超低能耗綠色建筑技術(shù)體系研究

超低能耗綠色建筑技術(shù)體系研究

1、單位采暖能耗超低能耗建筑的發(fā)展現(xiàn)狀全球建筑運營能量消耗占全球設(shè)備總能量的34.0%。相關(guān)統(tǒng)計表明,廣義的建筑能耗總量占社會總能耗的50%左右,同時排放的二氧化碳約占全社會總排放量的50%。建筑能耗的不斷增長引起了各國的高度重視,為此許多國家不僅制定了節(jié)能法,還專門制定了一系列建筑節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn),且不斷修訂。早在1979年,在加拿大和北歐國家,特別是瑞典,就提出了“低能耗建筑”(LowEnergyBuilding,簡稱LEB)的概念。在國際上對低能耗房屋比較公認(rèn)的理解是:低能耗房屋就是在現(xiàn)有的耗能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,將單位面積的年采暖能耗量減少一半。例如在瑞典,低能耗房屋就是每平方米年采暖耗能量不高于70kWh。目前國際有關(guān)文獻(xiàn)中,又常常使用更為準(zhǔn)確的定義,即:低能耗房屋就是單位使用面積單位采暖度日數(shù)的年采暖耗能量為0.02kWh/(m2·Kd)。盡管各地的氣候條件和采暖標(biāo)準(zhǔn)(室內(nèi)設(shè)計溫度)有所不同,如圖1所示,但這樣的定義則能夠比較統(tǒng)一地表達(dá)房屋的保溫性能。低能耗建筑通常特點包括:良好的保溫、節(jié)能窗、熱回收、可再生能源利用。歐洲建筑性能指南(EnergyPerformanceofBuildingsDirective,簡稱EPBD)在2008年對17個歐洲國家進(jìn)行的調(diào)查顯示,各國的LEB概念包括“低能耗建筑”、“高性能房屋”、“被動式房屋”、“節(jié)能住宅”、“三升油住宅”等。歐洲幾個主要國家有關(guān)本國低能耗建筑的發(fā)展目標(biāo)及政策,如表1所示。自上世紀(jì)80年代至今我國的建筑節(jié)能取得了巨大成就,居住建筑(北方采暖地區(qū))節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求(三步節(jié)能)已接近發(fā)達(dá)國家。公共建筑單位面積建筑能耗(二步節(jié)能)低于發(fā)達(dá)國家,特別是北美。然而我國建筑總量巨大,未來20年內(nèi)每年都將會增加20億平方米建筑;按目前的單位面積建筑能耗水平,分配給建筑領(lǐng)域的一次能源不足以支撐預(yù)期的建筑總量。由此,需進(jìn)一步降低單位建筑面積能耗,實現(xiàn)建筑能耗總量的增加速度明顯低于建筑總量的增加速度,為此需要超低能耗建筑。我國低能耗建筑已開展十余年,2008~2009年住建設(shè)部共評選了46項低能耗示范項目,居住建筑27項,公共建筑19項,面積分別約為542萬m2、101萬m2。其中北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)26個項目,約占項目總數(shù)的56%。目前,國內(nèi)外建造超低能耗建筑逐漸成為趨勢,認(rèn)識也逐漸清晰:(1)在有采暖需求的區(qū)域建設(shè)更容易實現(xiàn)超低能耗目標(biāo);(2)公共建筑實現(xiàn)超低能耗目標(biāo)非常不容易,如果在加上造價合理就更不容易;(3)實現(xiàn)建筑的超低能耗目標(biāo)需要:1)優(yōu)化的設(shè)計,基于能耗目標(biāo),同時考慮技術(shù)成本;2)高效率的用能設(shè)備,勿以善小而不為;3)良好的施工與測試和調(diào)試,實踐中調(diào)試做的非常不理想;4)到位的運行管理,責(zé)任心+專業(yè)+監(jiān)測和自動控制。(4)實現(xiàn)超低能耗建筑的基本技術(shù)路線:被動優(yōu)先+主動優(yōu)化+應(yīng)用可再生能源。建筑物在其建造、使用、拆除等全壽命期內(nèi)需要消耗大量資源和能源,同時往往還會造成對環(huán)境的負(fù)面影響。為此,在實現(xiàn)建筑超低能耗的同時,應(yīng)追求綠色建筑,在建筑全生命周期內(nèi),最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)境、減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間,與自然和諧共生的建筑。