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净零能耗建筑的能源规划方法

时间:2019-09-15 10:37:33   作者:实战被动房   来源:中国建筑节能协会   阅读:497  
内容摘要:0引言根据研究,2014年,中国建筑能源消费总量为8.14亿t标准煤,占全国能源消费总量的19.12%。2015年,中国民用建筑面积573亿m2,总商品能耗8.58亿t标准煤,占全国能源消费总量的20%。根据预测,2030年中国建筑存量将接近800亿m2,建筑总能耗将达到14.6......

0引言

根据研究2014中国建筑能源消费总量为8.14亿t标准煤占全国能源消费总量的19.12%2015中国民用建筑面积573亿m2总商品能耗8.58亿t标准煤占全国能源消费总量的20%根据预测2030年中国建筑存量将接近800亿m2建筑总能耗将达到14.6亿t标准煤研究表明如果采用相对容易实现的中等强度的节能减排情景路线2030年可将建筑能耗控制在10.2亿t标准煤左右2035年左右建筑能耗达到顶峰这意味着2030建筑面积增加近40%而建筑能耗总量增加不到20%建筑节能已经进入存量节能实物量节能和总量控制的新阶段如果维持现在的能耗强度就要求有一半的新建建筑能耗为零在现代社会要做到完全零能耗或极端近零能耗是不可能的因此需要积极发展净零能耗建筑(net zero energy building),即在建筑消耗能源的同时生产出等量的可再生能源进行补偿

所谓净零能耗建筑是指全年总能耗量近似等于在现场或在其他地方所生产的可再生能源量的建筑类似地可以把全年生产的可再生能源量大于全年总能耗量的建筑叫做增能建筑(energy plus building),而把全年生产的可再生能源量没有达到全年总能耗量的建筑称为近零能耗建筑或超低能耗建筑(ultra-low energy building)。

在技术上净零能耗建筑可以分为2

1净零现场能耗建筑(net zero site energy building)。只考虑现场能耗不考虑输入能源(电力热力和燃气)的损失建筑全年可再生能源产能等于或大于全年用能

2净零一次能源能耗建筑(net zero source energy building)。考虑一次能源能耗(包括电力热力系统的损失)的条件下建筑全年可再生能源产能等于或大于全年用能

根据我国能源结构和减排承诺需要发展净零一次能源能耗建筑在节能的同时减少建筑运行阶段的温室气体排放量实现建筑能耗的碳中和除了考虑净零能耗还要考虑净零排放(net zero energy emission),即建筑生产的零排放可再生能源等于或大于它所使用的产生碳排放的能源(有部分可再生能源例如生物质气也会产生一定的温室气体排放)。同时还要考虑降低建筑运营成本始终保持净零能耗建筑的增量成本在可接受的水平上

1 净零能耗建筑及其实现的难度

1.1 净零能耗建筑技术遵循的基本原则

第一净零能耗建筑首先应该是超低能耗建筑它不应仅仅满足建筑节能设计标准要求而要优于民用建筑能耗标准中的引导值或各地建筑能耗指南中的先进值因此实现净零能耗建筑的关键是运行净零能耗是一个运行目标必须通过建筑节能管理降低现场能耗

第二采用适宜的超低能耗建筑技术这些技术的能效不能只靠计算更需要通过实际运行中的能耗检测来加以证实因此这里提及的能效”,应该指的是绩效效果”(energy performance)。这些技术包括1被动式技术如昼光照明围护结构保温提高气密性被动式太阳能供暖自然通风等2高效暖通空调设备和系统高效照明高效电器等

第三利用可再生能源1现场(on-site)可再生能源建筑红线之内的可再生能源如光伏太阳能热水屋顶小型风电桩基地埋管换热器等建筑场地之内的可再生能源如光伏太阳能热水低影响土壤源/地表水源换热器风电现场废弃物生产生物质能源等2非现场(off-site)可再生能源利用非现场的可再生能源资源在现场产能如来自外部的生物质木屑生物柴油沼气等产能装置在建筑现场通过排放权交易或绿色采购得到的风电光伏发电和水电

