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彭翔 刘娣 徐毅敏 | 超低能耗建筑助力实现“双碳”目标的路径研究
发布日期:2021-12-08 作者:彭翔 刘娣 徐毅敏 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

摘要:我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。建筑全生命周期碳排放占全国总排放量的50%左右,因此控制和降低建筑领域的能耗和碳排放,对于实现双碳目标至关重要。不断降低建筑能耗、提升建筑能效、利用可再生能源,推动超低能耗建筑发展,促进行业低碳转型成为建筑领域的中长期发展目标。本文通过对超低能耗建筑被动式及主动式技术的分析,结合项目平面功能、立面效果,建议选择适宜该项目的遮阳措施、高效新风热回收系统、光伏技术等手段实现降低建筑自身能耗、提升用能效率的需求。通过对超低能耗建筑的探索与应用,旨在为我国建筑行业助力实现“双碳”目标献力。

关键词:超低能耗建筑;“双碳”目标;光伏技术

2020年9月22日,中国政府在第七十五届联合国大会上提出:“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。2021年10月24日中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。根据意见,到2030年,经济社会发展全面绿色转型取得显著成效,重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。到2060年,绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立,能源利用效率达到国际先进水平,非化石能源消费比重达到80%以上。

根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告(2020)》统计,2018年我国建筑全生命周期碳排放占全国碳排放总量的51%,且能源消耗占比和趋势与碳排放水平一致。因此,控制和降低建筑领域的能源消耗和二氧化碳排放,对于我国早日实现碳达峰和碳中和的目标有重要意义。超低能耗建筑在建筑建造施工和运行过程中能够减少建筑用能,提高建筑用能效率,利用可再生能源直接给建筑供能,有效降低一次性能源消耗,减少碳排放。因此,超低能耗建筑是实现建筑碳中和目标的重要途径。大力推动超低能耗建筑发展,加强超低能耗建筑技术手段创新,将成为建筑领域未来发展趋势。

一、超低能耗建筑概述

(一)概念

超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件,通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构,采用高效热回收技术,最大程度地降低建筑供暖供冷需求,并充分利用可再生能源,以更少的能源消耗提供舒适室内环境的建筑。[1]

超低能耗建筑的技术核心是以降低一次性能源消耗为目标,通过围护结构的保温、隔热、气密性、断热桥以及优化暖通设备等措施,降低建筑本体能源需求,减少对传统采暖和制冷设备的依赖,以更少能源消耗提供更优秀室内环境的建筑形式。

(二)政策导向

为促进超低能耗建筑高质量发展,国家和各省市相继出台相关的实施意见和补贴政策,并广泛建立超低能耗建筑示范项目,体现了国家在推动超低能耗建筑发展上从宏观到微观层面的重视。

1.国家政策

2017年1月5日,国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》,提出开展超低能耗及近零能耗建筑试点。

2017年3月1日,住房和城乡建设部发布《建筑节能与绿色建筑“十三五”规划》,旨在建设节能低碳、绿色生态、集约高效的建筑用能体系,推动住房城乡建设领域供给侧结构性改革。鼓励开展零能耗建筑建设试点,提出到2020年建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万平方米以上的目标。

2021年3月12日,十三届全国人大四次会议审议通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》全文发布,提出开展近零能耗建筑、近零碳排放等重大项目示范。

2021年10月21日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》,提出推动高质量绿色建筑规模化发展,大力推广超低能耗、近零能耗建筑,发展零碳建筑。

2021年10月26日,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,提出加强适用于不同气候区、不同建筑类型的节能低碳技术研发和推广,推动超低能耗建筑、低碳建筑规模化发展。