2、建筑節(jié)能設(shè)計建筑師在建筑設(shè)計過程中主動地合理利用各種保溫隔熱措施以及自然通風(fēng)、遮陽等設(shè)計手段以適應(yīng)地區(qū)氣候特點,節(jié)約能源、利用太陽能等可再生能源,是建筑節(jié)能的主要途徑。建筑能耗的控制體現(xiàn)在兩方面,一是降低能量需求,一是努力改變能源結(jié)構(gòu),提高可再生能源的貢獻(xiàn)率。2.1能源技術(shù)與能耗限目前的建筑設(shè)計,以合規(guī)設(shè)計為主,主要表現(xiàn)為滿足各種國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,但實際建成建筑的能耗往往偏離設(shè)計值。為此,需要轉(zhuǎn)變設(shè)計理念、調(diào)整設(shè)計邏輯、豐富設(shè)計工具,具體表現(xiàn)在:(1)合規(guī)設(shè)計(或稱為處方式設(shè)計)→有能耗限值的設(shè)計——基于能耗限值的性能化設(shè)計→設(shè)計階段對建筑的能耗進(jìn)行量化控制。合規(guī)設(shè)計,易于操作、易于評價,表現(xiàn)為相互關(guān)聯(lián)的整體分解為眾多“條目”(規(guī)范條文),但存在按節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),卻沒有充分節(jié)能;較多的設(shè)計以對標(biāo)為根本,雖然以節(jié)能技術(shù)為出發(fā)點和落腳點但不關(guān)注建筑的能耗表現(xiàn);節(jié)能技術(shù)孤立堆砌,而非適用節(jié)能技術(shù)的整合。(2)按專業(yè)劃分的孤立設(shè)計→圍繞建筑功能與能耗目標(biāo)的整合設(shè)計。(3)單項直達(dá)的設(shè)計邏輯→循環(huán)迭代的設(shè)計邏輯。(4)模擬分析工具——性能化設(shè)計的必要工具,貫穿設(shè)計的全過程,特別是方案與初步設(shè)計階段,不再是“花瓶”。2.2建筑過程設(shè)計性能化設(shè)計是基于能耗目標(biāo)與模擬分析的設(shè)計方法,主要包括以下內(nèi)容:首先,基于場地的氣候條件、環(huán)境資源與能源狀況,詳細(xì)界定建筑的功能需求,確定建筑系統(tǒng)的能量需求,通過建筑能耗動態(tài)模擬分析,優(yōu)化建筑設(shè)計,合理組合被動節(jié)能技術(shù),給出建筑供暖、空調(diào)、照明的負(fù)荷與計算周期內(nèi)的能量需求。其次,結(jié)合場地的氣候條件、能源資源狀況、經(jīng)濟(jì)水平等,根據(jù)各用能系統(tǒng)的能耗權(quán)重與節(jié)能技術(shù)成本,確定利用能源的類型與利用方式,篩選主動節(jié)能技術(shù),形成適宜的高效主動式能源系統(tǒng)。第三,基于用戶側(cè)節(jié)能,提出建筑各系統(tǒng)的運行管理技術(shù)與需求,確保各個技術(shù)措施都落在實處,確實降低建筑的能耗,將以上分析結(jié)果整合成完整的建筑過程設(shè)計,如圖2所示。性能化設(shè)計不規(guī)定具體的節(jié)能措施組合,強(qiáng)調(diào)建筑的最終能耗表現(xiàn),避免了技術(shù)采用的盲目性,提高了節(jié)能投資收益,實現(xiàn)能耗限值下的節(jié)能投資成本最低或固定節(jié)能投資成本下的節(jié)能最大化,具體表現(xiàn)為:(1)控制單項建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最低傳熱系數(shù)→建筑物整體能耗的控制;(2)千篇一律的節(jié)能技術(shù)組合→形成適和項目當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c建筑節(jié)能技術(shù)體系;(3)不論節(jié)能投資收益的技術(shù)展示→基于全生命期成本的適宜技術(shù)優(yōu)化集成。3、綠色建筑技術(shù)的低能耗3.1超低能耗綠色建筑技術(shù)體系世界和我國都在通過低能耗、超低能耗、零能耗示范建筑,探索實現(xiàn)建筑超低能耗、接近零能耗、乃至零能耗的技術(shù)途徑。已有的實踐表明,通過被動式節(jié)能設(shè)計降低建筑能耗需求,提高建筑設(shè)備的運行效率降低能耗水平,最大限度利用可再生能源滿足與平衡建筑能耗需求,建設(shè)超低能耗甚至零能耗建筑僅從技術(shù)角度是可能。