風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)在低能耗建筑中的應(yīng)用淺析

伍銀波，劉德林

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院；2.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司)

1 引言

建筑是能耗大戶，僅運行能耗就已接近社會總能耗的1/3。自20世紀(jì)70年代初期石油危機以后,建筑節(jié)能已成為世界性的大趨勢。歐美等發(fā)達國家國家總能耗的1/3都是被建筑能耗占有的,在能源危機背景下,建筑節(jié)能之風(fēng)掀起了高潮。隨著建筑節(jié)能研究的深入，“零能耗”建筑[1]逐漸引起了世界各國的關(guān)注，類似的還有“近零能耗建筑”、“無源建筑”等概念。從零能耗建筑概念提出至今已近40年，然而其涵義并未統(tǒng)一，各個國家的提法也略有不同。但其總體目標(biāo)都是盡可能降低建筑的運行能耗，達到節(jié)約能源的目標(biāo)，國內(nèi)對該類建筑多統(tǒng)稱為低能耗建筑。

為了達到低能耗、甚至零能耗的目標(biāo)，建筑在設(shè)計和運行過程中都需要采用一系列的技術(shù)措施。這些技術(shù)大體可以分為圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計和新能源多能互補利用技術(shù)兩大類，新能源利用技術(shù)在未來幾十年都將是建筑節(jié)能的研究熱點。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

2016年7月 27日，由中國建筑科學(xué)研究院會同河北省建筑科學(xué)研究院主編的國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》編制組成立暨第一次工作會議在中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院召開[2]。標(biāo)志國內(nèi)對低能耗建筑技術(shù)的重視程度已提升至國家層面，有了國家標(biāo)準(zhǔn)后，技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計就有了參考準(zhǔn)則。

2016年7月4日，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》發(fā)改能源[2016]1430號[3]。該意見提倡大力建設(shè)集成供能系統(tǒng)、多能互補系統(tǒng)，鼓勵天然氣熱電冷三聯(lián)供、分布式可再生能源和能源智能微網(wǎng)等方式實現(xiàn)多能互補和協(xié)同供應(yīng)。

低能耗建筑所用的節(jié)能技術(shù)本質(zhì)上正是一種利用了太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬瓤稍偕茉醇夹g(shù)構(gòu)成的分布式智能微網(wǎng)，對其開展研究復(fù)合國家政策建議。李慧星等[4]通過Dest軟件數(shù)值模擬了嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑與常規(guī)建筑空調(diào)能耗，結(jié)果表明近零能耗建筑冬季供暖負(fù)荷比常規(guī)建筑節(jié)能73. 7%，全年綜合節(jié)能率達到55. 2%，僅空調(diào)系統(tǒng)一項就有巨大的節(jié)能潛力；李懷等[5]通過現(xiàn)場實測探討了近零能耗建筑地源熱泵系統(tǒng)運行特性，結(jié)果表明在嚴(yán)寒地區(qū) 近零能耗建筑中，夏季運行工況的過程，地源熱泵系統(tǒng)可以提供53%的冷負(fù)荷，而冬季運行工況中，地源熱泵可以提供97%的熱負(fù)荷，幾乎滿足了近零能耗建筑中全部供暖需求；張時聰?shù)萚6]分析了國際典型近零能耗建筑示范工程技術(shù)路線，最終得出近零能耗建筑中廣泛應(yīng)用的技術(shù)主要包括高性能保溫結(jié)構(gòu)、光伏系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)及熱泵可再生能源應(yīng)用系統(tǒng)等。

2.2 國外研究現(xiàn)狀分析

國外近零能耗建筑技術(shù)起步早且發(fā)展較為迅速，其中德國的“被動房”相關(guān)研究更為活躍[7]。國外研究得出的主要結(jié)論有：

1）Trombe 墻是一種使用太陽能有效的手段，能夠為 Belgrade 地區(qū)的被動房設(shè)計提供有利的手段[8]。

2）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可再生能源系統(tǒng)及建筑儲能系統(tǒng)直接制約著近零能耗建筑運行的性能指標(biāo)[9,10]。

3）三層 Low-E玻璃所占外墻比例最高為 25%，同時外墻的傳熱系數(shù)不超過 0. 16 W/ ( m2·K) 才能滿足 Estonian地區(qū)的超低能耗需求[11]。

4）高性能保溫結(jié)構(gòu)熱泵技術(shù)和太陽能熱水系統(tǒng)在被動式住房中應(yīng)用較多，其次是自然采光遮陽系統(tǒng)以及被動通風(fēng)等被動式技術(shù)[12]。

5）近零能耗建筑的設(shè)計中，太陽能技術(shù)、機械通風(fēng)熱回收技術(shù)、建筑遮陽技術(shù)以及免費供冷等技術(shù)使用比例相對較高[13]。

3 建筑節(jié)能與風(fēng)能、光能的利用

3.1 建行組節(jié)能技術(shù)分類

建筑節(jié)能管理涵蓋建筑設(shè)計、運行和維護等整個生命周期，而節(jié)能的技術(shù)和途徑主要包括維護結(jié)構(gòu)節(jié)能、設(shè)備節(jié)能和新能源利用三個方面。

其中維護結(jié)構(gòu)節(jié)能主要是涉及外墻、屋面、門窗等，和材料關(guān)系密切。典型代表有外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、外墻自保溫、外墻夾芯保溫、屋面保溫隔熱、門窗保溫隔熱等技術(shù)。

