文-本刊記者-陳向國 劉京佳
超低能耗建筑是建筑未來的發(fā)展趨勢和推動碳達峰、碳中和的重要方式之一。近年來,北京市把大力推廣超低能耗建筑作為建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳的重要內(nèi)容,通過政策宣講、技術(shù)推廣、調(diào)研培訓、標準引領(lǐng)、精準施策、示范獎勵、強化監(jiān)督等多措并舉,使得超低能耗建筑已達到一定規(guī)模,類型涵蓋城鎮(zhèn)居住建筑、公共建筑、農(nóng)宅等,取得了良好的示范效應(yīng)。
近日,由北京節(jié)能環(huán)保中心、節(jié)能與環(huán)保雜志社和北京能源學會共同舉辦的“超低能耗建筑技術(shù)助力北京碳中和可再生能源專場暨第31期北京市綠色發(fā)展及碳達峰碳中和大宣講”,多位專業(yè)技術(shù)人員的分享,就是一場專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗交流、推廣活動。
在實現(xiàn)建筑超低能耗過程中,太陽能、地熱能等可再生能源技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮越來越大的作用——可再生能源“賦能”建筑超低能耗??稍偕茉磳ㄖ?jié)能降碳作用的發(fā)揮離不開光伏組件建筑一體化(BIPV)。BIPV近些年來迅速成為建筑行業(yè)的新賽道。為進一步了解相關(guān)情況,本刊采訪了光伏組件建筑一體化企業(yè)英利集團旗下保定嘉盛光電科技股份有限公司(簡稱“英利嘉盛”)總經(jīng)理張翼飛,將他的看法與“北京市綠色發(fā)展及碳達峰、碳中和大宣講”專業(yè)技術(shù)人員的觀點結(jié)合,深探可再生能源“賦能”建筑超低能耗之效。
從華清榮益建造運行的北京城市副中心智慧能源保障中心及英豪陽光北京大興區(qū)大辛莊中學冬季供暖改造項目的運行來看,太陽能、地熱能的充分有效利用是實現(xiàn)建筑本身、運行過程中節(jié)能降碳的有效途徑。
國內(nèi)能源行業(yè)首個“近零能耗”建筑是北京城市副中心智慧能源保障中心(通州河東5號調(diào)峰熱源工程配套輔助樓)。該中心面積5200平方米,集客服、應(yīng)急搶修、調(diào)度功能于一體?!霸擁椖靠稍偕茉蠢寐蔬_73%;建筑本體節(jié)能率達80%。單位建筑二氧化碳排放量從三步節(jié)能建筑的每年每平米78千克降低至4千克。”華清榮益技術(shù)主管孫志亮介紹說。據(jù)悉,該建筑已經(jīng)取得近零建筑認證、綠建三星建筑認證、超低能耗建筑認證。
孫志亮說,之所以取得這樣的成績,是因為該建筑采取了“被動優(yōu)先+主動優(yōu)化+可再生能源輔助”的技術(shù)體系。
“本項目從兩方面實現(xiàn)該建筑節(jié)能降碳。一是從圍護結(jié)構(gòu)、屋面系統(tǒng)、地面保溫系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等方面完善建筑主體結(jié)構(gòu)熱工性能技術(shù)升級;二是從低能耗樓宇設(shè)備、暖通空調(diào)系統(tǒng)、樓宇智慧運維管理系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)耦合實現(xiàn)按需供能的超低能耗調(diào)度系統(tǒng)?!痹诳稍偕茉蠢梅矫?,孫志亮介紹說,“項目總冷負荷340千瓦,總熱負荷240千瓦?;诒卷椖拷隳芎哪繕撕褪痉缎б?,充分考慮項目基礎(chǔ)條件和業(yè)主意向,對本項目冷熱源系統(tǒng)配置方案進行論證。根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》,能源系統(tǒng)設(shè)置時遵循的原則為供暖空調(diào)冷源與熱源應(yīng)根據(jù)建筑物規(guī)模、用途、建設(shè)地點的能源條件、結(jié)構(gòu)、價格以及國家節(jié)能減排和環(huán)保政策的相關(guān)規(guī)定等,通過綜合論證確定?!?/p>
在論證的基礎(chǔ)上,該智慧能源保障中心冷源、熱源需求供給如下:
冷源。地源熱泵制冷量164千瓦,供回水溫度16/21℃;空氣源熱泵制冷量6 7千瓦,供回水溫度16/21℃;蓄冷罐13 0 m3,蓄熱量1200千瓦時。熱源。地源熱泵制熱量174千瓦,供回水溫度33/38℃;空氣源熱泵制冷量69千瓦,供回水溫度33/38℃;蓄熱罐130m3,蓄熱量1200千瓦時?!翱稍偕茉吹睦糜辛χ瘟嗽擁椖砍湍芎慕ㄖ繕说膶崿F(xiàn)?!睂O志亮強調(diào)說。