但技術(shù)的可能不等于技術(shù)經(jīng)濟(jì)及綜合其他因素的可行,例如國內(nèi)部分示范項目雖然技術(shù)可行,但由于堆砌了過多的單項節(jié)能技術(shù)造價過于高昂,建筑能耗指標(biāo)也居高不下,影響了此類建筑的推廣。超低能耗綠色建筑技術(shù)體系,第一層面的節(jié)能是被動式節(jié)能技術(shù),其核心理念強(qiáng)調(diào)直接利用陽光、風(fēng)力、氣溫、濕度、地形、植物等場地自然條件,通過優(yōu)化規(guī)劃和建筑設(shè)計,實現(xiàn)建筑在非機(jī)械、不耗能或少耗能的運行模式下,全部或部分滿足建筑采暖、降溫及采光等要求,達(dá)到降低建筑使用能量需求進(jìn)而降低能耗,提高室內(nèi)環(huán)境性能的目的。被動式技術(shù)通常包括自然通風(fēng),自然采光,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱、遮陽、集熱、蓄熱等方式。第二層面是主動式技術(shù),是指通過采用消耗能源的機(jī)械系統(tǒng),提高室內(nèi)舒適度,通常包括以消耗能源為基礎(chǔ)的機(jī)械方式滿足建筑采暖、空調(diào)、通風(fēng)、生活熱水等要求,其核心是提高用能系統(tǒng)效率、減少能源消耗。其主要包括:熱泵,風(fēng)機(jī),除濕機(jī)等。第三層面是可再生能源利用技術(shù),如太陽能利用技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電、地源熱泵等,雖然其也是主動式技術(shù),但是針對其消耗的是可再生能源,為此對其進(jìn)行單獨分析,其核心是環(huán)保、可持續(xù);這些技術(shù)的實施,最終目的是確保建筑的超低化石能源能耗。超低能耗綠色建筑技術(shù)體系的邏輯關(guān)系,如圖3所示。3.2被動式建筑的節(jié)能方案“被動式”節(jié)能技術(shù)主要可以分為兩部分,一部分是根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和場地情況進(jìn)行建筑設(shè)計的合理布局,進(jìn)而降低建筑本體的能量需求;另一部分是采用符合所在地區(qū)地理氣候、人為的構(gòu)造手段,結(jié)合建筑師們的巧妙構(gòu)思,降低建筑自身用能。其主要目標(biāo)是以非機(jī)械或電氣設(shè)備干預(yù)手段實現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù),通過在建筑規(guī)劃及單體設(shè)計中對建筑朝向的合理布置、遮陽的設(shè)置、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)、有利于自然通風(fēng)的建筑開口設(shè)計等實現(xiàn)建筑需要的采暖、空調(diào)、通風(fēng)等能耗的降低。建筑造型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對建筑物性能有著決定性影響。直接的影響包括建筑物與外環(huán)境的換熱量、自然通風(fēng)狀況和自然采光水平等。而這三方面涉及的內(nèi)容將構(gòu)成70%以上的建筑采暖通風(fēng)空調(diào)能耗。不同的建筑設(shè)計形式會造成能耗的巨大差別,然而建筑作為復(fù)雜系統(tǒng),各方面因素相互影響,很難簡單地確定建筑設(shè)計的優(yōu)劣。這就需要利用動態(tài)計算機(jī)模擬技術(shù)對不同的方案進(jìn)行詳細(xì)的模擬預(yù)測和比較,確定初步建筑方案,如圖4所示。隨后基于單位面積能耗限值,進(jìn)行詳細(xì)的能耗分析,從而確定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能,建筑冷熱源系統(tǒng)的負(fù)荷及系統(tǒng)形式。(1)建筑合理布局,良好的被動式設(shè)計或具有能源意識的建筑,應(yīng)在建筑設(shè)計伊始,就結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?充分考慮地形、地貌和地物的特點,對其加以利用,創(chuàng)造出建筑與自然環(huán)境和諧一致,相互依存,富有當(dāng)?shù)靥厣木幼?、工作環(huán)境,充分考慮建筑的朝向、間距、體形、體量、綠化配置等因素對節(jié)能的影響,通過相應(yīng)的合理布局降低用能需求,同時也能為“主動式”節(jié)能措施提供良好的條件。