可再生能源技術(shù)在我國綠色建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

■ 葉凌 程志軍 王清勤 何濤 王選

（1.中國建筑科學(xué)研究院；2.中國城市科學(xué)研究會綠色建筑研究中心）

一 引言

《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378-2006)對于綠色建筑(green building)的定義是：在建筑的全壽命周期內(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)境和減少污染，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。“四節(jié)一環(huán)?！笔瞧淅碚摵诵模靖采w了建筑涉及的各專業(yè)學(xué)科和領(lǐng)域，以避免綠色建筑性能出現(xiàn)短板效應(yīng)。

利用可再生能源是綠色建筑實現(xiàn)節(jié)能的重要手段之一，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中也通過設(shè)置相應(yīng)條文(第4.2.9條、第4.2.11條和第5.2.18條)，鼓勵根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件充分利用可再生能源。其中，地源熱泵、太陽能熱水系統(tǒng)和光伏發(fā)電三項技術(shù)得到了較多應(yīng)用。以這三項技術(shù)在我國綠色建筑評價標(biāo)識項目中的應(yīng)用為重點，本文進(jìn)行了調(diào)查分析研究。

二 調(diào)查樣本

調(diào)查以中國城市科學(xué)研究會組織評價的57個綠色建筑評價標(biāo)識項目(截至2010年底)為樣本。其中，有住宅建筑項目32個，公共建筑項目25個；一星級項目11個，二星級項目25個，三星級項目21個。具體細(xì)分可見圖1。

三 住宅建筑項目

應(yīng)用可再生能源的項目有18個，占住宅建筑項目總數(shù)的56%。其中，地源熱泵和太陽能熱水技術(shù)的應(yīng)用率分別為16%和50%，即3個項目同時應(yīng)用了這兩項技術(shù)。

1 地源熱泵

5個采用地源熱泵系統(tǒng)的住宅項目，2個為二星級，3個為三星級。除1個項目是商住兩用高層(建筑高度近100m)以外，其余均以中高層為主。

圖2給出了各項目的總建筑面積、總戶數(shù)和空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)冷/熱量(夏熱冬冷地區(qū)的藍(lán)色點為裝機(jī)冷量，寒冷地區(qū)的紅色點為裝機(jī)熱量)。其中，左下角點即為商住項目，裝機(jī)冷量還包含了其公建部分。由此可得，夏熱冬冷地區(qū)住宅項目單位建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)均在30～35W/m2，寒冷地區(qū)住宅項目單位建筑面積熱負(fù)荷指標(biāo)約為63W/m2。

系統(tǒng)形式上，5個項目全為地埋管土壤源熱泵，1個位于華北寒冷地區(qū)，屬土壤源熱泵適宜應(yīng)用區(qū)；4個位于長江流域夏熱冬冷地區(qū)，屬較適宜區(qū)，均采用冷卻塔輔助散熱。末端方面，寒冷地區(qū)項目和1個夏熱冬冷地區(qū)項目采用常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管，其余3個項目均采用毛細(xì)管天棚輻射方式，可通過提高空調(diào)冷水溫度/降低空調(diào)熱水溫度進(jìn)一步改善熱泵機(jī)組工作性能。

2 太陽能熱水系統(tǒng)

16個采用太陽能熱水系統(tǒng)的住宅項目見表1。其中，華北地區(qū)和西北地區(qū)的3個項目位于太陽能資源較豐富帶(Ⅱ類)；長江中下游流域的13個項目位于太陽能資源一般帶(Ⅲ類)；位于西南地區(qū)(即太陽能資源貧乏的Ⅳ類資源帶)的2個項目均未采用太陽能利用技術(shù)。總體而言，太陽能熱水系統(tǒng)的因地制宜性應(yīng)用基本合理，而且還可見于部分一星級項目(包括保障性住房)，值得肯定。

考慮到建筑遮擋、系統(tǒng)管路等原因，不少項目的太陽能熱水系統(tǒng)并未服務(wù)于所有用戶(尤其是建筑底層的用戶)。系統(tǒng)形式上，大多數(shù)項目為集熱器集中布置于屋面，輔助加熱(電熱或燃?xì)?則有集中也有分戶；也有少數(shù)項目為陽臺壁掛的分戶式系統(tǒng)。集熱器類型方面，以真空管型居多，平板型較少。如圖1所示，總集熱面積和熱水用戶數(shù)有一定的線性相關(guān)性，平均每戶對應(yīng)約2.09m2集熱面積。

