德國“產(chǎn)能型建筑”發(fā)展與技術(shù)研究

宋 竹

（重慶市建設(shè)技術(shù)發(fā)展中心 400015）

德國“產(chǎn)能型建筑”發(fā)展與技術(shù)研究

宋 竹

（重慶市建設(shè)技術(shù)發(fā)展中心 400015）

產(chǎn)能型建筑是指建筑所產(chǎn)生的能量超過其自身運(yùn)行所消費(fèi)能量的新型節(jié)能建筑，被德國政府列入“未來建筑”研究計(jì)劃，并資助了多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目，對其進(jìn)行研究。本文闡述了德國產(chǎn)能型建筑的發(fā)展情況，列舉了具有典型代表性的柏林產(chǎn)能型住宅案例，并對德國試點(diǎn)項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)進(jìn)行了分析，希望對中國產(chǎn)能建筑的發(fā)展有所啟示。

德國;產(chǎn)能型建筑;技術(shù)研究

一、產(chǎn)能型建筑概況

1、背景

近年來，世界各國不斷提高建筑能耗的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，歐盟2010年修訂的《建筑能效指令》（EPBD）要求歐盟國家在2020年前，所有新建建筑都必須達(dá)到近零能耗水平。德國要求 2021年起所有新建建筑達(dá)到近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，2050年所有存量建筑改造成近零能耗。采用被動房超低能耗建筑技術(shù)體系和提升可再生能源使用比例是德國實(shí)現(xiàn)上述宏偉目標(biāo)的主要技術(shù)路線。產(chǎn)能型建筑(Energy Plus House) 正是德國交通、建筑和核安全部(BMUB)對“未來建筑”的研究目標(biāo)之一。

2、定義

產(chǎn)能型建筑是指一年建筑所消耗的一次能源及終端能源均為負(fù)值（∑QE∠0kWh/m2a）。也就是建筑所產(chǎn)生的能量超過其自身運(yùn)行所需要能量，這是一種新的建筑類型。產(chǎn)能型建筑類似于零能耗建筑，但更有優(yōu)勢的是，相較于傳統(tǒng)能源（電能、天然氣等）能利用可再生能源產(chǎn)生更多的能量。例如通過建筑本身安裝的太陽能光伏發(fā)電和熱泵設(shè)備，產(chǎn)生建筑供暖、熱水、生活用電、照明等所需的能量。

3、發(fā)展現(xiàn)狀

最早的產(chǎn)能型建筑是2000年在弗萊堡太陽小區(qū)建成的產(chǎn)能型住宅小區(qū)，建筑均為2-3層，是第一次將當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的被動式建筑節(jié)能技術(shù)及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，光伏板產(chǎn)生的電量超過居民所需，多余的電量并入了國家電網(wǎng)，具大學(xué)研究人員統(tǒng)計(jì)，小區(qū)每年平均產(chǎn)生多余電量為36kWh/m2。

2007年，德國交通、建筑和核安全部(BMUB)提出“產(chǎn)能型建筑”——未來建筑研究計(jì)劃，意在研究不同功能產(chǎn)能建筑的技術(shù)、成果轉(zhuǎn)化以及居住和公共建筑的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)能型建筑和電動汽車相結(jié)合是本次計(jì)劃的一項(xiàng)特別研究。

在德國政府的支持下，達(dá)姆斯達(dá)特大學(xué)推出的產(chǎn)能建筑首次在世界展露手腳，并贏得 2007年美國華盛頓州舉行的“太陽能十項(xiàng)競賽”，這個(gè)建筑是一個(gè)功能齊全的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑。2011年，在柏林建起了另一棟示范建筑，這是一個(gè)產(chǎn)能型建筑結(jié)合電動汽車的項(xiàng)目，研究人員在這個(gè)項(xiàng)目中運(yùn)用了更多的建筑節(jié)能技術(shù)及智能技術(shù)。2012年3月，研究團(tuán)隊(duì)將一棟擁有40年歷史的既有建筑改造成為產(chǎn)能型建筑，而在當(dāng)?shù)?，僅在萊茵美因河地區(qū)就有類似的建筑1-1.2萬棟，因此這個(gè)項(xiàng)目采用的技術(shù)在當(dāng)?shù)赜邢喈?dāng)大的應(yīng)用潛力，這個(gè)建筑也將作為其他改造項(xiàng)目的樣板。