(2)被動式太陽能采暖,一種吸收太陽輻射熱的自然加溫作用,它引起的升溫,會使熱量從被照射物體表面流向其它表面和室內(nèi)空氣,同時也是建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的蓄熱過程。而蓄熱在晝夜循環(huán)時又可用于調(diào)整太陽得熱的過?；虿蛔?并且它也成為設(shè)計時要考慮的關(guān)鍵一步。雖然任何的外部建筑構(gòu)件夠可以和玻璃結(jié)合起來為被動式太陽能采暖創(chuàng)造條件,但必須對居住情況、空間的使用情況以及室外條件慎重考慮。被動式太陽能采暖需要依靠下面一個或多個條件:窗戶、高側(cè)窗和天窗,這些構(gòu)件可以使居住空間見到陽光。(3)自然通風(fēng),建筑設(shè)計應(yīng)以當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)氣候特征為基礎(chǔ),通過合理的布局與形體設(shè)計創(chuàng)造良好的微氣候環(huán)境,組織自然通風(fēng)?，F(xiàn)代建筑對自然風(fēng)的利用不僅需要繼承傳統(tǒng)建筑中的開窗、開門及天井通風(fēng),更需要綜合分析室內(nèi)外實現(xiàn)自然通風(fēng)的條件,利用各種技術(shù)措施實現(xiàn)滿足室內(nèi)熱舒適性要求的自然通風(fēng)。不僅需要在建筑設(shè)計階段利用建筑布局、建筑通風(fēng)開口、太陽輻射、氣候條件等來組織和誘導(dǎo)自然通風(fēng)。而且需要在建筑構(gòu)件上,通過門窗、中庭、雙層幕墻、風(fēng)塔、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設(shè)計,來達(dá)到良好的自然通風(fēng)效果。(4)自然采光,可以顯著降低建筑照明能耗,但是利用自然采光常用及經(jīng)濟(jì)的措施是增大建筑的窗墻比,而窗墻比的增加,在夏季會引起太陽輻射得熱量增大,冬季會引起室內(nèi)熱量的散失,所以設(shè)計不當(dāng)可能造成雖然自然采光有效降低了照明能耗,但是大幅提高了空調(diào)能耗。現(xiàn)代自然采光技術(shù)可分為側(cè)窗采光系統(tǒng)、天窗采光系統(tǒng)、中庭采光系統(tǒng)和新型天然采光系統(tǒng)(如導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維、采光擱板、導(dǎo)光棱鏡窗),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,也出現(xiàn)了一些新型采光材料,如光致變色玻璃、電致變色玻璃、聚碳酸酯玻璃、光觸媒技術(shù)等。(5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù),建筑物的能耗主要由其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和冷風(fēng)滲透兩方面造成的,按照能量路徑優(yōu)化策略,建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施集中體現(xiàn)在對通過建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流控制上。建筑節(jié)能設(shè)計的第一層面是良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu),降低采暖和降溫的需求。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括建筑外墻、樓板和地面、屋頂、窗戶和門,要實現(xiàn)的功能主要有視野、采光、遮陽與隔熱、保溫、通風(fēng)、隔聲等六大方面,這些功能并非孤立存在,它們是彼此相互關(guān)聯(lián)、相互矛盾的,通常需要統(tǒng)籌考慮,目前,最常用的是借助計算機(jī)模擬分析,優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能。在我國公共建筑中,窗的能耗約為墻體的3倍、屋面的4倍,約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%~50%。