表1 各太陽能資源帶的住宅項目數(shù)量

3 太陽能光伏發(fā)電

雖然調(diào)查樣本中未出現(xiàn)應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)的案例，但筆者了解到也有個案存在。在住宅屋面設(shè)置的光伏板，所發(fā)電量可供小區(qū)室外照明。

四 公共建筑項目

應(yīng)用可再生能源的項目有19個，占公共建筑項目總數(shù)的76%。其中，地源熱泵、太陽能熱水系統(tǒng)和光伏技術(shù)的應(yīng)用率分別為48%、44%和32%。也有多個項目同時應(yīng)用了多項技術(shù)，詳見圖4。

1 地源熱泵

11個采用地源熱泵系統(tǒng)的公建項目，4個為二星級，7個為三星級。具體包括：

(1)采用地下水源熱泵的1項，為三星級的科技展館，位于地下水源熱泵的適宜應(yīng)用區(qū)。該項目同時結(jié)合了冰蓄冷，末端選用輻射毛細(xì)管、冷吊頂單元、吊頂式誘導(dǎo)器、干式風(fēng)機(jī)盤管等(卻并未選用與冰蓄冷相配合的低溫送風(fēng)系統(tǒng))。

(2)采用海水源熱泵區(qū)域供熱供冷(District Heating & Cooling, DHC)的1項，為三星級的酒店式公寓+商場，位于海水源熱泵的較適宜應(yīng)用區(qū)。

(3)其余9個項目均采用土壤源熱泵，以辦公建筑居多，個別項目為科技展館或會所。其中，3個位于華北寒冷地區(qū)，屬于適宜應(yīng)用區(qū)；5個位于夏熱冬冷地區(qū)，屬較適宜區(qū)；還有1個三星級辦公建筑位于華南夏熱冬暖地區(qū)，屬不適宜區(qū)。

圖5給出了這11個項目的裝機(jī)冷量?？梢?，裝機(jī)冷量與建筑面積也存在一定線性相關(guān)性，單位建筑面積冷指標(biāo)約為55W/m2。相關(guān)度不高的原因包括，部分項目采用了熱回收型溶液調(diào)濕機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，降低了地源熱泵系統(tǒng)裝機(jī)冷量；一些項目僅為部分區(qū)域采用集中空調(diào)；還有一個項目是商住兩用(即3.1節(jié)中的同一項目)，住宅冷負(fù)荷指標(biāo)降標(biāo)較低。

2 太陽能熱水系統(tǒng)

11個采用太陽能熱水系統(tǒng)以及8個采用光伏系統(tǒng)的公建項目一并匯總于表2。其中，4個項目位于華北地區(qū)，屬太陽能資源較豐富帶(Ⅱ類)，占該區(qū)項目總數(shù)的80%；9個項目位于長江中下游地區(qū)，2個項目位于華南地區(qū)，均屬太陽能資源一般帶(Ⅲ類)?？梢?，太陽能資源的因地制宜性利用也基本合理。而且，隨著當(dāng)?shù)靥柲苜Y源量的增加和項目星級的增加，綠色建筑項目中太陽能光熱或光電應(yīng)用的比率也在增加。

表2 各太陽能資源帶的公建項目數(shù)量

然而，由于多數(shù)類型的公共建筑生活熱水需求量有限，各項目的太陽能集熱面積多在幾十平方米；而酒店類項目雖然對生活熱水有大量需求，卻由于建筑高度、屋面功能等原因，給太陽能集熱器的布置帶來了很大難度。

3 光伏發(fā)電

8個公建項目所采用的光伏系統(tǒng)，或全部或部分地為屋面支架安裝的單晶硅組件，也有個別項目采用多晶硅光伏幕墻、遮陽棚式多晶硅組件等。系統(tǒng)方面，多為建筑內(nèi)的低壓側(cè)并網(wǎng)運(yùn)行，用于地下車庫等場所的照明(還可通過LED照明進(jìn)一步節(jié)省用電量)。圖6給出了8個公建項目的光伏發(fā)電功率，所采用光伏組件的單位面積發(fā)電功率均在100～200Wp/m2。

五 分析與討論

結(jié)合可再生能源技術(shù)應(yīng)用和綠色建筑評價兩方面工作，提出以下幾方面問題進(jìn)行分析與討論。

1 因地制宜

通過前文對采用地源熱泵項目的地區(qū)適宜性分析，以及采用光熱/光電技術(shù)項目的太陽能資源帶分析，可發(fā)現(xiàn)可再生能源地區(qū)分布與綠色建筑(乃至所有建筑)區(qū)域發(fā)展之間存在一定不對稱性。因此，應(yīng)首先通過建筑及其設(shè)備系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和用能設(shè)備的高效運(yùn)行降低用能需求，其次再考慮利用可再生能源來降低常規(guī)能源消耗，即基于“節(jié)流”的“開源”。