二、產(chǎn)能型建筑案例

由德國環(huán)保、建設(shè)及城市發(fā)展部（BMVBS）修建的第一個(gè)“產(chǎn)能型建筑和電動汽車”試點(diǎn)項(xiàng)目位于柏林夏洛特堡地區(qū)（見圖1），項(xiàng)目基地與柏林藝術(shù)大學(xué)相對，緊鄰柏林動物園。該項(xiàng)目于2011年建筑完工，研究人員試驗(yàn)了不同節(jié)能技術(shù)和設(shè)備在不同功能下的性能。完工后的頭3個(gè)月（2011年12月-2012年2月）該項(xiàng)目作為展示建筑開放參觀，為采集更真實(shí)的研究數(shù)據(jù)，2012年3月，一個(gè)4口之家開始了長達(dá)15個(gè)月的體驗(yàn)入住，2013年6月，建筑又被重新改建成為展示建筑向公眾開放。

圖1 德國政府資助的第一棟產(chǎn)能型建筑

1、建筑設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目建筑面積187m2，上下兩層。建筑體型設(shè)計(jì)緊湊，其目的一是為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量流失，二是縮短設(shè)備管線距離。一層功能為起居室和廚房，二層為臥室。為了方便建筑使用功能的調(diào)整以及可拆卸，整個(gè)建筑均為模塊化設(shè)計(jì)，建筑材料也采用了可回收的綠色建材，建筑基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土條形基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。建筑的所有設(shè)備均集中在“能源核心”，位于一層緊鄰街道的展示櫥窗內(nèi)，室外便是電動汽車停車及充電場所，公眾可以通過櫥窗內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)了解建筑能耗情況。

2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為裝配式輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，地面、屋面、外墻、內(nèi)隔墻均采用木結(jié)構(gòu)復(fù)合保溫板。建筑西立面和東立面的全玻璃幕墻采用了鋼柱支撐屋頂結(jié)構(gòu)。木結(jié)構(gòu)復(fù)合保溫板是由紙漿纖維做成的高效保溫材料填充，外墻傳熱系數(shù)僅 0.11，另外附加一層麻纖維板有著很好的隔音效果。大面積的玻璃幕墻為3層中空玻璃，由氬氣填充，傳熱系數(shù)為0.7。玻璃幕墻外安裝了鋁百葉活動外遮陽。

3、建筑技術(shù)方案

通過兩個(gè)源頭獲得建筑能源：一是通過屋面以及南向外墻安裝的太陽能光伏板發(fā)電；二是一臺空氣源和水源熱泵，確保冬天能從基地外界獲得必要的熱源。建筑內(nèi)的高效蓄電池可以將多余的電量儲存起來以備不時(shí)之需或者給電動汽車充電，富余的電量還可以并入公共電網(wǎng)來換取補(bǔ)貼。通過創(chuàng)新的技術(shù)和智能管理系統(tǒng)，鋰電池可以同時(shí)兼具電量存儲和輸出的功能。機(jī)械通風(fēng)器可以保持室內(nèi)較好的空氣質(zhì)量，每個(gè)房間的窗戶也可通過人工開窗進(jìn)行換氣。排出的空氣通過熱交換機(jī)將熱量進(jìn)行回收，加熱新風(fēng)，建筑的照明全部使用LED燈。建筑進(jìn)行了智能家居設(shè)計(jì)，居住者可以通過智能控制系統(tǒng)對燈光、外遮陽等進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過“能源核心”控制各種設(shè)備。

4、研究數(shù)據(jù)

根據(jù)公開監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)光伏板產(chǎn)電量為 16625kWh，實(shí)際產(chǎn)電量為13306，比預(yù)計(jì)低20%，原因是受天氣和地理因素影響。實(shí)際用電量為12400kWh，比預(yù)計(jì)高出 75%，用電量最大的設(shè)備是熱泵，預(yù)計(jì)使用 2217kWh，實(shí)際使用5865kWh,原因是入住家庭暖氣使用溫度比預(yù)計(jì)高，以及計(jì)劃外的開窗換氣以及家用電器的用電量也比平常估值高出很多。