(6)被動式節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力和設(shè)計要素指標(biāo),選擇適合當(dāng)?shù)貤l件的“被動式”節(jié)能技術(shù),可用4%~7%的建筑造價達(dá)到30%的節(jié)能指標(biāo),回收期一般為3~6年,在建筑的全壽命周期里,其經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。綜上所述,被動式技術(shù)需要建筑設(shè)計師與暖通空調(diào)師的緊密配合,通過各類模擬分析,如自然采光模擬、風(fēng)環(huán)境模擬,進(jìn)行建筑方案優(yōu)化,進(jìn)而選擇合理的建筑形態(tài)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)措施與參數(shù),降低建筑的能量需求。3.3建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)用于調(diào)節(jié)建筑物室內(nèi)物理環(huán)境舒適的耗能設(shè)備系統(tǒng)中,空調(diào)和照明系統(tǒng)在大多數(shù)民用非居住建筑能耗中所占比例較大,其中僅空調(diào)系統(tǒng)的能耗就占建筑總能耗的50%左右,是主要的節(jié)能控制對象;而照明系統(tǒng)能耗占30%以上,也不容忽視。建筑設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能措施主要應(yīng)用在以下三個方面:第一,建筑能源的梯級利用,根據(jù)建筑不同用能設(shè)備和系統(tǒng)等級的劃分,優(yōu)先滿足用能品位高的設(shè)備和系統(tǒng),利用這些設(shè)備和系統(tǒng)釋放的能量滿足用能品位低的下游設(shè)備和系統(tǒng),如能源回收技術(shù),典型應(yīng)用如燃?xì)饫錈犭娙?lián)供,冷凝式燃?xì)忮仩t。第二,選用高能效的系統(tǒng)及設(shè)備。當(dāng)必須使用空調(diào)設(shè)備才能滿足室內(nèi)熱舒適要求時,要采用高效節(jié)能的空調(diào)設(shè)備或系統(tǒng),如溫濕度獨立控制系統(tǒng),高效光源與高效燈具、高效電機(jī)、節(jié)能電梯、節(jié)能性配電變壓器等。第三,制定合理的建筑耗能設(shè)備的運行方式和控制管理模式,提高系統(tǒng)整體的運行效率。以某項目為例,其年供熱量8000GJ,依據(jù)能源邊界條件,熱源形式有四種選擇,相應(yīng)一次能源中的化石能源消耗與CO2排放,如表2所示。(1)熱泵技術(shù),通過熱泵技術(shù)提升低品位熱能的溫度,為建筑物提供熱量,是建筑能源供應(yīng)系統(tǒng)提高效率降低能耗的重要途徑,也是建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)發(fā)展的重點之一。熱泵技術(shù)的優(yōu)勢在于利用一些高品位的能源,如:電力、燃?xì)?、蒸汽?提取低品位能源中的熱量供應(yīng)建筑需求。在建筑供熱方面,由于技術(shù)所限,現(xiàn)在可知的可完全保證的基本供熱方是主要以燃料燃燒供熱為主。而在燃燒過程中不可避免的產(chǎn)生能量損失,因此采用燃燒方式的COP永遠(yuǎn)小于1。由此可知,熱泵的優(yōu)勢在于建筑供熱領(lǐng)域。熱泵技術(shù)的利用方式主要分別為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵,以及三類熱泵的耦合利用。(2)溫濕度獨立控制技術(shù),通過采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)控制系統(tǒng),分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度,從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨立的控制系統(tǒng),可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求,克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求,避免了室內(nèi)濕度過高(或過低)的現(xiàn)象。通過“低溫供熱、高溫供冷”,提高了制冷制熱能效、利于低品位能源利用。