.5Hz。
3.5 光伏发电系统发电量模拟
采用专业软件建模, 并对各区域发电量进行模拟分析, 可得全年各区域光伏发电量数据, 详见表6、图8、图9。
3.6 光伏发电监控系统设计
监控系统基本结构见图10, 采用双机单网结构, 采用服务器作为操作员工作站, 兼报表及维护工作站的功能, 用于实现微网综合监控。保护测控装置、电池管理系统、光伏管理系统、双向变流装置PCS均由前置服务器直接接入监控系统, 电表及小型气象站通过规约转换器接入监控系统。模式控制器用于实现微网运行模式切换管理。
光伏系统和电网在异常或故障时, 为保证设备和人身安全, 设置相应的并网保护功能, 包括过/欠电压、过/欠频率、防孤岛效应、恢复并网、短路保护、逆向功率保护等。
4 结束语
零能耗建筑的光伏发电系统设计, 需要着重考虑以下几点:1) 建筑自身及周边场地情况;2) 建筑外形、功能和负荷要求;3) 光伏组件选型;4) 光伏组件安装方式及与建筑一体化设计;5) 光伏发电系统发电量估算。本工程结合实际情况采用BIPV和BAPV两种太阳能光伏技术应用方式, 实现了光伏组件与建筑结合一体化设计施工, 同时应用储能技术和微网技术, 实现建筑零能耗的目标。
参考文献
[1]许俊民.探讨零能耗建筑和零碳建筑[J].智能建筑科技, 2010, 43:1-6.
[2]史少飞, 吴爱民, 张学宇, 姜辛.HIT太阳能电池的发展概况[N].材料导报A:综述篇, 2011, 25 (7) , 130-133.