近零能耗建筑成套技術(shù)推廣應(yīng)用
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摘要:從節(jié)能建筑、超低能耗建筑到近零能耗建筑，綠色建筑設(shè)計從探索到高追求，離不開節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，也離不開國家在政策上的扶持和鼓勵。成套技術(shù)即將已建成的成功實例所采用的策略和方法進(jìn)行總結(jié)，從而便于從業(yè)者采納借鑒。研究適合推廣的嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑成套技術(shù)方案，推廣方案適合不同層次的客戶需求，易于推廣。主要解決新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對更低能耗、更舒適、更健康、更高質(zhì)量的人居環(huán)境近零能耗建筑，有著急切的渴望和大量的現(xiàn)實市場需求問題。
關(guān)鍵詞:嚴(yán)寒地區(qū);近零能耗建筑;成套技術(shù);圍護(hù)結(jié)構(gòu)
在國家大力推進(jìn)節(jié)能減排積極倡導(dǎo)低碳建設(shè)的形勢下，東北嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能工作發(fā)展迅速，尤其是國家和地方科技支撐計劃的實施，一批成果已經(jīng)在建筑節(jié)能工作中發(fā)揮作用。推廣嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑成套技術(shù)對打造滿足更低能耗、更舒適、更健康、更高質(zhì)量的人居環(huán)境就具有深遠(yuǎn)的意義和很好的社會應(yīng)用前景［1］。美國首先推出綠色建筑的概念，并制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。英國和許多北歐國家也在被動房或超低能耗建筑的研究和實踐方面做了大量的探索，成果斐然，并指定了一系列的評價綠色建筑的標(biāo)識:ActiveHouse主動式建筑，LEED，BREEAM，WELL健康建筑。近些年來，我國各地涌現(xiàn)出一批新型低能耗綠色建筑示范工程，推廣應(yīng)用還在探索階段尤其是嚴(yán)寒地區(qū)的近零能耗建筑成套技術(shù)推廣基本為空白［2］。2020年我國提出了2030碳達(dá)峰和2060碳中和的雙碳目標(biāo)，更加加速了新能源產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型并促進(jìn)了可再生能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈向外延伸對綠色建筑提出了新的要求。研究基礎(chǔ)是已經(jīng)在吉林建筑科技學(xué)院新校區(qū)內(nèi)建成一座嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗示范建筑，集成了當(dāng)今國內(nèi)近零能耗建筑領(lǐng)域最先進(jìn)、最全面的技術(shù)。該示范建筑，被確立為國家住建部科學(xué)技術(shù)示范項目和全國首批超低能耗標(biāo)志性項目，被中國建筑節(jié)能協(xié)會評為“中國好建筑”，是吉林省首座嚴(yán)寒地區(qū)多能互補型近零能耗建筑示范工程(見圖1)。填補多個嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能及能源供應(yīng)技術(shù)空白，形成多能互補型近零能耗創(chuàng)新技術(shù)體系，主要采用無水直熱式點供暖，光伏與建筑一體化設(shè)計，地能與太陽能多能互補，新風(fēng)和毛細(xì)管末端系統(tǒng)，風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電等新能源技術(shù)手段，在建筑清潔能源及可再生能源應(yīng)用領(lǐng)域，位列國內(nèi)先進(jìn)、省內(nèi)領(lǐng)先。前期建成的嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗示范建筑經(jīng)過近四年的運行與實際檢驗，技術(shù)完備，成熟，具備推廣的要素，市場前景寬廣。目前多家企業(yè)已有意向與我們合作，共同促進(jìn)該項成果的轉(zhuǎn)化，建造更多的嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑，未來我們將在嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑建造方面發(fā)揮更大的作用。據(jù)測算，我校已建成的超低能耗建筑每年減少能耗469144kW·h，可節(jié)省標(biāo)煤168．89t，減少污染排放1．7t煙塵，450t二氧化碳，3．4t二氧化硫，1．2t氮氧化物。節(jié)能減排，改善人居環(huán)境和質(zhì)量，具有良好的環(huán)境效益。實行推廣應(yīng)用對嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的設(shè)計、建造和運行具有很強的實操性及指導(dǎo)性，借此可大力推進(jìn)節(jié)能型建筑材料的使用，清潔或可再生能源的廣泛利用，從而節(jié)省能源和降低能耗，減少排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，推動生態(tài)城鎮(zhèn)建設(shè)和人居環(huán)境的極大改善，具有良好的綜合社會效益。