三、產(chǎn)能型建筑技術(shù)分析

產(chǎn)能型建筑主要采取 3個(gè)基本技術(shù)措施，一是盡量提高建筑節(jié)能率，二是將建筑能耗降到最低，三是利用可再生能源作為消費(fèi)能源。

1、提高建筑節(jié)能率

德國要求產(chǎn)能型建筑節(jié)能措施必須遵守德國2009建筑節(jié)能法規(guī)。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑體型要緊湊，建筑四周不應(yīng)有建筑物和植物的遮擋，建筑朝向要合理，要合理控制窗墻面積比（南面可適當(dāng)加大開窗比例，北面盡量避免開窗），屋面和墻面要留有安裝太陽能光伏板的位置，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)要盡量將保溫隔熱性和氣密性做到最佳。

圖2 產(chǎn)能型建筑試點(diǎn)項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對比圖

2、最小化建筑能耗

產(chǎn)能型建筑是個(gè)綜合性系統(tǒng)工程，為了實(shí)現(xiàn)自給自足的目標(biāo)，在降低家用電器、照明以及供暖等能耗的同時(shí)，還要通過智能管理系統(tǒng)合理分配和控制儲能的使用量。因此產(chǎn)能型建筑要求所有家用電器應(yīng)達(dá)到最高能效等級，照明采用 LED燈或者節(jié)能燈，新風(fēng)系統(tǒng)通過熱交換器對室內(nèi)空氣熱量進(jìn)行回收，在儲能設(shè)備上安裝智能管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各種電器的電量使用及溫度控制。

3、利用可再生能源

充分利用可再生能源，例如采用太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，水源、空氣源、地源熱泵技術(shù)，太陽能熱水，自然采光，新風(fēng)熱回收系統(tǒng)等。通過智能管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，將日照較強(qiáng)的時(shí)候產(chǎn)生的電量儲存在中央儲存器里面，在夜間和光照較少的時(shí)候存儲器自動提供電能，富余的電量可以并入公共電網(wǎng)來換取補(bǔ)貼。

以下為一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目能耗數(shù)據(jù)對比分析：

表1 產(chǎn)能型建筑年耗電量及產(chǎn)電量對比表

注:本案例為一棟120m2的獨(dú)棟住宅，擁有60 m2太陽能光伏板，通過空氣源或者水源熱泵（包括新風(fēng)系統(tǒng)和太陽能加熱系統(tǒng)）提供暖氣。

4、存在的問題及建議

產(chǎn)能型建筑在運(yùn)行過程中受太陽光照因素影響較大，因此建筑所處的地區(qū)、朝向以及是否適合安裝太陽能光伏板都是對產(chǎn)能型建筑的約束因素。在德國，因富余電量并入公共電網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)格波動較大，造成有些使用者情愿將富余電量更多地留下來自己使用，或者在生活中對室內(nèi)溫度的不科學(xué)設(shè)置，造成不必要的能源浪費(fèi)。因此產(chǎn)能型建筑應(yīng)安裝智能控制系統(tǒng)，以及在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)制定能源使用規(guī)律計(jì)劃表并在運(yùn)行中通過能耗監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，才能將設(shè)計(jì)理論值更好地在實(shí)踐中推行。此外，為降低建筑的全周期耗能指數(shù)，新建產(chǎn)能型建筑也應(yīng)提倡采用自然、可循環(huán)使用的建筑材料。

四、結(jié)語

迄今，德國政府資助開發(fā)單位建設(shè)了35個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)長期對這些試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤并采集數(shù)據(jù)，項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)也實(shí)時(shí)在網(wǎng)上進(jìn)行共享，獨(dú)棟、聯(lián)排、多層住宅均為數(shù)據(jù)監(jiān)測的對象。目前德國正著力開展既有建筑改造以及學(xué)校建筑的產(chǎn)能型建筑標(biāo)準(zhǔn)的研究，以便更廣范地推廣實(shí)施產(chǎn)能建筑，使更多的建筑成為自給自足的小型能源站，以達(dá)到減少一級能源消耗，保護(hù)自然環(huán)境的目的。產(chǎn)能型建筑是未來建筑節(jié)能減排的重要途徑，必將在我國新型城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中扮演重要角色。

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1007-6344（2016）08-0108-02