特别要注意实施这3条原则绝不是了某几项技术就可以了也不是仅靠设计计算值就算数了而是要在运行过程中通过智能能量表的检测数据进行验证用实物量结账这给净零能耗建筑的实施带来很大的挑战主要有两大挑战1在有一定建筑密度的城区由于建筑之间的相互影响和干扰被动式技术难以达到预想效果2在单体建筑红线之内没有充足的空间供可再生能源的收集和储存

1.2 单体建筑实现净零能耗的挑战

纵观国际上净零能耗和被动式超低能耗建筑的案例基本上是以独立式住宅和小型公共建筑为主建筑面积在几百或数千m2超过1m2的建筑比较少Xu等人总结了亚洲太平洋经济合作组织(APEC)国家100个超低能耗建筑的案例超过1m2的建筑只有17分别为中国8日本8美国1

这是为什么呢?

在单体建筑(尤其是公共建筑)中实现净零能耗有几个比较难以解决的技术问题

1新风需求被动式超低能耗建筑的气密性要求很高需要靠机械通风系统引入新风夏季在湿热地区需要处理大焓差新风冬季在严寒地区需要处理大温差新风(可能还需要加湿),这些都需要耗能解决方法之一是用新风热回收(全热和显热)的方法目前热回收技术最高效率在70%左右在住宅和小规模办公类公共建筑中应用由于新风需求不大比较容易解决而大型公共建筑的新风需求较大即使有热回收还会产生较大的能耗解决方法之二(主要用于夏季)是用除湿的方法降低新风负荷(desiccant cooling),即实现热湿独立处理但无论是液体还是固体除湿都需要除湿剂再生过程要找到适宜的余热废热等再生热源并不容易如果利用太阳能则需要比较大的集热器面积用制冷机的冷凝热是比较好的解决方案但在某些气候条件下可能会提早开启制冷机

2太阳辐射冬季太阳辐射是被动供暖的有利因素需要尽量增加太阳辐射得热夏季太阳辐射则是增加冷负荷的最大不利因素尽管有低辐射Low-E玻璃窗等围护结构降负荷设施但为了降低冬季负荷需要将Low-E膜镀在内窗外表面上为了降低夏季负荷需要将Low-E膜镀在外窗内表面上二者是相悖的(最好能有冬夏内外窗表面翻转的设施)。夏季也可以采用外遮阳措施降低一部分太阳辐射(直射)。夏季太阳辐射作用在不透明围护结构上也会形成较高的表面温度增加导热量

3内部负荷建筑室内的照明设备人员都是发热(湿)尤其在公共建筑的室内热平衡过程中有非常重要的影响在冬季室内发热量是有利因素可以降低供暖负荷而在夏季室内发热(湿)量是不利因素要从温度较低的室内将热量转移到温度更高的室外必须消耗能量

4自然通风有人会说将热量从室内搬到室外可以靠自然通风自然通风确实是夏季实现免费供冷和自然冷却的好办法但它需要有一定的条件第一需要室外气温有较大的日较差(日平均气温低于25 ),使室外土壤在夜间蓄存一部分冷量白天近地面处的空气温度较低通过自然通风引入这部分温度较低的空气利用热压作用置换室内温度较高的空气可以起到降温作用第二需要室外含湿量低于或略高于室内这样才能通过自然通风为室内除湿(或至少不会明显地加湿);第三需要室外空气比较清洁(或至少没有被污染)。3个条件在目前中国的多数城市中都不能完全具备自然通风在冬季也与建筑气密性要求相矛盾因此自然通风是一项锦上添花的措施在净零能耗建筑中必须有自然通风措施但不能指望自然通风技术能带来多少节能量更不能用计算能耗替代实测能耗夸大自然通风的作用必须指出自然通风并不是开窗通风那么简单而是需要经过设计的在一些复杂建筑中还需要作模拟分析这本应是建筑师的职责

