2024第九届
上海国际空气与新风展览会

AIRVENTEC CHINA (SHANGHAI) 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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净零能耗建筑的边界条件研究

摘要:在超低能耗建筑大力示范推广的今天,“零能耗”建筑被提上研究和示范日程,国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019和团体标准《近零能耗建筑测评标准》(T/CABEE003-2019)开始实施,给各方参与者有了技术和指标的指导。如何能在现有技术下实现“净零能耗”,除了卓越的建筑本体设计、适宜技术的科学应用,建筑体型高度不可忽略,本文最终研究了这一边界条件。
 
关键词:净零能耗建筑; 被动式建筑; 主动式建筑; 被动技术; 主动技术
 
2019年底,国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019和团体标准《近零能耗建筑测评标准》(T/CABEE003-2019)开始实施,明确规定了“超低能耗建筑”、“近零能耗建筑”、“零能耗建筑”以及“产能建筑”在满足标准要求的室内环境条件下的能效指标,在超低能耗建筑大力示范推广的今天给更高能效标准的建筑以更明确的定义和指导。用“被动优先,主动优化”的设计理念建造零能耗建筑已经得到国内外学者和建筑节能从业人员的普遍认同,在欧洲,甚至分为“被动建筑”和“主动建筑”两个流派,但最终导向还是二者主要技术的综合应用以实现“零能耗”建筑的总体目标,只是技术侧重点有所不同。
 
被动房崇尚节能、经济、舒适和建筑美学的有机融合,通过优化建筑方式,减少供暖和制冷能源需求。主要措施包括良好保温的围护结构、高效节能门窗、夏季遮阳、防止结构热桥、高气密性的外围护结构和有组织的室内新风供应和热回收系统。但是,要实现“近零”和“净零”,必须要加入可再生能源进行建筑的自我能源的生产从而全部或部分抵消建筑自身的能耗。由于在建筑本体中生产可再生能源是有相当大的局限的,所以,一方面我们必须尽可能的进行建筑本体的节能,另一方面建筑的“6个面”,都应考虑利用自然资源,进行充分的能源交换,最终,通过耗能和产能的完全平衡,实现建筑全年的“零”能耗指标。
 
即便如此,据不完全了解,在美国,能实现零能耗的最高建筑是位于西雅图这个温和地区的“ILFI((International Living Future Institute,生命建筑)”公司总部大楼,该项目于2013年竣工使用的6层商业办公建筑,总建筑面积约4831平方米。实现了净零能耗、净零水耗和净零废弃物的目标,是一栋无需支付能源费用,并通过生产能源实现收益的建筑。见图1。
 
净零能耗建筑的边界条件研究-第九届上海国际空气新风展览会 AIRVENTEC CHINA 2024|新风展|净化展|室内空气展
 
可以看到为了实现“零能耗”,这个非四边形的建筑在屋顶顶了一个超出建筑立面约3-5米的“光伏大帽子”总面积达1329平方米,使得该项目在实际运行能耗每年每平方米31千瓦时(相较于西雅图能源法令2009年建筑能耗要求低79%)的前提下,通过光伏发电每年生产可再生电能超过15万千瓦时,满足建筑全年用能而实现“零能耗”需求。
 
通过上述例子可以简单分析利用现有的建筑科学技术建造本体实现“零能耗”的建筑是有一定局限性的,这也是中美清洁能源联合研究中心在建筑节能领域中需要通过不断地技术研发来扩展实现“零能耗”建筑的边界。根据现有的标准和技术本文分析了在公共建筑中实现“零能耗建筑”的前提条件:
 
1、建筑高度
 
“零能耗建筑”是通过“开源节流”来实现全年的能源平衡的,也就是尽可能少的使用能源和尽可能多的生产可再生能源。从最易集成和使用的可再生能源——光伏发电技术的使用条件来讲:建筑屋顶无疑是最宝贵的资源,南立面是次一级选择,根据地域条件,东西立面为再次一级选择。如果想要增加立面的太阳能利用面积,无论是增加建筑的开间还是进深,都同时增加了建筑面积从而同等比例的增加了建筑能耗。因此,从建筑的尺度上来说,高度或者层数是决定是否实现“零能耗”的至关因素,显然越高的建筑越难以实现“零能耗”;
 