2.各地政策

据初步统计,到2019年底,我国在建及建成的超低能耗建筑示范项目超过700万平方米,主要分布在北京市、河北省、河南省和山东省,这4个省市在建及建成的示范项目共164个,总面积567.02万平方米。其中,北京市超低能耗建筑示范项目共计32个,建筑面积66万平方米;河北省示范项目67个,建筑面积316.62万平方米;河南省示范项目12个,建筑面积约为78.4万平方米;山东省示范项目53个,建筑面积106万平方米。同时,各级政府也顺势而为,相继出台支持超低能耗建筑发展的专项规划、实施方案及指导意见等纲要性文件,进一步明确了超低能耗建筑发展目标、任务与路径;对超低能耗建筑项目给予资金补贴、容积率奖励等多种政策激励,为稳步推进我国超低能耗建筑规模化发展奠定了基础。

经过“十三五”时期超低能耗建筑示范项目的建设和对超低能耗建筑技术的系统研究,我国初步建立了超低能耗建筑的技术标准体系,为进一步推动超低能耗建筑规模化推广,助力建筑领域实现碳达峰打下坚实基础。

2021年是“十四五”规划的第一年,各省市响应绿色建筑创建行动,加强高品质绿色建筑项目建设,继续加大超低能耗建筑推广力度。各省市纷纷出台绿色建筑创建行动实施方案,建立健全超低能耗建筑政策标准体系,持续推进超低能耗建筑发展,加强超低能耗建筑的质量监管,保证建设质量,建立和完善评价和后评估机制,形成系统的超低能耗建筑政策和技术体系,实现超低能耗建筑向标准化、规模化、系列化方向发展。

(三)标准导则

为了提高建筑节能与绿色建筑发展水平,在充分借鉴国外被动式超低能耗建筑建设经验并结合我国工程实践的基础上,2015年,住房和城乡建设部印发《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》(试行)(居住建筑),指导推动居住建筑向超低能耗建筑发展。[3]2019年,住房和城乡建设部印发国家标准《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350-2019),标准中明确指出了超低能耗建筑的定义,并对公共建筑、居住建筑的超低能耗建筑的能效水平、技术指标及措施进行了规定,有力地支撑了超低能耗建筑的发展。

各省市根据当地气候条件、用能习惯和生活习惯等方面研究适宜当地的技术路径和耗能指标,制定了与之相适宜的超低能耗建筑的技术标准和导则图集。以北京市为例,2018年,北京市住房和城乡建设委员会制定了《北京市超低能耗示范项目技术导则》和《北京市超低能耗农宅示范项目技术导则》,对北京市超低能耗建筑和农村住宅示范项目的技术措施、施工和验收过程等进行技术指导。2020年底,北京市规划和自然资源委员会、住房和城乡建设委员会组织制定了北京市地方标准《超低能耗居住建筑设计标准》(DB11/T 1665-2019),为进一步降低北京市居住建筑能耗,规范超低能耗居住建筑设计提供了技术标准。

二、技术措施

超低能耗建筑设计时应以降低能耗为目标,注重优化空间布局和能源供给方案。在总体规划和方案设计阶段应根据当地的气候条件、自然资源等特点进行建筑的总体布局、朝向、体形系数、采光通风和室内空间布局的适应性设计。前期总体规划和方案设计越合理,建筑节能的潜力越大,超低能耗建筑技术越能发挥其最大效用。

超低能耗建筑技术应用次序和目标是被动优先,主动优化,保证良好的室内环境并最大限度地减少能源消耗。[4]被动式技术包括自然采光和通风、高性能的保温系统、无热桥设计、整体气密性、遮阳设计等;主动式技术包括高效新风热回收系统、辅助供暖供冷系统、高效节能光源等。

(一)被动式技术

1.高性能的保温系统

超低能耗建筑围护结构应比普通建筑围护结构的保温性能更高,超低能耗建筑围护结构的保温层厚度增加,是普通建筑保温层厚度的2-3倍。在北京地区,以外墙保温岩棉板为例,超低能耗建筑外墙的保温层厚度约300mm左右,而普通公共建筑外墙保温厚度约100mm左右。