上述1)3)是系统效率问题2)4)在一定程度上与建筑的外环境相关做过城区气候设计空间布局合理的城区微气候会扩大太阳辐射和自然通风的正向效应而没有经过气候分析的城区会由于建筑物之间的相互干扰增大太阳辐射和自然通风的负面作用

1.3 净零能耗建筑的负荷

以假设的夏热冬冷地区办公楼为例采用多种节能技术控制建筑物的围护结构和设备概略计算其负荷结果如表1所示

净零能耗建筑的能源规划方法

基于表1负荷假定办公楼全年供冷和供暖满负荷当量小时数均为600 h采用系统季节性能系数3.0的热泵系统可以达到全年供暖供冷能耗15 kW·h/(m2·a)的水平如果只计算供暖能耗则只有4 kW·h/(m2·a),数值上远低于欧洲超低能耗建筑供暖能耗标准但欧洲标准中的kW·h是热量单位15 kW·h/(m2·a)相当于我国一次能源(折合标准煤下同)消耗1.8 kg/(m2·a)。我国以火力发电为主4 kW·h/(m2·a)折合一次能源消耗为1.3 kg/(m2·a)。如果供暖用的是系统效率70%的燃气锅炉则一次能源消耗要达到2 kg/(m2·a)左右高于欧洲标准

假设全年人均工作时间为法定的2 000 h(每月167 h),则办公楼的设备能耗为40 kW·h/(m2·a),照明能耗为10 kW·h/(m2·a)。这里的能耗都是电耗

考虑各种不可预知因素则这一超低能耗办公楼的总能()耗为70 kW·h/(m2·a),折合一次能源为22.4 kg/(m2·a)。从上面的假定可以看出这一假想办公楼的节能潜力基本用尽了比如新风热回收效率要达到70%是非常困难的

1.4 需要可再生能源的补偿

如果上述假想办公楼要达到净零能耗建筑标准就需要用可再生能源来提供等于或大于70 kW·h/(m2·a)的能耗对于单体建筑而言比较可行的可再生能源应用技术是太阳能光伏(PV)发电按现在的PV效率1 m2光伏板功率在130 W左右以上海地区全年满负荷日照小时数1 000 h计算满足70 kW·h/(m2·a)的能耗需求至少需要0.50.7 m2的光伏板面积对多层和高层公共建筑不可能在建筑红线内安装这么大面积的光伏板而对大空间单层公共建筑(如机场车站),又因为内部负荷加大以及屋顶的传热负荷增加也无法满足能耗需求(见图1)。只在负荷比较小的仓储类大空间工业建筑中有过成功案例

净零能耗建筑的能源规划方法

由图1可以看出仅靠单体建筑红线内有限的空间资源只在小规模低负荷建筑中才有可能利用可再生能源的补偿实现净零能耗而在城区层面则可以通过公共空间资源的共享将可再生能源的供应视为城区的基础设施利用城区不同建筑间的负荷参差率减少总装机容量利用多种可再生能源生产的波动性和储能设施调节供应量实现多能互补

1.5 小结

1一定规模的公共建筑中围护结构形成的负荷占比在25%以下主要是解决冬夏两季的新风负荷和夏季的内部负荷(人体照明设备);

2消除新风负荷和消除内部负荷很大程度上要依靠可再生能源

3一定规模的单体公共建筑受到空间限制很难凭借一己之力实现净零能耗

4净零能耗建筑中可再生能源的利用需要通过建筑群或城区层面的资源共享和多能互补来实现

2 净零建筑能耗城区的概念

2.1 净零建筑能耗城区的定义

净零能耗城区是指在城区范围内全年生产的能源等于或大于全年所消耗的能源这里的能耗按广义的理解应包括产业交通建筑和基础设施在内的城区内所有能耗而狭义的理解则只包括城区内的建筑能耗为简化问题本文只讨论净零建筑能耗城区

