嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑成套技術(shù)推廣應(yīng)用研究★

徐慧敏，任楠楠

(1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130000;2.吉林水利電力職業(yè)學(xué)院，吉林 長春 130000)

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(shì)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(jì)劃的實(shí)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(duì)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(huì)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(dòng)房或超低能耗建筑的研究和實(shí)踐方面做了大量的探索，成果斐然，并指定了一系列的評(píng)價(jià)綠色建筑的標(biāo)識(shí)：Active House主動(dòng)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(duì)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(xiàng)目和全國首批超低能耗標(biāo)志性項(xiàng)目，被中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)評(píng)為“中國好建筑”，是吉林省首座嚴(yán)寒地區(qū)多能互補(bǔ)型近零能耗建筑示范工程(見圖1)。填補(bǔ)多個(gè)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(bǔ)型近零能耗創(chuàng)新技術(shù)體系，主要采用無水直熱式點(diǎn)供暖，光伏與建筑一體化設(shè)計(jì)，地能與太陽能多能互補(bǔ)，新風(fēng)和毛細(xì)管末端系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)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(yùn)行與實(shí)際檢驗(yàn)，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(xiàng)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(cè)算，我校已建成的超低能耗建筑每年減少能耗469 144 kW·h，可節(jié)省標(biāo)煤168.89 t，減少污染排放1.7 t煙塵，450 t二氧化碳，3.4 t二氧化硫，1.2 t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(shí)行推廣應(yīng)用對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行具有很強(qiáng)的實(shí)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(dòng)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(huì)效益。

1 推廣對(duì)象

嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗的推廣對(duì)象主要是房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)[3],政府機(jī)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(shí)踐運(yùn)行，證實(shí)示范建筑真實(shí)可靠，后期推廣指日可待。

2 推廣方案

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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500 m2蓄熱水箱容量應(yīng)不低于2 t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。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種方案

2.1.1 方案A——舒適度最高，造價(jià)相對(duì)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(dòng)門、被動(dòng)窗，傳熱系數(shù)K<1.0。

對(duì)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(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。被動(dòng)門及被動(dòng)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(jià)相對(duì)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。

表2 建筑能源供應(yīng)方案

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(yùn)行費(fèi)最低，約4 a～5 a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(jià)(含光伏發(fā)電和蓄熱)：約為30萬元。初投資次之，運(yùn)行費(fèi)較低，約5 a～6 a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(yùn)行費(fèi)較高，約5 a～6 a可收回投資，能源系統(tǒng)總造價(jià)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(yùn)行費(fèi)最高，夏季無法制冷，電鍋爐同時(shí)提供生活熱水。蓄熱水箱容量應(yīng)不低于1 t。能源系統(tǒng)總造價(jià)約為10萬元。初投資最少，運(yùn)行費(fèi)最高，約6 a～7 a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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制的中央空調(diào)系統(tǒng)可以最大限度地實(shí)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(yùn)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(yùn)算和數(shù)字芯片控制調(diào)節(jié)，從而達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)恒溫，實(shí)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(duì)太陽光的汲取，從而轉(zhuǎn)化成熱能以及電能，后經(jīng)儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàng)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(yùn)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(shí)間長，熱負(fù)荷大的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能問題。3)解決嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)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(shí)推動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)際運(yùn)行情況，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(shí)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(shí)際工程案例，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，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(shí)際運(yùn)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(yàn)的區(qū)域團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)分享，而且很多企業(yè)和高校都對(duì)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的推廣具有很強(qiáng)的實(shí)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(shí)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(yùn)行2 a～3 a后收回。根據(jù)客戶的可接受程度，可將示范建筑設(shè)計(jì)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)。