建筑如確定采用可再生能源，則應(yīng)從建筑的規(guī)劃選址階段便將其納入考慮。首先通過調(diào)查評估當(dāng)?shù)乜衫玫目稍偕茉?地下水、地?zé)崮?、太陽能?，合理確定其利用方式；其次，充分利用場地環(huán)境、建筑布局、細(xì)部構(gòu)造等方面的特點，精心設(shè)計可再生能源利用系統(tǒng)，務(wù)必確保其利用效率。這也是“因地制宜”原則在微觀層次上的含義。

2 有機(jī)集成

所調(diào)查的25個公建項目中，有4項同時應(yīng)用了地源熱泵、太陽能熱水系統(tǒng)和光伏三項技術(shù)，個別項目難免有“技術(shù)堆砌”和“產(chǎn)品冷拼”之嫌。不僅未能達(dá)到預(yù)期目的，甚至可能出現(xiàn)“1+1＜2”的效果，而且由技術(shù)盲目應(yīng)用所帶來的大幅增量成本，很難在較短運(yùn)行期或產(chǎn)品壽命期內(nèi)得到回收。

因此，在前述的項目策劃和建筑規(guī)劃階段即及早介入的基礎(chǔ)上，還應(yīng)重點考慮各項可再生能源應(yīng)用技術(shù)之間、可再生能源利用系統(tǒng)與建筑整體和其他系統(tǒng)之間的有機(jī)集成性，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會等各方面衡量技術(shù)方案的綜合效益。例如，對于前述既采用地源熱泵空調(diào)供冷又采用太陽能供熱水的項目，也可考慮熱泵熱回收方案，實現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)常用；對于建筑中的光伏系統(tǒng)，也不宜過多采用眼下相對普遍和簡單的附著形式(BAPV)，應(yīng)盡量考慮光伏建筑一體化(BIPV)。

3 適量合理

在現(xiàn)行的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中，住宅項目如欲滿足可再生能源項(第4.2.9條和第4.2.11條)要求，則可再生能源使用量須占到建筑總能耗的5%或10%。條文執(zhí)行中，則主要是參照條文說明，以采用太陽能熱水器或地源熱泵系統(tǒng)的用戶數(shù)量比來判定。這也可能是所調(diào)查項目中的一些太陽能熱水系統(tǒng)并未服務(wù)于小區(qū)或建筑內(nèi)所有用戶的原因之一。因此，有必要研究可再生能源使用量及其相對比例的合理計算方法和指標(biāo)限值。

而對于公建項目，如欲滿足第5.2.18條要求，則必須做到可再生能源產(chǎn)生的熱水量不低于建筑生活熱水消耗量的10%，或可再生能源發(fā)電量不低于建筑用電量的2%。對于前者，普通的辦公或商場建筑相比設(shè)有游泳池的會所和酒店更容易達(dá)到，不同類型建筑之間存在較大的難易差異；也有戲言，辦公建筑只需設(shè)一淋浴龍頭，并在屋面加設(shè)一家用太陽能熱水器即可達(dá)標(biāo)。對于后者，也應(yīng)注意并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏發(fā)電量過大對建筑低壓電網(wǎng)的諧波污染。按能源形式分別計算比例，雖不失為計算可再生能源利用量的一種方法，但卻無法用于多種能源形式共存的系統(tǒng)，所規(guī)定的比例值也仍存在一定的不合理性。

六 結(jié)語

在國家的大力支持和從業(yè)人員數(shù)十年的共同努力下，我國可再生能源利用技術(shù)正日趨成熟。目前，可再生能源的建筑應(yīng)用正朝著集成化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展。與此同時，我國的綠色建筑推廣工作近些年也已取得了可喜的初步成果，對于包括可再生能源利用在內(nèi)的各項相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也漸趨成熟合理。期望通過本文對于綠色建筑項目中可再生能源技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查和分析，進(jìn)一步推動我國可再生能源行業(yè)和綠色建筑事業(yè)的學(xué)科交叉、互促共進(jìn)，成為建筑領(lǐng)域節(jié)能減排、實踐可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

[1] 徐偉.地源熱泵技術(shù)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[2] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.