不同氣候區(qū)凈零能耗建筑技術(shù)對(duì)比

不同氣候區(qū)凈零能耗建筑技術(shù)對(duì)比

摘要：由于建筑能耗約占全球總能耗的1/3，積極推進(jìn)凈零能耗建筑的建設(shè)，對(duì)于節(jié)能減排、改善環(huán)境意義深遠(yuǎn)。自2016年以來，已有一批凈零能耗示范建筑在我國(guó)拔地而起。但是對(duì)于不同氣候區(qū)的示范建筑，現(xiàn)有的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和資料仍極為有限?；诖?，本文選取中美公共建筑中具有區(qū)域代表性的凈零能耗示范建筑，從不同技術(shù)視角對(duì)比分析異同點(diǎn)，總結(jié)我國(guó)示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，并系統(tǒng)地評(píng)估各項(xiàng)主動(dòng)和被動(dòng)技術(shù)對(duì)凈零能耗建筑的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：凈零能耗建筑；主動(dòng)和被動(dòng)技術(shù)；技術(shù)對(duì)比；系統(tǒng)評(píng)估

引言

據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心的《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2020》顯示，2018年全球建筑運(yùn)行占全球能耗的比例為30%，而我國(guó)的該比例為23%?？紤]到我國(guó)仍處于城鎮(zhèn)化建設(shè)時(shí)期，未來建筑的運(yùn)行能耗將占更大比例[1]。因此，降低能源消耗、推進(jìn)綠色節(jié)能技術(shù)正逐漸成為未來建筑領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。隨著凈零能耗概念不斷深入人心，越來越多的建筑設(shè)計(jì)者踐行這一理念。

一、案例比較

本章節(jié)會(huì)對(duì)中美多個(gè)氣候區(qū)域的凈零能耗建筑進(jìn)行深入比對(duì)，重點(diǎn)關(guān)注主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表1。當(dāng)對(duì)不同氣候區(qū)的示范建筑進(jìn)行橫向?qū)Ρ葧r(shí)，可以總結(jié)出以下兩點(diǎn)：（1）年綜合能耗目標(biāo)與建筑面積呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著建筑面積的增加，年綜合能耗目標(biāo)呈明顯下降趨勢(shì)。這種負(fù)相關(guān)的主要原因在于當(dāng)建筑面積增大時(shí)，建筑供冷供暖的能耗在單位面積上的分?jǐn)倳?huì)逐步降低；（2）目前的示范公共建筑集中在辦公和教學(xué)建筑。且由于建筑整體的規(guī)模普遍較大，存在著“凈零能耗區(qū)域”而非“凈零能耗建筑”的情況。

1.主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)主要針對(duì)的是與建筑使用、人員活動(dòng)相關(guān)的能耗設(shè)備。不同氣候區(qū)域項(xiàng)目選取的主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)有較明顯的不同，其中最主要的區(qū)別在于采取的冷熱源方式的不同。表2總結(jié)了各個(gè)對(duì)比的示范項(xiàng)目所采用的主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)：（1）在照明上，高效LED燈是大部分示范項(xiàng)目的首選，同時(shí)根據(jù)不同的項(xiàng)目配備了不同的照明控制裝置：對(duì)于功能區(qū)域獨(dú)立的部分采用分區(qū)控制。（2）在冷熱源選擇上，不同的示范項(xiàng)目根據(jù)各自所處的氣候區(qū)和建筑負(fù)荷選擇不同的技術(shù)。對(duì)于地?zé)豳Y源豐富的區(qū)域采用地源熱泵，對(duì)于干燥氣候區(qū)（例如甘肅蘭州）適宜蒸發(fā)冷卻機(jī)組，對(duì)于建筑周圍存在熱電廠、太陽能等廉價(jià)熱源的可優(yōu)先考慮外部熱源。在建筑需求能被滿足的情況下，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可以帶來更靈活的設(shè)備運(yùn)行。除去技術(shù)的選擇，在規(guī)劃冷熱源設(shè)備規(guī)模上，需要設(shè)計(jì)者對(duì)建筑的使用習(xí)性進(jìn)行預(yù)估，從全年的角度統(tǒng)計(jì)分析不同負(fù)荷程度的時(shí)間占比，合理分配各個(gè)機(jī)組的類型和裝機(jī)容量，避免長(zhǎng)期出現(xiàn)設(shè)備供應(yīng)能力遠(yuǎn)大于需求的情況。（3）在通風(fēng)上，很多項(xiàng)目都采用了熱回收機(jī)組。一些項(xiàng)目利用所在區(qū)域獨(dú)特的氣候條件，引入了具有特點(diǎn)的通風(fēng)模式，如四川成都項(xiàng)目的夜間通風(fēng)預(yù)冷、甘肅蘭州項(xiàng)目的新風(fēng)地道預(yù)熱預(yù)冷。在通風(fēng)這一項(xiàng)，美國(guó)西雅圖的布利特中心還引入了控制手段，通過對(duì)需求的感知控制通風(fēng)的程度。