“太陽能跨季節(jié)儲熱+地源熱泵系統(tǒng)是結(jié)合我國北方地區(qū)用熱特點,將太陽能光熱技術(shù)、淺層地源熱技術(shù)和土壤儲熱技術(shù)有效融合的一種新型清潔采暖解決方案,很好地達到土壤的冷熱平衡,從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全,可有效解決我國大部分地區(qū)農(nóng)村城市的采暖問題。該系統(tǒng)解決方案具有無排放、節(jié)能、環(huán)保的特點,可有效解決我國北方地區(qū)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和新農(nóng)村建設(shè)的采暖問題?!庇⒑狸柟饧夹g(shù)總工曹瑞堂介紹說。
據(jù)悉,該系統(tǒng)可實現(xiàn)冬季采暖、夏季制冷、日常生活熱水三大功能。曹瑞堂說,“利用土壤儲熱,實現(xiàn)太陽能資源跨季節(jié)儲存。充分利用太陽能資源存儲于土壤中用于冬季采暖,平衡土壤熱量運行過程中無任何排放,不會產(chǎn)生粉塵、氮氧化合物污染。即使在夏季,產(chǎn)生的熱量也將得到儲存,不會產(chǎn)生‘熱島效應(yīng)’。”除此之外,還有兩項優(yōu)點。“一是運行穩(wěn)定,運行費用低??缂竟?jié)儲熱技術(shù)不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行,而且長期運行后,隨著太陽能儲存的熱量逐漸增加,系統(tǒng)運行費用將逐漸減少,逐漸實現(xiàn)全太陽能供暖。二是自動運行,管理方便。由于本系統(tǒng)為全自動智能控制,故系統(tǒng)本身自行管理,末端自動溫控,可實現(xiàn)室內(nèi)溫度恒定,不會因外界環(huán)境變化造成室內(nèi)溫度大幅變動。本技術(shù)入選《北京市2018年節(jié)能低碳技術(shù)推薦目錄》,榮獲北京市科學技術(shù)獎三等獎、河北省建設(shè)行業(yè)科學技術(shù)進步獎一等獎?!辈苋鹛谜f。
應(yīng)用實效如何?曹瑞堂以北京大興區(qū)大辛莊中學冬季供暖改造項目為例予以說明。據(jù)介紹,大辛莊中學位于大興區(qū)禮賢鎮(zhèn),總建筑面積3631平方米,包括教室、辦公室、會議室、活動室等。本項目于2015年改造完成并投入使用。 改造前,業(yè)主提出三項要求。一是保證效果,冬季室內(nèi)溫度達到北京市采暖標準18℃。二是節(jié)能減排,系統(tǒng)運行不能產(chǎn)生排放。三是系統(tǒng)安全、靜音,不能影響正常上課。
“改造前,該建筑用小型燃煤暖氣鍋爐帶暖氣片采暖,專人值守操作——一人同時值守13個鍋爐,夏季室內(nèi)安裝電風扇降溫,全校集中生活熱水供應(yīng)。年用煤量為36噸/爐,且會出現(xiàn)需要熱量的時候溫度低,如早晨、陰雪降溫天;同時,校園煤煙嚴重。室內(nèi)溫度在10℃左右。改造后,校園中用于冬季采暖的煤堆和鍋爐房、用于夏季制冷的空調(diào)室外機、房頂用洗浴的太陽能單機均被新的集成系統(tǒng)取代。校園環(huán)境變得整潔、衛(wèi)生。更重要的是,二氧化碳、碳氧化物、硫化物、粉塵零排放。也就是說,本項目用跨季節(jié)儲熱技術(shù)完全代替采暖燃煤一項,即每平方米采暖面積每年可減少燃煤消耗100千克,即減排二氧化碳260千克,完全避免使用燃煤采暖導致的PM2.5污染。該校學校每年共可減排二氧化碳545噸、二氧化硫1.8噸、氮氧化物1.5噸?!辈苋鹛媒榻B說,“改造前,使用燃煤每平米50元到53元,且不含人工費用,室溫8~12℃;改造后,16~25元,室內(nèi)全天恒溫21~22℃。跨季節(jié)儲熱技術(shù)是目前解決新農(nóng)村、公共建筑采暖問題最佳的清潔能源供暖方案?!?/p>
“一方面,光伏綠色建材首先是建材,需要同時滿足光伏行業(yè)和建筑行業(yè)兩個行業(yè)的標準和要求。另一方面,在發(fā)電效率和減排效果方面,隨著國內(nèi)光伏技術(shù)的發(fā)展,光伏綠色建材的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量也在不斷提升?!睆堃盹w對記者說。的確,近些年,光伏行業(yè)不能與建筑融為一體的難題已經(jīng)被破解——英利嘉盛等企業(yè)走到了前列。得能瓦技術(shù)也取得了突破。
回顧我國BIPV的發(fā)展歷程,我國最早的晶硅光伏綠色建材誕生于2007年。當時國內(nèi)首個BIPV項目——保定電谷國際酒店要應(yīng)用一批能發(fā)電的玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃,為此誕生了我國首塊晶硅全玻光伏發(fā)電玻璃。