净零建筑能耗城区可分为1净零现场能耗城区即城区边界内的现场可再生能源产能至少等于城区内建筑的全年现场能耗2净零一次能源能耗城区即城区边界内的现场可再生能源产能至少等于城区内建筑的全年一次能源能耗本文主要讨论第二种

城区的净零能耗是建筑群的平均能耗所以并不是城区内所有单体建筑都是净零能耗建筑或超低能耗建筑城区建筑群提供了负荷的多样性和热能梯级利用的机会城区内哪些建筑是超低能耗建筑哪些可以不是需要通过能源规划来权衡和协调因此净零建筑能耗城区的能源规划是至关重要的环节

2.2 净零建筑能耗城区的优点

1将城区或建筑群当作一个系统进行综合能源管理从而实现资源共享在城区尺度和平均意义上实现净零能耗较之单体建筑更容易达到净零能耗目标

2单体建筑需要在低层低密度小规模的建筑形态条件下实现净零能耗目标而净零建筑能耗城区可以保持紧凑型的城市形态可以有较高的楼层适当的容积率和一定的规模

3可以在城区范围内共享可再生能源和可利用空间

4可以通过城市设计优化城区的日照环境和风环境为被动式建筑技术应用创造条件

5可以利用城区建筑群负荷的多样性和参差率利用电网和共享蓄热装置实现负荷平准化平衡可再生能源的供给与负荷需求

6由于负荷的平准化可以减小城区基础设施设备系统的规模降低投资和运行成本从而吸引有实力的投资者

2.3 净零建筑能耗城区的实施难点

1需要有兼顾需求侧和供应侧的精细化城区能源规划

2需要城规建筑暖通热能电力景观等跨专业的协同才能使能效和资源利用最大化

3在城区尺度上城市形态对单体建筑能耗有重大的影响同样还要考虑城市形态对可再生能源种类选择空间布局以及能源效率的影响要将这些影响尽量调整为正面影响但目前城市形态对建筑能耗的影响分析尚缺乏适用的工具和系统的方法论

4在城区尺度上把握人口和需求的增长是有困难的尤其在我国所处的急剧的经济转型阶段

5提高各单体建筑能效是净零建筑能耗城区概念中的核心欧洲经验表明在现行建筑节能标准基础上再节能60%是可行的但这需要所有投资商二级开发商业主供应商设计团队和建造者的配合成为他们共同的诉求利益相关者越多净零建筑能耗城区的实施越难在规划阶段就要统筹考虑单体建筑的能源性能

6可再生能源规模化应用中受到产能和耗能的峰值差能源的储存以及可再生能源联网中各种不确定因素的困扰

7实现净零建筑能耗城区会产生更多的先期成本如建筑能效提升基础设施优化等因此它更适合政府科研机构企业总部大学等综合性园区以及购买并持有的投资人

2.4 雄安模式为净零建筑能耗城区建设创造了机遇

2017中央决定设立国家级雄安新区雄安新区的规划建设体现新城新区发展的新理念新路径新模式展示了中国新型城镇化未来的方向其重大创新之处主要有以下几点

1我国城镇化已经从投资圈地规模扩张的粗放发展阶段进入价值创新的可持续发展阶段

2跨越土地财政住宅以公租房廉租房为主不允许配建商品房房子回归住人的本原

3改变遍地开花的建设模式规划主导成片推进迅速形成规模

4没有固定住宅用地建设兼有居住商业公园休闲娱乐和快速公共交通的混合社区唯一业主统一风格

5产业园区开发模式花园式办公城市形态是有较大绿地面积公共建筑低层低密度居住建筑多层高密度

6建设高起点的智慧城市5G通信人工智能物联网大数据等各种新技术得到普及应用

7以人为本生态环保健康舒适宜居宜业居民有强烈的获得感

可以看出在这样的建设模式中利益相关方简单决策过程简化规划真正起到主导作用非常适合于建设净零建筑能耗城区

3 净零建筑能耗城区的能源规划方法

净零建筑能耗城区的能源规划需要需求侧与供应侧的协同但本质上还是从底到顶充分考虑需求侧节能(超低能耗建筑)的需求侧能源规划因此净零建筑能耗城区的能源规划遵循需求侧能源规划的六步法”。