設(shè)備節(jié)能技術(shù)主要是對建筑內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)、照明、電梯、供水等用電系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，提高能源利用率、避免不必要的浪費，從而達到節(jié)能的目的。

可再生能源利用節(jié)能則是利用太陽能、風(fēng)能、沼氣、熱泵應(yīng)用、夜間天空冷資源等能源形式，補充或者降低建筑自身能源消耗。綜合各種節(jié)能技術(shù)，是完全可以達到建筑能源消耗自給自足的情況，即實現(xiàn)零能耗建筑。

3.2 風(fēng)光能利用技術(shù)

從目前國內(nèi)一些低能耗建筑工程案例來看，能源利用技術(shù)出現(xiàn)頻率最高就是太陽能和風(fēng)能。而離網(wǎng)型小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)具有靈活性高，施工調(diào)試周期短，非常適合作為建筑的補充能源。

小型風(fēng)光系統(tǒng)還能夠結(jié)合地區(qū)氣候特點進行靈活配置，對既有大型公共建筑的節(jié)能改造也具有重要意義。對于耗能高的公共建筑，其投資回報周期短，能顯著節(jié)約能源。

4 零能耗建筑發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)明確提出的是近零能耗建筑，不過零能耗建筑的呼聲已經(jīng)越來越高。一般認(rèn)為零能源建筑(zero energy consumption buildings)，是不消耗常規(guī)能源建筑，完全依靠太陽能或者其它可再生能源。

國內(nèi)出現(xiàn)了很多示范工程，這些功能在設(shè)計階段就充分考慮當(dāng)?shù)貧夂?、運行條件等諸多因素，盡可能降低運行能耗，同時利用可再生能源進行補充。例如中國建筑科學(xué)研究院設(shè)計示范樓能源消耗約為約23.5kW·h/(m2·a)，該樓曾在2016年世界綠色建筑最佳案例評審中獲得第三名，代表國內(nèi)目前最高水平，電能補充主要靠自發(fā)自用的太陽能光伏系統(tǒng)。

2017年7月24日，《中國超低/近零能耗建筑最佳實踐案例集》發(fā)布會在中國建筑科學(xué)研究院召開，該案例收集包含住宅建筑和常見的公共建筑類型，地域涵蓋我國大部分氣候分區(qū)。為新建低能耗建筑提供了重要參考，可以預(yù)見國內(nèi)將涌現(xiàn)大批高大上的近零能耗建筑。近零能耗的發(fā)展還需要加大標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)及技術(shù)支撐，尤其是要加強發(fā)展風(fēng)電技術(shù)和太陽能利用技術(shù)。

5 結(jié)束語

零能耗建筑和智慧建筑的重要內(nèi)涵，是建筑主要發(fā)展趨勢之一，國外已經(jīng)走在前列。我國目前也已經(jīng)非常重視，已出臺相關(guān)政策和規(guī)范。建筑工程設(shè)計也會循序漸進地逐步從低能耗、超低能耗、近零能耗過度，最終實現(xiàn)零能耗的目標(biāo)。

[1] Torben V．Dimensioning of the solar heating system in the zero energy house in Denmark[J]．Solar Energy,1977(19):195～199.

[2]孫峙峰.國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)》啟動會召開[J]. 暖通空調(diào) ,2016(9):115～115.

[3]國家發(fā)展改革委,國家能源局. 關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見[EB]. [2016-07-04]http://www.sdpc.gov.cn/ gzdt/201607/t20160706_810658.html.

[4] 李慧星,張然,馮國會等．嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑與常規(guī)建筑空調(diào)能耗模擬對比分析[J].建筑節(jié)能,2015,43( 6):10～12.

[5]李懷,徐偉,吳劍林,等．基于實測數(shù)據(jù)的地源熱泵系統(tǒng)在某近零能耗建筑中運行效果分析[J].建筑科學(xué),2015,31( 06): 124-130.

[6]張時聰,徐偉,姜益強,等.國際典型零能耗建筑示范工程技術(shù)路線研究[J]．暖通空調(diào), 2014,44( 1) : 52-59.

[7]徐偉,陳曦,張時聰?shù)? 關(guān)于我國“近零能耗建筑”發(fā)展的思考[J].建筑科學(xué) ,2016, 32(4):1～5.

[8] Bajc T，Todorovic ' M N，Svorcan J． CFD analyses for passive house with Trombe wall and impact to energy demand［J］．Energy and Buildings，2015(98): 39-44.

[9] Sun Y. Sensitivity analysis of macroparameters in the system design of net zero energy building［J］.Energy and Buildings,2015(86): 464-477.

[10] Tommerup H,Rose J,Svendsen S.Energy-efficient houses builtaccording to the energy performance requirements introduced in Denmark in 2006［J］. Energy and Buildin gs,2007,39(10):1123-1130.

[11] Thalfeldt M,Pikas E,Kurnitski J,et al.Facade design principles for nearly zero energy buildings in a cold climate［J］.Energy and Buildings,2013,67: 309-321.[12] Musall E. Net zero Energy Solar Buildings: An Overview and Analysis on Worldwide Building Projects［EB /OL］.［2013-7-17］.http: / /www.nob.info / fileadmin /media /Projektbilder /EnOB /Thema_Nullenergie/EuroSun_Conference_Graz_2010_NetZero_Energy_Solar_Buildingsx.pdf.

[13] Marszal A J,Heiselberg P,Bourrelle J S,et al. Zero Energy Building － A review of definitions and calculation methodologies[J]. Energy and Buildings,2011,43( 4) : 971-979.