外窗是影响超低能耗建筑节能效果的关键部位,其影响建筑能耗的性能参数主要包括传热系数、太阳能得热系数以及气密性。外窗应有良好的气密、水密及抗风压性能。依据国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》(GB/T 7106-2019),外窗气密性等级不低于8级,水密性等级不低于6级,抗风压性能等级不低于9级。[2]北京地区超低能耗建筑与普通建筑的保温系统对比参数见下表。

表1 北京地区超低能耗建筑与普通建筑的保温系统对比

2.无热桥设计

建筑围护结构中热流密度显著增大的部位,成为传热较多的桥梁,称为热桥。超低能耗建筑设计时,应严格控制热桥的产生,对建筑外围护结构进行无热桥设计。[5]无热桥设计的基本原则是通过适当地添加绝热层,阻断不同材料连接处的热桥,保温层在建筑部件连接处连续无间隙。建筑体形宜规则,减少围护结构的凹凸变化,从而降低建筑的外表散热面积。

热桥往往会出现在不同材料连接处和结构变化部位,如女儿墙、挑出楼板、管道穿屋面等位置。普通建筑在女儿墙等突出屋面的位置保温层一般不连续设置,只是在没有保温层的位置用30厚的憎水膨珠浆料等保温砂浆将其连续起来,避免建筑内表面发霉、结露。超低能耗建筑在女儿墙等薄弱环节其保温层应与屋面、墙面连续设置,在顶部设置金属盖板,以提高其耐久性,而且保温层固定应采取断热桥锚栓等避免热桥的措施,二者做法对比如图1所示。

超低能耗建筑外窗安装方式与普通建筑的外窗安装方式有较大区别。普通建筑窗户安装在砌体结构上,保温层中断;超低能耗建筑外窗安装时应将外窗框的热桥损失降到最低,外窗框内表面和结构外表面齐平,采用外悬式安装方式,将窗户安装在保温层内,外墙保温层多包住窗框,并且用专用成品连接件进行连接,保证保温层连续无中断。二者做法对比如图2所示。

3.整体气密性

建筑气密性是实现超低能耗的重要措施。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透,降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加,避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏,减少室外噪音和空气污染等不良因素对室内环境的影响。[3]

普通建筑对气密层没有强制要求,而超低能耗建筑要求气密层应完整连续并包围整个外围护结构。应采用规则简洁的造型,对节点进行气密性处理;选用气密性等级高的外门窗;选择适用的气密性材料构成气密层,常见的构成气密层材料包括一定厚度的抹灰层、硬质的材料板、气密性薄膜等。[6]

建筑气密性的保障应贯穿整个设计和施工的各个环节中。门窗、洞口和结构间缝隙等关键部位需要气密性设计和精细化施工。以外门窗安装部位的气密性处理为例,外窗内侧应使用防水隔汽膜,外窗使用防水透气膜进行密封处理,安装时使用的支架或垫块也要用防水透气膜或密封条进行处理。施工完成后,还应对整个建筑进行气密性测试,查找气密性薄弱环节,并采取措施改善补救。

4.遮阳设计

采用合理的遮阳措施可以有效地降低夏季空调能耗和冬季供暖能耗。遮阳设计应根据不同地区的气候特点、房间功能和朝向等因素综合考虑。超低能耗建筑宜采用可调节的遮阳设施(图3、图4)。可调节外遮阳表面吸收的太阳得热,传入室内的比例比内遮阳或中置遮阳小,并且可以根据太阳高度角和室外天气情况自动或手动调整,是最适合超低能耗建筑的遮阳形式。[2]

可调节外遮阳可以阻挡90%左右的太阳辐射,空调能耗降低约30%,采暖能耗降低10%以上,同时可以隔音降噪,采光调光,避免眩光,节约照明能耗。

(二)主动式技术

1.高效新风热回收系统

超低能耗建筑应采用高效新风热回收系统(图5),通过回收利用排风中的能量降低供暖制冷需求。[6]热回收新风系统的工作原理是先将室内的污浊空气经热回收后排向室外,同时将室外的新鲜空气,经过过滤净化后再进入高效热回收器,然后将经过换热后调节到接近室温的空气通过风管送到室内,整个通风过程均匀连续,达到健康、舒适、节能通风的目的。热回收装置的类型应根据地区气候特点,结合工程的具体情况综合考虑。