1推廣對象
嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗的推廣對象主要是房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)［3］，政府機構(gòu)和既有耗能較大建筑的業(yè)主，及有改善自有居住生活品質(zhì)的小型業(yè)主。我們的成套推廣技術(shù)經(jīng)過示范工程的建造及實踐運行，證實示范建筑真實可靠，后期推廣指日可待。
2推廣方案
建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)滿足國家“第四階段建筑節(jié)能75%目標(biāo)”要求為主，給出適合推廣的嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗小建筑成套方案，以建筑面積為500m2蓄熱水箱容量應(yīng)不低于2t的小型建筑為例，具體方案有以下幾種。
2．1建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種方案
建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種方案見表1。2．1．1方案。A———舒適度最高，造價相對較高1)外墻采用復(fù)合式外保溫系統(tǒng)，傳熱系數(shù)K＜0．2;屋面和地面采取保溫措施。2)外門窗選用被動門、被動窗，傳熱系數(shù)K＜1．0。對門洞、窗洞、電氣接線盒、管線貫穿處進(jìn)行氣密性處理，氣密層連續(xù)并包圍整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。被動門及被動窗的增量成本為153元/m2，外墻保溫和氣密性的增量成本為50元/m2。2．1．2方案。B———舒適度次之，造價相對合理1)外墻采用復(fù)合式外保溫系統(tǒng)，傳熱系數(shù)K＜0．2;屋面和地面采取保溫措施。2)外門窗選用高保溫性能的三玻窗，傳熱系數(shù)K＜1．5;外門為雙層保溫門。熱橋及氣密性處理同A方案。高保溫性能的三玻窗的增量成本為53元/m2，外墻保溫和氣密性的增量成本為50元/m2［4］。
2．2建筑能源供應(yīng)方案
建筑能源供應(yīng)方案見表2。由表2可知:1)方案A舒適度最高。地源或空氣能熱泵供暖/供冷+太陽能光熱蓄能+光伏自發(fā)電(離網(wǎng))的建筑能源系統(tǒng)。太陽能光熱用途:輔助供暖+生活熱水。如采用地源熱泵約為60萬元，空氣源熱泵約為50萬元。初投資最高，但運行費最低，約4a～5a可收回投資。2)方案B舒適度次之。電熱鍋爐熱水供暖+太陽能光熱蓄能+光伏自發(fā)電(離網(wǎng))的建筑能源系統(tǒng)。太陽能光熱用途同前。能源系統(tǒng)總造價(含光伏發(fā)電和蓄熱):約為30萬元。初投資次之，運行費較低，約5a～6a可收回投資。3)方案C舒適度同方案B。電熱鍋爐熱水供暖+太陽能光熱蓄能的建筑能源系統(tǒng)。太陽能光熱用途同前。初投資較少，運行費較高，約5a～6a可收回投資，能源系統(tǒng)總造價約為20萬元。4)方案D舒適度同方案B。電熱鍋爐熱水供暖+水箱蓄能的建筑能源系統(tǒng)。系統(tǒng)運行費最高，夏季無法制冷，電鍋爐同時提供生活熱水。蓄熱水箱容量應(yīng)不低于1t。能源系統(tǒng)總造價約為10萬元。初投資最少，運行費最高，約6a～7a可收回投資。
3應(yīng)用技術(shù)
推廣使用嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑節(jié)能技術(shù)。首先是推廣節(jié)能建筑材料，必須提高建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，才能有效地降低建筑物本身的耗能［5］。其次是推廣建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)。這方面主要包括采暖、空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備及系統(tǒng)。最后是推廣節(jié)能型建筑環(huán)境控制系統(tǒng)。這方面主要是指中央空調(diào)的智能化即通過計算機實現(xiàn)智能化控制的中央空調(diào)系統(tǒng)可以最大限度地實現(xiàn)節(jié)能。主要應(yīng)用的建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)如下:1)地源熱泵供暖供冷，是將高低品熱能轉(zhuǎn)換的裝置，主要通過將少量電能等高品質(zhì)能源輸入到地面淺層從而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。2)空氣能熱泵供冷供熱，同地源熱泵相同，也是能量高低位轉(zhuǎn)換的節(jié)能裝置，能量來源主要是空氣、水、土壤等，是一種清潔能源裝置。3)電熱鍋爐供水，采用血液循環(huán)原理，結(jié)合專用微電腦控制器CPU，通過溫度傳感器，構(gòu)成循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。