(3)建筑能耗監(jiān)測級管理系統(tǒng)節(jié)能技術(shù),設(shè)計應(yīng)按實現(xiàn)“部分空間、部分時間”的要求,進(jìn)行用能系統(tǒng)劃分、制定控制策略;優(yōu)化用能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù),提高系統(tǒng)能效比。這就需要對建筑設(shè)備系統(tǒng)的運行特性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和統(tǒng)計分析,開展建筑節(jié)能運行管理,將建筑主動式技術(shù)的能效特性發(fā)揮出來。3.4太陽能光伏發(fā)電可實現(xiàn)夏季建筑和地面采暖的一體化可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù),通常主要包括地源熱泵、太陽能光熱、光伏及風(fēng)力發(fā)電等,目前,以熱泵與太陽能光熱的利用節(jié)能減排效果好,性價比高,熱泵最應(yīng)受到重視。地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(電能),即可實現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬季,把土壤中的熱量“取”出來,提高溫度后供給室內(nèi)用于采暖;在夏季,把室內(nèi)的熱量“取”出來釋放到土壤中去,并且常年能保證地下溫度的均衡。建筑的太陽能光熱利用技術(shù)主要包括太陽能供熱技術(shù)、太陽能制冷技術(shù)、太陽能光熱發(fā)電等。推薦采用與建筑一體化的太陽能利用方式,如光伏建筑,其具有以下優(yōu)勢:(1)可舒緩夏季高峰電力需求,解決電網(wǎng)峰谷供需矛盾;(2)可實現(xiàn)原地發(fā)電、原地用電,在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資;(3)光伏組件可有效地利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面,如屋頂或墻面,無需額外用地或增建其他設(shè)施,節(jié)省城市土地;(4)避免了由于使用化石燃料發(fā)電所導(dǎo)致的空氣污染和廢渣污染,降低CO2等氣體的排放。BIPV是目前世界光伏發(fā)電的主要市場之一,聯(lián)合國能源機(jī)構(gòu)的調(diào)查報告顯示,BIPV將成為21世紀(jì)城市建筑節(jié)能的市場熱點和最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。近年來,以與建筑相結(jié)合為重點的并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用比例快速增長,已成為光伏技術(shù)的主流應(yīng)用、光伏發(fā)電的主導(dǎo)市場。建筑師要盡量通過建筑設(shè)計而不是單純依靠設(shè)備系統(tǒng)的“提供”和“補(bǔ)救”來保證良好的建筑微氣候環(huán)境。因此,超低能耗建筑的整體設(shè)計思路應(yīng)該是在建筑設(shè)計整體設(shè)計思路的基礎(chǔ)上,首先應(yīng)以被動優(yōu)先、主動優(yōu)化的原則降低建筑能耗需求,提高能源利用效率,然后通過現(xiàn)場產(chǎn)生的可再生能源替代傳統(tǒng)能源,以降低化石能源消耗。4、案例分析4.1主5建筑能源總量少中新天津生態(tài)城公屋展示中心,位于天津市中新天津生態(tài)城15號地公屋項目內(nèi),其區(qū)位如圖5所示,總用地8090m2,總建筑面積3467m2,其中地上兩層3013m2,地下一層454m2,結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu),建筑總高度15m。建筑功能一部分為公屋展示、銷售;另一部分為房管局辦公和檔案儲存。該建筑物呈菱形,體形系數(shù)0.22,總體窗墻比0.2。設(shè)計目標(biāo):項目場地范圍內(nèi)運行能耗接近零,即年周期內(nèi)建筑運行消耗的能源數(shù)值≤生產(chǎn)的能源數(shù)值,四項綠建認(rèn)證。設(shè)計方法:基于計算機(jī)模擬分析,不斷優(yōu)化建筑設(shè)計方案,降低建筑用能需求;基于能耗限值優(yōu)選用能系統(tǒng)形式,優(yōu)化用能系統(tǒng)參數(shù);根據(jù)項目資源條件與零能耗目標(biāo),比選可再生能源及其利用形式,如太陽能、淺層地能。