3.1 第一步目标设定

1对城区开发战略发展定位和城市总规的理解在现阶段一般而言建设净零建筑能耗城区的开发者是有追求的可能是作为示范性开发或标志性城区规划者要将能源规划目标与城区开发目标相协调预测开发远景和未来能耗需求通过调研加深对当地能耗现状和节能减排政策的理解

2设立适合当地情况和净零能耗目标的各类建筑能耗和碳排放基准线

3在此基础上设立减碳目标(低碳/零碳/碳中和)以及各类建筑的能耗目标(对标基准线基础上降低能耗)。

4设立可再生能源利用目标即是否在某一领域(例如供暖照明)实现100%可再生能源利用是否能实现能源自治(即所有可再生能源资源均来自于城区边界内例如全部利用边界内的生物质资源制气)。

5确定城区要达到的可持续生态城区评价标准

3.2 第二步资源分析

1传统能源资源分析电力燃气和热力的可获得性和资源量所在区域近期和远期的能源发展规划(是否有水电/核电/风电等大规模一次电力资源);电力变电站的分布和电压等级可再生能源电力并网接入点及相关技术要求

2可再生能源资源分析资源分析太阳能(光电/光热)、风能生物质能(城区边界内/)、地热能(深层/浅层/地表水)、能效提升(可望达到的最小系统能效比)。可利用性分析能量提取点的空间分布和可利用面积地表水的水温变化和水量土壤热物理参数地质资料气象资料等根据资源条件确定各种可再生能源的供能量

3空间资源分析容积率建筑类型和用途(细分化);城市形态和建筑形态人口数可能设能源站和能源子站的位置

4政策资源分析当地节能减排标准规范鼓励节能减排和可再生能源利用的政策投资环境

5节能资源分析协调城区各类建筑预期能耗量以满足净零建筑能耗城区目标根据预测负荷和所需要达到的系统能效提出供选择的可利用技术提出终端超低能耗的供暖和供冷方式例如采用低空调方式

3.3 第三步需求预测

12种方法数据挖掘收集当地同类型建筑的能耗数据(最好是逐时的分项能耗数据),经过数据挖掘得到各类型建筑具有代表性的能耗数据能耗模拟根据节能设计标准设置室内负荷的不同情景通过计算机模拟得到各类型建筑的典型能耗数据与上述数据挖掘得到的能耗数据比较调整相应计算参数以符合当地大多数建筑实际使能耗模拟结果保持在一定误差范围内

22种模式反推预测(back casting)。根据设定能耗目标和基准线反推负荷正向预测(forecasting)。与上述能耗模拟中的负荷进行比较找出影响负荷的敏感因素在可能条件下加以调整(例如新风的处理方式),从而使最终能耗满足超低能耗要求据此形成城区建筑设计导则

32个结果各类建筑和整个城区的静态负荷据此决定城区能源系统的容量和形式城区建筑的动态负荷据此决定各类能源所承担的负荷时间段和负荷份额决定各类能源的系统装机容量

3.4 第四步规划协调

净零建筑能耗城区规划协调的主要作用是通过空间规划和城市形态的调整使得建筑利用自然资源(主要是日照昼光自然通风)的被动式技术成果最大化同时使气候因素对建筑的负面影响最小化从而为城区中建筑的超低能耗创造条件

在城区层面被动式技术的应用效果有很大的随机性和不确定性因此规划调整只能定性地增加自然资源的利用无法定量地确定能够降低多少负荷究竟有多少节能量因此规划调整的结果应视为实现净零建筑能耗城区的保证措施