按恒溫、節(jié)能的優(yōu)化運行原則，隨著水溫的變化，控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行溫度采集，邏輯運算和數(shù)字芯片控制調(diào)節(jié)，從而達(dá)到系統(tǒng)自動恒溫，實現(xiàn)采暖和提供生活熱水的目的。4)太陽能光熱蓄能，主要通過太陽能光電設(shè)備對太陽光的汲取，從而轉(zhuǎn)化成熱能以及電能，后經(jīng)儲備釋放給建筑中的各設(shè)備使用。5)光伏自發(fā)電(離網(wǎng))，離網(wǎng)光伏系統(tǒng)通常由太陽能組件、控制器、逆變器、蓄電池組和支架系統(tǒng)組成。它們產(chǎn)生直流電源可直接通過白天或儲存在蓄電池組中，用于在夜間或在多云或下雨的日子提供電力。項目主要采用新型節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系(外窗、外墻、屋頂、地面、防熱橋、氣密性等)成套技術(shù);采用可再生能源(包括太陽能、地?zé)崮?作為建筑供能集成技術(shù);采用毛細(xì)管末端輻射供暖供冷技術(shù);采用熱泵技術(shù)(土壤源熱泵和空氣源熱泵)。運用以上集成技術(shù)，從現(xiàn)狀出發(fā)，提出了嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的推廣策略，并提出適合嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的推廣方案，助力成果轉(zhuǎn)化。
4解決的問題
1)解決目前我國多數(shù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不夠節(jié)能，導(dǎo)致建筑能耗很高，且舒適性較差問題。2)解決我國東北嚴(yán)寒地區(qū)具有供暖時間長，熱負(fù)荷大的特點，采暖能耗占到建筑總能耗的60%～70%，目前以煤炭為主要能源，其環(huán)境污染嚴(yán)重，系統(tǒng)管理復(fù)雜，不易實現(xiàn)運行節(jié)能問題。3)解決嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)運行產(chǎn)生的地溫不平衡和空氣源熱泵結(jié)霜等關(guān)鍵技術(shù)問題，以切實推動可再生能源的因地制宜、合理利用。4)解決新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對更低能耗、更舒適、更健康、更高質(zhì)量的人居環(huán)境－超低能耗建筑，有著急切的渴望和大量的現(xiàn)實市場需求問題。
5技術(shù)工藝路線
通過總體策劃和組織部署，形成各方、各專業(yè)負(fù)責(zé)制。依據(jù)《導(dǎo)則》，根據(jù)超低能耗建筑示范建筑實際運行情況，并在此基礎(chǔ)上，對建筑材料、部品和設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化選擇，組織成員作出適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗小建筑組合方案。為嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的推廣提供實踐依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)支持，有力地促進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的推廣應(yīng)用，此方案依據(jù)實際工程案例，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，適合不同層次的客戶，貼近市場需求，可行性高。研究方法和技術(shù)路線如圖2所示。
6結(jié)語
現(xiàn)有的嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗示范建筑的實際運行情況非常良好，數(shù)據(jù)可靠。在綠色學(xué)校建設(shè)的大背景下，新能源的引入以及各校的示范性工程都被提上了日程，也亟待有成功經(jīng)驗的區(qū)域團(tuán)隊的經(jīng)驗分享，而且很多企業(yè)和高校都對實現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的推廣具有很強的實操性和指導(dǎo)意義。綠色校園的建設(shè)不僅能將綠色理念引入師生的實際學(xué)習(xí)生活，更加能夠培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能情懷，從而滲透到以后的學(xué)習(xí)生活以及家庭中去。嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑雖然初投資略高，但很節(jié)能、很舒適，其增量成本可在運行2a～3a后收回。根據(jù)客戶的可接受程度，可將示范建筑設(shè)計成“高中低”不同成本檔次的“菜單形式”，供采用者選用，從而大面積地推廣嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑及成套技術(shù)，為嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的發(fā)展做出有力且直接的貢獻(xiàn)。
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作者:徐慧敏 任楠楠 單位:吉林建筑科技學(xué)院 吉林水利電力職業(yè)學(xué)院