主要技術(shù)措施:通過被動技術(shù)措施降低建筑的能量需求;通過主動技術(shù)措施提高建筑用能系統(tǒng)效率,降低建筑能耗;利用可再生能源降低建筑的化石能源消耗,地源熱泵;利用光伏發(fā)電實現(xiàn)年運行周期的“零能耗”。4.2動態(tài)設(shè)計(1)建筑環(huán)境分析中新天津生態(tài)城位于北緯39.1°,東經(jīng)117.1°,屬于典型大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷干燥,盛行西北風(fēng);夏季炎熱潮濕,盛行東南風(fēng);過渡季氣溫適宜,盛行西南風(fēng)。因此著重考慮冬季建筑保溫,首先提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能,同時將建筑的場地選址于較有利于采用太陽能的區(qū)域;其次建筑的主要出入口避開了冬季主導(dǎo)風(fēng)向,通過建筑自遮陽、積極的引導(dǎo)自然通風(fēng)等,利用室外新風(fēng)消除室內(nèi)余濕余熱,朝向東南、西南的建筑立面保證外窗的可開啟性等降低建筑夏季的制冷需求。1)太陽輻射分析,該地區(qū)陽光充足,年均日射量為4.073kWh/m2,年日照時數(shù)在2778小時,年平均日照率為63%,經(jīng)場地太陽輻射分析,確定建筑建設(shè)位置,如圖6所示。整個地塊內(nèi)太陽輻射呈東北向西南的梯度分布,東北區(qū)域高,西南區(qū)域低,為充分利用太陽能,增強(qiáng)自然采光、提高光伏發(fā)電量等,建筑位于東北區(qū)域,如圖5所示。2)場地風(fēng)環(huán)境分析,為避開冬季高風(fēng)速區(qū),同時夏季及過渡季建筑前后風(fēng)壓大于1.5Pa,確保建筑的自然通風(fēng),對場地風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬分析,如圖7所示。經(jīng)過優(yōu)化,確定建筑呈梭形,東西對稱,南北朝向,夏季及過渡季建筑的東北、西南側(cè)風(fēng)速為2.1m/s,可形成有效的自然通風(fēng)。冬季場地內(nèi)風(fēng)速僅1.3m/s,不會對建筑造成過大的冷風(fēng)侵入影響。3)建筑最佳朝向,根據(jù)冬季太陽輻射量最大與夏季太陽輻射量最小的原則,經(jīng)最佳朝向分析,確定本項目主力面的最佳朝向為北向162.5°。4)環(huán)境溫度分析,本地區(qū)年平均氣溫12.5℃,最高氣溫39.9℃,最低氣溫-18.3℃。建筑冬季需保溫,以降低熱負(fù)荷需求;夏季需遮陽,以降低冷負(fù)荷需求,為此在建筑設(shè)計方案創(chuàng)作中,充分考慮了遮陽,既設(shè)計了外遮陽,又設(shè)計了建筑自遮陽。此外對自然采光進(jìn)行了充分設(shè)計,兼顧考慮了被動房的設(shè)計。該地區(qū)常年氣溫在12.5℃,地表恒溫層約為14.5℃,利用了地源熱泵系統(tǒng)。5)微氣候環(huán)境分析,該項目采用適合天津地區(qū)的鄉(xiāng)土植物,優(yōu)化喬木、灌木和草坪的搭配,形成富有生機(jī)的復(fù)層綠化體系,場區(qū)的綠化率達(dá)到67%,改善局部氣候的效果比較明顯。此外,還結(jié)合光伏屋頂?shù)募芸諏雍筒焕诎惭b光伏的空間,設(shè)置了屋頂綠化。(2)空調(diào)冷卻器設(shè)計為增加迎夏季和過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向的開窗面積,經(jīng)核算外窗和幕墻可開啟面積比例達(dá)到66%以上,便于實現(xiàn)自然通風(fēng)。不同開窗率的室內(nèi)自然通風(fēng)模擬,如圖8所示。本項目采用了坑道風(fēng)(采風(fēng)口在建筑室外景觀區(qū))預(yù)冷/熱新風(fēng),結(jié)合屋頂自然通風(fēng)窗、通風(fēng)井及大廳地面送風(fēng)口,強(qiáng)化自然通風(fēng),縮短入口大廳空調(diào)制冷時間約20%,減少入口大廳空調(diào)制冷能耗約30%。自然通風(fēng)模擬的效果,如圖9所示。此外,在設(shè)計中合理利用建筑中庭、天窗等增強(qiáng)熱壓通風(fēng)效果,通過外窗直接通風(fēng);在過渡季節(jié)利用室外的采風(fēng)口、室內(nèi)地下層的自然通風(fēng)道及屋頂電動天窗將室外自然風(fēng)引入室內(nèi)共享大廳,增強(qiáng)自然通風(fēng),如圖10所示。