2、建筑功能
 
从国家现行标准《民用建筑能耗标准》(GB/T 51161-2016)中可以看出,不同建筑功能的建筑能耗差别是很大的,同一地区的公共建筑,如温和地区:A类的党政机关办公楼约束值是50kW. h/ (m2 • a),而B类的大型超市约束值却是100kW. h/ (m2 • a),相差足足一倍;夏热冬冷地区:A类的党政机关办公楼约束值是70kW. h/ (m2 • a),而B类的购物中心的约束值却达到了260kW. h/ (m2 • a),达到了3.7倍。因此,若要推广“零能耗建筑”应从办公类的公共建筑着手,无论是技术成熟度还是增量投资还是运行管理,这类建筑都应属于首选。尤其是自运营的办公建筑。其后的数据分析则以A类的党政机关办公楼为建筑载体。
 
3、太阳能资源
 
近10年,光伏组件与传统的光伏系统的价格降低了近80%,标准光伏组件甚至降到了1.5元/瓦,不到300块钱一平米。这就加大了光伏组件集成到建筑构件中的可能性。光伏的度电成本已经实现用户侧全面平价,电力行业内有一句话叫做:由于光伏有“即发即用”的优势,所以可称作用户侧全网最廉价电力。这就进一步的揭示了光伏能源与建筑结合具有巨大的技术和经济潜力。根据美国劳伦斯伯克利实验室在SCI1区《Renewable and Sustainable Reviews》杂志发表的论文《A review of net zero energy buildings in hot and humid climates Experience learned from 34 case study buildings》中可以看到,在全球湿热地区称为“净零”的建筑全部采用了光伏发电技术,以补充建筑运行的能源消耗。见图2。
 
净零能耗建筑的边界条件研究-第九届上海国际空气新风展览会 AIRVENTEC CHINA 2024|新风展|净化展|室内空气展
 
因此,光伏发电技术作为建筑可再生能源应用最经济最成熟的主动技术,几乎成为“零能耗建筑”的必备。太阳能资源的优劣也就决定了建筑的产能强度。我国太阳能资源根据丰富程度划分为五类地区,从一类地区的每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量6680~8400MJ到五类地区的3344~4190MJ,太阳能资源相差了一倍,也就是同样的光伏电池年发电量相差了一倍。因此,太阳能资源约好的地区越容易实现“零能耗”。
 
4、地域条件
 
根据我国不同气候带的气候条件,国家现行标准《民用建筑能耗标准》(GB/T 51161-2016)给出了同样建筑类型不同的能耗约束值,如A类的党政机关办公楼:温和地区的约束值是50kW. h/ (m2 • a),而夏热冬冷地区的约束值却是70kW. h/ (m2 • a),增加了40%,所以,气候越舒适的地区,越容易实现零能耗。
 
5、经济发达程度与能源消耗强度
 
实现“零能耗建筑”显然需要建设阶段的增量投入,虽然在未来运营阶段,“零”能耗的运行成本对投资方有一定有诱惑力,但估计10%以上的增量成本,5-10年甚至以上的投资回报率显然还无法吸引资本的关注。更何况大部分的建筑投资方和使用方并不是同一个单位,因此“零能耗建筑”还在研究和示范阶段,需要政府的支持和鼓励。其接纳程度也与各地市的经济条件密切相关,与各省的建筑能耗强度密切相关。
 
如图3所示,2000-2016年全国建筑能耗占能源消费总量的比重在17%-21%区间内波动。建筑能耗比重的波动与经济波动总体上呈现称反向关系,经济发展越快GDP增速变大,建筑能耗比重则变小,反之亦然。2002年-2007年间,GDP增速逐年增大,达到2007年的顶峰14.23%,而建筑能耗比重则从2002年的最高峰20.15%,下降到2007年的最低谷17.68%;2007-2014年,GDP增速存在一定波动,建筑能耗比重则相应发生反向波动。2010年后GDP增速逐年下降,建筑能耗比重则逐年上升。
 
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这就说明建筑能耗的降低需要更多的经济投入来实现,经济不发达的地区,只可能以牺牲舒适度来换取能耗的降低,而不是依靠技术提升所需的增量投资。所以,推动“零能耗建筑”的示范建设要从经济发达的一二线城市开始。
 