2.辅助供暖供冷系统

超低能耗建筑辅助供暖供冷系统应优先利用可再生能源,减少一次能源的使用。可再生能源主要包括太阳能、地源热泵、空气源热泵及生物质燃料等。寒冷地区宜采用地源热泵或空气源热泵,辅助热源选择时,除满足供暖、新风处理要求外,宜兼顾生活热水的用热需求,并尽可能利用太阳能供应热水。[6]

3.高效节能光源

超低能耗建筑宜采用高效节能光源和智能化照明控制系统,按需照明,降低照明能耗。例如公共区域的照明应采取声光控制、定时控制及红外感应控制等节能措施。地下空间可以设置采光井、光导管(图6、图7)或者利用下沉式广场等措施提供天然采光。

(三)小结

超低能耗建筑的优势在于以下四点:更加节能,建筑物全年供暖供冷需求显著降低;更加舒适,建筑室内温湿度适宜,体感更舒适;更好空气品质,高效的新风系统提供室内足够的新鲜空气,通过空气净化技术提升室内空气品质;更高质量保证,无热桥、高气密性设计,采用高品质材料、精细化施工和建筑装修一体化,使建筑质量更高、寿命更长。[4]

但是,超低能耗建筑的施工工艺比传统建筑更加复杂,对施工程序和质量要求更加严格;在运行管理过程中,需要管理部门和用户的参与和配合,避免不当行为使建筑节能效率下降,避免二次装修对气密层的破坏。[7]通过超低能耗建筑与普通建筑的数据比较分析,超低能耗建筑对保温材料、门窗及高热回收装置等产品的要求远远高于普通建筑,因此,超低能耗建筑的成本造价远高于普通建筑。

三、技术应用分析

上文对超低能耗建筑的被动式和主动式技术进行了梳理,并对超低能耗建筑的优劣势进行了分析。下面以北京地区某综合楼项目为例,结合项目特点及标准定位进行分析,提出适用于该项目的超低能耗建筑技术措施。

该综合楼位于北京地区,建筑功能以办公为主,用地面积0.79公顷,总建筑面积23100平方米,地上建筑面积14500平方米,地上共10层,建筑高度45米。

首先,北京地区对新建公共建筑是否达到超低能耗建筑标准没有强制性要求,可以不必100%满足超低能耗建筑技术标准要求。其次,超低能耗技术措施的选择既要考虑成本控制,也要结合项目的平面功能、立面效果以及实际应用效果。

通过对超低能耗建筑的被动技术和主动技术的分析和研究,结合该项目特点,建议从设置可调节遮阳装置、选择适宜的高效新风系统和热回收装置、充分利用可再生资源、采用高效节能光源和节能设备四个方面将超低能耗技术与建筑形成有机融合。

(一)可调节遮阳措施

该项目南北向布置,平面基本为正方形,外立面风格简洁,可以通过增加可调节遮阳措施使立面效果更加丰富。立面遮阳可以采用活动金属遮阳百叶或机翼遮阳板(图8、图9)。机翼遮阳板可以根据太阳高度角的变化自动调节进入室内的太阳能量,降低空调能耗。可调节外遮阳和外窗间距大于100毫米,以免外窗玻璃被加热,导致热传导,增加能耗。[9]可调节遮阳控制方式可以选择手动操作、无感光自动控制、电动控制且与楼宇控制系统联动等形式。

(二)高效新风热回收系统

该项目建筑坐北朝南,过渡季节能够有效利用自然通风,在不能利用自然通风时,可以通过新风系统,提供24小时不间断新风。空调设计采用新风机组、组合式空调机组设备,新风机房内设置主机。新风热回收系统选用高效的全热回收装置,可以对新风起到冬季加热、夏季除湿的功能。新风机组采用高效率空气净化装置,内置送风过滤器和排风过滤器对室外空气进行有效过滤。