通过规划协调实现节能主要有2个方面的作用

1降负荷紧凑型城市形态(改变形状系数和增加被动空间)可以降低建筑负荷通过建筑功能混合可以使城区负荷平准化绿地和湿地可以有效降低热岛效应能源站选址靠近负荷中心可以减少输送损失

2降能耗通过城市形态调整增加建筑被动空间(冬季增加太阳辐射过渡季增加自然通风);空间布局中尽量留出可再生能源的能量采集位置设置通风廊道和风屏障增加过渡季冷却通风和减少冬季寒风侵袭

3.5 第五步系统优化

净零建筑能耗城区的区域能源系统属分布式能源系统但并不是传统意义上的区域供冷供热或冷热电联产系统它有几个特点

1一定是一个多能源互补系统集成和分享可再生能源和清洁能源单一能源的区域供冷供热和冷热电联产系统是无法实现净零能耗的目标的

2一定是一个分布式系统生产冷热电和可再生能源的设备分布在城区任何位置通过能源互联网互联

3一定是一个共享式系统在城区层面实现资源和空间的共享

4在城区层面生产的可再生能源总量等于或大于城区建筑的总耗能量

配置净零建筑能耗城区的能源系统有几条原则

1发挥电力传输的优势和热力储存的优势而不是相反不能将多能源系统做成电力不出能源站大门冷热水超长距离输送的大集中系统或热电厂模式”。

2电力分散生产城区集中供应利用智能电网电池组和电动汽车消纳可再生能源产出的多余电量也可通过电力驱动热泵蓄热()间接蓄电

3热能分布式生产以街区(邻里)或单栋建筑为单位供能尽量缩短热力管道的输送距离和输送半径大管径的输送管道可以作为蓄热()装置考虑

4热泵的热源/热汇资源共享(太阳能热水/工业余热/地埋管换热器/地表水源/污水源/热源塔/冷却塔),通过能源总线系统集成低品位热源/热汇

在区域能源系统的优化配置中有几个要点

1作精细化负荷预测根据负荷分布特点选择合适的系统组合确定系统形式(集中/分散/分布)。

2分析城区动态负荷特点确定不同时段的负荷分别由哪个系统(哪种能源)分担(scheduling),系统效率对建筑内末端系统的要求新风热回收效率的低限

3智能能源管理系统是净零建筑能耗城区能源系统成功的关键几乎所有区域能源系统的可研报告或系统方案中都会提及智能能源管理系统但都没有实质性的系统架构和方案在实际工程中更是被忽视这主要因为区域能源管理系统的研究还十分欠缺尤其对多能源复杂系统的控制模型和优化算法的研究还是空白

4区域能源系统不能沿用习以为常的单体建筑供暖供冷系统的设计方法净零建筑能耗城区的能源系统一定比单体建筑系统的一次能效高其系统总负荷一定低于各单体建筑峰值负荷之和区域能源系统的总装机容量一定小于单体建筑装机容量之和集中式的区域能源系统一定是多能源复合的供能系统

3.6 第六步绩效评估

净零建筑能耗城区能源规划的绩效评估是规划实施的决策依据应包括以下内容

1各类建筑与超低能耗建筑基准线相比的节能量

2总能耗量和城区净零能耗的计算值

3节能量和减碳量的分摊

4投资回报

2给出了净零建筑能耗城区能源规划的基本流程图中虚线箭头表示不能满足规划目标时的重复分析过程

净零能耗建筑的能源规划方法

4 结论

1要实现我国建筑能耗总量控制和综合节能目标净零能耗建筑是必要的措施

2要使新建建筑达到净零能耗标准可以采取在城区层面共享资源集成应用可再生能源创造适宜被动式技术的空间环境等技术通过建设净零建筑能耗城区来实现

3在城区需求侧能源规划基础上建立起供给侧与需求侧协同的净零建筑能耗城区能源规划方法

4净零建筑能耗是一个运行目标需要通过全年的运行绩效检测来验证技术的发展为净零建筑能耗城区的能源管理提供了有效的工具


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