综上5个主要因素,我们建立一个简单的建筑模型以分析什么类型的建筑是推动“零能耗建筑”示范建设的首批建筑,界定条件为“光伏比”(光伏年发电量/建筑年耗电量)≥1。模型的边界条件为:
 
1、建筑尺度:取建筑模型宽度为30米,该尺度被认为是建筑内部能实现自然采光的临界尺寸,长度取50米,5:3的黄金尺寸。长度方向南北放置,宽度方向东西放置。通过逐级变化宽度和长度发现长度变化对“光伏比”完全无影响,宽度变化影响甚微。层高取4米,变量从3层到7层;
 
2、建筑功能:取党政机关办公建筑,如前述分析,这类建筑的建筑能耗要求最低,也是容易被指定为“零能耗”示范建筑的类型;
 
3、地域:按照《公共建筑节能设计标准》GB50189,分别取五个气候带具有代表性的五个省会城市:哈尔滨、北京、上海、贵阳、广州做预测能耗分析,而这五个城市又分别代表了太阳能资源区的四、三、四、二、五区。
 
4、能耗预测:参考《民用建筑能耗标准》(GB/T 51161-2016)的“约束值”作为按照《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015 )标准设计的能耗指标,包括了建筑空调、通风、照明、生活热水、电梯、办公设备以及建筑内供暖系统的热水循环泵电耗、供暖用的风机电耗等建筑所使用的所有能耗。而按照《近零能耗建筑测评标准》(T/CABEE JH—2019004)评估“零能耗建筑”时的能耗,只包括建筑供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯的终端能耗量,设备插座等不包括,根据大量的数据监测得知,正常设计和运行时,办工设备和插座的能耗约占总建筑能耗的30%。根据《近零能耗建筑测评标准》(T/CABEE JH—2019004)对公共建筑的评价要求,严寒和寒冷地区的本体节能率需≥30%,其余地区为≥20%。以此预测评估“零能耗建筑”时建筑本体的总能耗;
 
5、光伏预测:假定屋面可以全部用来设置BAPV(Building attached photovoltaic systems)系统,南立面20%的面积用于设置BIPV(Building integrated photovoltaic systems)系统。预估屋面一平米150W安装功率,立面一平米100W安装功率;高纬度地区哈尔滨、北京立面是最佳倾角发电量的70%,低纬度地区广州、贵阳是最佳倾角发电量的55%,而位于中间的上海取60%。以上述边界条件预测评估“零能耗建筑”时的最大光伏发电量;
 
6、“光伏比”:如果将光伏年发电量/建筑年耗电量作为建筑的光伏比,当光伏比大于等于1时,实现建筑本体的“零能耗”甚至“产能”目标,当光伏比小于1时,则不能实现建筑本体的“零能耗”目标。当然无论是国内还是国际,目前都暂时认可可提供“使用可再生能源”证明的“off site(非本体)”的“零能耗”形式存在。本论证仅就本体而言。
 
根据以上6个元素的假设,分析现阶段采用现有建筑技术能做到的层数,见表。
 
表1 “零能耗”建筑层高分析表
 
净零能耗建筑的边界条件研究-第九届上海国际空气新风展览会 AIRVENTEC CHINA 2024|新风展|净化展|室内空气展
 
由上表分析可以得出结论:
 
1、分别调节建筑体型的长和宽,对“光伏比”的影响微乎其微直至消失;
 
2、由于北方严寒地区的建筑总体能耗较高,大概率的只能3层及以下建筑能够实现本体建筑“零能耗”,其余地区原则上均能建设4层的“零能耗”建筑;
 
3、要实现更广范围的“零能耗”建筑还必须研究更先进更高效的建筑技术,使得建筑能耗进一步降低,建筑产能越来越高。如:中美清洁能源联合研究中心建筑节能联盟正在研究的“零能耗”技术:根据一年四季气候变化可调围护结构性能的智能幕墙;基于光伏发电和燃料电池的交直流混合微电网;基于人行为自学习的末端智能控制系统等。
 
(文章来源:2021-2022分析报告)

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