安装高效热回收装置的新风系统,夏季可回收排出空气中的冷量,冬季可回收排出空气的热量,如此循环,降低能源消耗,达到高效、节能、健康舒适的目的。

(三)可再生能源利用

可再生能源利用是建筑由节能到产能的关键技术之一,可以充分利用太阳能、风能、地热能等资源,进行能源转换利用。利用光伏技术可以将太阳能进行收集并转化为电能,同时利用太阳能还可以作为生活热水的热源。

该项目光伏发电形式可以选用分布式光伏发电系统,实行“自发自用、余电上网、就近消纳、电网调节”的运营模式。电网企业采用先进技术优化电网运行管理,为分布式光伏发电运行提供系统支撑,保障电力用户安全用电。该项目光伏所发电量优先自用,可以供给项目自身的照明和设备的电力驱动。

结合该项目,在屋面铺设太阳能光伏板,采用多晶硅太阳能电池组件,组件之间及组件与逆变器之间用光伏专用电缆穿管敷设。还可以增加储能罐,如果夏天光伏发电量有多余的,可以储存在储能罐里待日后使用。在建筑本身节能的情况下最大限度地使用绿电,减少电网的用电量,同时也降低了建筑运行的碳排放。

结合该项目立面效果,可以在外墙局部采用光伏构件。光伏构件可以采用光伏玻璃、光伏围栏、光伏百叶等方式,其特有的色彩、几何形和肌理等美学特性都能影响建筑的整体外观美感。在阳光的照射下,光伏构件的位置和种类会产生不同的光影、颜色和透明度,可以为建筑营造出别样的风格和美感。兼顾美学的同时,光伏构件与建筑物同时设计、同时施工和安装,为建筑自身提供电力,白天储存起来,用于晚间夜景照明。

(四)高效节能光源

该项目采用智能化照明控制系统,按需照明,降低照明能耗。光源均选高效LED节能光源和灯具,比普通节能灯节能50%以上。走道、楼梯间等公共区域的照明应采取声光控制、定时控制等节能措施。门厅、休息厅、办公室等采用 LED 等高效灯具,并采用分区、分组控制措施。

除节能灯具外,地下二层北侧车库和九层网球馆屋顶利用自然采光的原理,采用光导管采光系统,通过采光罩高效采集室外自然光线并导入系统内重新分配,再经过特殊制作的导光管传输后由底部的漫射装置把自然光均匀高效的照射到地下室。该装置主要由三部分组成:采光装置、导光装置、漫射装置。[10]出地面或屋面的采光装置可以结合景观布置。

(五)增量成本分析

超低能耗建筑的建造成本与传统建筑相比,平均增量成本约为1000-1400元/平方米。增量成本主要由围护结构、高效热回收的新风系统、断热桥措施及气密性措施组成。[8]通过对我国超低能耗建筑示范项目的调研,被动式技术的应用包括围护结构的保温隔热和高性能的门窗,是超低能耗建筑增量成本的重要组成部分。从长远看,高质量耐久性好的建筑构件比传统建筑构件寿命更长,建筑运行期间,其更新、维护的费用降低;而且超低能耗建筑的节能措施会带来经济效益,增量投资成本可以通过建筑节能效益在合理时间内回收。

表2 超低能耗建筑增量成本分析

(六)小结

根据国家标准《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350-2019)对公共建筑超低能耗建筑的规定,其建筑能耗水平应比国家标准《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)降低50%以上。通过节能计算可知,该项目按照现行国家节能标准全年供暖和空调能耗为115.18kWh/㎡。若达到超低能耗建筑标准,该项目的全年供暖和空调能耗需降低到57.59kWh/㎡。在运行期间,超低能耗建筑相对于现行节能标准,每年能够节约一次性能源83.5万kWh,相当于减少碳排放350吨。国家林业局研究,一棵树每年可以吸收并储存4-18千克二氧化碳,按此计算,减少350吨二氧化碳排放相当于种植了19445棵树。