二、我國(guó)建筑技術(shù)特點(diǎn)及比較

1.我國(guó)建筑技術(shù)特點(diǎn)

從中國(guó)凈零能耗示范建筑項(xiàng)目的現(xiàn)況來看，由于大多數(shù)示范建筑剛建成，缺乏實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，或已有運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公開度不足，暫時(shí)導(dǎo)致了示范建筑“信息孤島”現(xiàn)象。在未來，隨著凈零能耗建筑的投入使用，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可以進(jìn)一步反饋已有技術(shù)細(xì)節(jié)存在的缺陷，幫助設(shè)計(jì)者和研究者進(jìn)一步完善中國(guó)凈零能耗建筑技術(shù)體系。從技術(shù)角度來看，僅有個(gè)別項(xiàng)目探討了智能控制，但深度不足，仍然局限在建筑群控的角度，這是目前凈零能耗技術(shù)體系中較為缺失的一部分。

2.未來發(fā)展方向

根據(jù)我國(guó)建筑技術(shù)特點(diǎn)的討論和分析，本文認(rèn)為未來中國(guó)凈零能耗技術(shù)將會(huì)將更多的精力和研究集中在主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的升級(jí)上。圖1闡述了在凈零能耗建筑改造過程中不同技術(shù)領(lǐng)域能承擔(dān)的部分。在現(xiàn)有的普通建筑中，只存在能源的消耗（電力、燃?xì)獾龋┒淮嬖谀茉吹纳?，因此在普通建筑中能源使用?yán)重偏向支出（如圖1中實(shí)線部分所示）。為了盡可能實(shí)現(xiàn)建筑凈零能耗的目標(biāo)，參考西雅圖布利特中心的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[18]，可以通過被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)總節(jié)能潛力的50%，主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)總節(jié)能潛力的45%，其他節(jié)能措施實(shí)現(xiàn)5%，再加入可再生能源技術(shù)，最終達(dá)到凈零能耗收支平衡的目標(biāo)。在主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)中，通過基礎(chǔ)建筑群控技術(shù)（包括照明系統(tǒng)的聲光控制、區(qū)域控制，能源設(shè)備的基本群控等）可以實(shí)現(xiàn)總節(jié)能潛力的25%，通過更加智能化的AIoT控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)總節(jié)能潛力的20%。AIoT技術(shù)是近年來隨著人工智能(AI)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)不斷發(fā)展而興起的更加智能化的設(shè)備控制技術(shù)。它基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)控制對(duì)象的全方位感知，利用人工智能算法根據(jù)建筑實(shí)時(shí)需求改變?cè)O(shè)備控制參數(shù)，從而做到在建筑負(fù)荷較低的時(shí)段調(diào)整制冷設(shè)備的溫度設(shè)定，關(guān)閉不需要的末端設(shè)備，在負(fù)荷較高的時(shí)候?qū)ふ蚁到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的組合最優(yōu)值。這樣的AIoT控制技術(shù)打破了原有的依賴運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定方式，更多通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

三、結(jié)語

推進(jìn)建筑的凈零能耗，能夠極大地促進(jìn)建筑節(jié)能減排，進(jìn)而減輕建筑能耗對(duì)全球變暖產(chǎn)生的不利影響。本文通過中美典型氣候區(qū)凈零能耗示范項(xiàng)目的資料和數(shù)據(jù)，在不同技術(shù)維度上橫向比較各項(xiàng)主動(dòng)式和被動(dòng)式建筑技術(shù)，分析目前凈零能耗建筑技術(shù)在我國(guó)落地的重點(diǎn)、難點(diǎn)和不足點(diǎn)，并以此為依據(jù)提出了對(duì)未來我國(guó)凈零能耗建筑技術(shù)體系的展望。目前我國(guó)已將近零能耗建筑被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)推廣應(yīng)用到凈零能耗建筑中，但在主動(dòng)式節(jié)能方面仍缺乏以AIoT為基礎(chǔ)的智能化控制，未來可在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。

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