(3)自然光照及光導(dǎo)光管設(shè)置設(shè)計采光不僅關(guān)系到建筑的照明能耗,同時關(guān)系到建筑內(nèi)人員的身體健康。經(jīng)過日照模擬和優(yōu)化,當(dāng)窗墻比在0.26時,既可滿足自然采光,又可以最大程度的降低能耗。通過優(yōu)化利用外窗的陽臺,結(jié)合屋頂淺色發(fā)光板,強(qiáng)化自然采光效果,如圖11所示。根據(jù)計算屋頂采用采光天窗、房間隔斷采用透明玻璃隔斷,可有效增強(qiáng)室內(nèi)采光,并最大限度的降低空調(diào)能耗,模擬分析,如圖12所示,黃色部分照度最高,表明大廳的自然采光效果非常好,通過強(qiáng)化自然采光及引入導(dǎo)光管,建筑整體的采光效果得到明顯的改善。實景照片,如圖13所示。為了改善地下室及部分大進(jìn)深房間的自然采光效果,該項目在地下空間設(shè)置了3個光導(dǎo)筒,為樓梯間、爬梯出口及電池間提供自然采光。地下空間的平均采光系數(shù)由0提升到了0.23%;屋頂設(shè)置了20個光導(dǎo)筒,為檔案庫、辦公室、會議室、衛(wèi)生間及無自然采光條件的房間提供自然采光,側(cè)墻設(shè)置12個光導(dǎo)筒,為辦公室、弱電機(jī)房提供自然采光。如圖14所示。一層的整體平均采光系數(shù)提升了0.99%,二層的整體平均采光系數(shù)提升了1.21%。根據(jù)耗能分析在20%窗墻比的條件下,外墻及屋頂設(shè)計K值控制在0.10W/m2·K~0.15W/m2·K較為合理。外墻及屋頂設(shè)計K值為0.15W/m2·K左右時,對節(jié)能效果基本沒有影響,但是改善了采光,節(jié)約了造價?；诰C合考慮,該項目建筑外墻采用300mm厚04級蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土砌塊外貼150mm巖棉保溫,平均傳熱系數(shù)可達(dá)到0.16W/m2·K。根據(jù)目前市場可以找到的窗及幕墻節(jié)能技術(shù),并充分考慮造價的因素,建筑的窗及幕墻K值選用1.20W(m2·K)。玻璃選用三銀low-e6+12Ar+6+12Ar+6,窗框內(nèi)做加寬隔熱條。4.3發(fā)電能耗模擬本項目利用干燥新風(fēng)通過變風(fēng)量方式調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度,用高溫冷水通過獨立的末端調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的方案。空調(diào)冷、熱源形式為:高溫地源熱泵耦合太陽能光熱系統(tǒng)+溶液調(diào)濕系統(tǒng)+VRF。高溫冷水地源熱泵機(jī)組夏季為建筑提供16℃/21℃的冷水作為建筑冷源,冬季為建筑提供42℃/37℃熱水作為建筑熱源;供冷及供熱初/末期系統(tǒng)可實現(xiàn)跨機(jī)組供冷/熱,即:關(guān)閉制冷/熱主機(jī),用戶側(cè)水直接進(jìn)入土壤換熱器;供熱季,太陽能光熱系統(tǒng)通過間接換熱方式提升系統(tǒng)地源側(cè)進(jìn)入機(jī)組的水溫,提高機(jī)組COP;供冷季,可以實現(xiàn)利用系統(tǒng)排熱加熱生活熱水系統(tǒng);溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組夏季消除系統(tǒng)濕負(fù)荷,冬季作為新風(fēng)機(jī)組為建筑提供新風(fēng);對于部分需24小時供冷、熱的電氣房間及室內(nèi)要求無“水隱患”的檔案庫采用VRF機(jī)組全年為其供冷/熱。采用干式直流無刷電機(jī)風(fēng)機(jī)盤管,風(fēng)機(jī)效率提高19.5%,年節(jié)約風(fēng)盤電耗1098kW。采用地板輻射采暖及低溫散熱器系統(tǒng),根據(jù)建筑實際情況,選擇合理供暖方式,提高舒適度和采暖系統(tǒng)利用效率10%,年減少供暖電耗2147kWh(0.72kWh/m2·a)。通過采用被動式技術(shù),降低建筑能量需求;通過主動式技術(shù)優(yōu)化組合,提高系統(tǒng)能效,降低建筑能源需求,本項目的建筑能耗模擬結(jié)果,如圖15所示。經(jīng)模擬分析,建筑全年能耗61.2~62.2kWh/m2·a,與基準(zhǔn)建筑比較計算節(jié)能率29.7%(國際)和54.2%(國家)。4.4光伏板支架設(shè)計為了在不影響建筑立面效果的同時最