通过以上对比分析,超低能耗建筑技术的应用可以最大限度地降低建筑运行阶段的化石能源消耗,降低碳排放。超低能耗建筑利用被动式技术提高围护结构的保温性能,减少建筑自身的热量损失,降低冷热负荷;利用主动式技术合理优化建筑用能系统,提升整体能效,实现建筑的超低能耗,减少碳排放的目标。

四、研究结论与建议

本文阐述了超低能耗建筑的背景和概念,梳理了超低能耗建筑的关键技术措施,并以北京地区某综合楼项目为例,提出适宜该项目的技术措施并对其进行应用分析,对超低能耗建筑技术做出积极探索。通过分析研究,提出以下结论和建议:

1.为响应我国碳达峰、碳中和目标,应大力推进超低能耗建筑、近零能耗建筑规模化推广工作。从现有超低能耗建筑发展政策和技术标准来看,目前超低能耗建筑在有供暖需求的地区更能够体现节能的优势,居住建筑较公共建筑更容易实现超低能耗。[11]因此,在今后的超低能耗建筑推广过程中还应扩展到全国其他地区,扩展到所有的建筑领域,包括居住建筑和公共建筑、新建建筑和既有建筑改造等。

2.全面提升超低能耗建筑节能标准。颁布建筑节能强制性技术法规,根据不同气候区条件确定建筑的能效指标水平、技术指标及措施。建立完善的设计、施工、运行评价标准,为超低能耗建筑的设计、施工和运行提供完整的技术导则。

3.提高超低能耗建筑产品的技术水平。目前我国超低能耗建筑的成本比传统建筑高,在没有政策扶持的情况下,建设单位不一定选择超低能耗建筑,成本增量成为超低能耗建筑发展的拦路虎。适用于超低能耗建筑的门窗、保温和密封材料等相关产品的更新和升级,对提高建设项目的质量和效益至关重要,对超低能耗建筑规模化发展具有很强的助力作用。

4.结合项目特色选择适宜的超低能耗建筑技术措施,在规划阶段根据气候特征、地形地貌等方面优化建筑布局,合理选择和利用景观、生态等措施,充分考虑自然通风和采光。选用适用于该项目的技术措施,并发挥其最大的优势。结合当地政策及技术标准导则,根据项目特点和需求,提供安全、可靠、经济、合理的超低能耗建筑技术应用方案。

注:文中部分图片来源于网络。

参考文献

【1】住房和城乡建设部.被动式超低能耗建筑技术导则(试行)(居住建筑)[OL]. 住房和城乡建设部官网,2015-11-10.

http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201511/t20151113_225589.html.

【2】陈强.山东地区被动式超低能耗建筑节能研究[D].山东建筑大学.2016-06-01.

【3】孙峙峰.被动式超低能耗绿色建筑评价标识的探索与实践[J].建设科技,2017(01):77-79.

【4】徐伟.《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》编制思路及要点[J].建设科技,2015(23):19-20.

【5】周佩杰.被动式超低能耗绿色建筑所用外门窗的无热桥设计与施工[J].门窗,2016(11):19-26.

【6】陈强.寒冷地区被动式超低能耗建筑关键技术研究[J].山东建筑大学学报,2016(01):19-26.

【7】谭令舸.施工中提高建筑气密性的关键技术研究[J].城市建筑,2017(09):92-93.

【8】强万明.经济型超低能耗建筑技术指标研究分析[J].建筑节能,2018(07):137-140.

【9】刘郁林.雄安新区超低能耗绿色建筑示范项目实践[J].绿色建筑,2019(04):49-54.

【10】张永亮.论光导管在现代建筑的应用[J].环球市场,2017(25):294.

【11】李兴军.大力发展山东省被动式超低能耗建筑产业[J].建设科技,2015(23):14.