保定電谷國際酒店
自此之后一段時間內(nèi),由于市場不明朗,光伏綠色建材進入市場拓展的瓶頸期,但相關(guān)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)并沒有停止。據(jù)張翼飛介紹,2007年以來,我國的光伏綠色建材在外觀、技術(shù)路線等方面經(jīng)歷了12次更新迭代。2019年,全球首款曲面晶硅光伏黛瓦誕生;2020年,國內(nèi)首款色彩化、紋理化晶硅光伏綠色建材面世,晶硅產(chǎn)品終于突破外觀限制,在色彩、紋理、造型等方面實現(xiàn)了巨大突破,既能發(fā)電,又能美化建筑,成為新一代“能發(fā)電的城市建筑美容師”。“在這個過程中,英利嘉盛的技術(shù)研發(fā)水平也實現(xiàn)突飛猛進的發(fā)展,截至目前,英利嘉盛獲得相關(guān)專利294項,標準16項,成為首個主編BIPV領(lǐng)域國際標準的中國企業(yè),專利數(shù)量、標準數(shù)量均位居行業(yè)第一?!睆堃盹w說。
很顯然,光伏綠色建材具有雙重屬性。“光伏綠色建材首先是建材,需要同時滿足光伏行業(yè)和建筑行業(yè)兩個行業(yè)的標準和要求?!睆堃盹w表示,截至目前,英利嘉盛的光伏綠色建材——新型晶硅光伏綠色建材已經(jīng)通過了光伏行業(yè)及建筑行業(yè)共計超過30項認證和測試,能做到與建筑同壽命。在發(fā)電效率和減排效果方面,隨著國內(nèi)光伏技術(shù)的發(fā)展,光伏綠色建材的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量也在不斷提升。以北方地區(qū)為例,如果安裝在立面,每平方米光伏綠色建材每年可發(fā)電145度左右,相當于減排二氧化碳144千克。
“由于這種新型晶硅光伏綠色建材與建筑具備高適配性,且具備優(yōu)異的發(fā)電性能,因此一經(jīng)推出,就獲得市場高度認可,應(yīng)用在了很多優(yōu)質(zhì)項目上。比如,最近剛剛完工、即將投入運營的上海首個零能耗建筑——上海招商璀璨城市零碳展館,就使用了英利嘉盛最新的青磚系列。張翼飛自豪地說,產(chǎn)品與建筑銀白色外觀渾然一體,大氣協(xié)調(diào)美觀,且兼顧節(jié)能及發(fā)電效果。此外,英利嘉盛的晶硅光伏綠色建材還用到了全球最高、最大、最智能的零能耗政府建筑——迪拜水電局新總部大樓,亞洲最大高鐵站——雄安高鐵站,國家級零碳示范村——四川攀枝花混撒拉村,光儲直柔示范項目——山西新源智慧運行總部,光伏+漢文化建筑——天漢大劇院等一批國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)的超低能耗、甚至零能耗建筑上。截至目前,英利嘉盛的光伏綠色建材累計應(yīng)用面積超過70萬平方米,相當于每年為全球建筑減排二氧化碳近10萬噸、降耗5.5%。
“從建筑行業(yè)碳中和實現(xiàn)路徑來看,光伏綠色建材不但可以有效節(jié)能減排,還是調(diào)整建筑用能結(jié)構(gòu)的必由之路,是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要一環(huán)。隨著國家鼓勵綠色建材促進建筑品質(zhì)提升的試點工作進行,相信光伏綠色建材必將從公共建筑走向民用建筑,助力建筑碳中和早日實現(xiàn)?!睆堃盹w總結(jié)說。
得能瓦是北京瓦得能科技有限公司經(jīng)過4年研發(fā)的產(chǎn)品。據(jù)該公司董事長王欣榮介紹,得能瓦不僅具有建筑瓦的基本屬性,還具備生產(chǎn)熱能、提高光伏組件發(fā)電效率和給建筑加熱和冷卻功能,是對建筑材料應(yīng)用的一項偉大創(chuàng)新。
“得能瓦/板是利用高分子材料復合生產(chǎn)的中空屋面瓦和外裝飾墻面板,瓦或板面層是共擠的吸熱涂層,瓦或板內(nèi)的介質(zhì)通過設(shè)計的流道采集傳遞熱量(產(chǎn)能),通過換熱器實現(xiàn)屋面溫度調(diào)節(jié)(節(jié)能);光伏組件可以直接鋪設(shè)在該瓦或板上,解決太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽熱水系統(tǒng)不能建筑一體化的世界難題。得能瓦/板技術(shù)系統(tǒng)能與空氣源熱泵系統(tǒng)有機結(jié)合,可形成多能互補清潔能源解決方案?!蓖跣罉s說。
“太陽能光伏光熱得能瓦組件利用專業(yè)技術(shù)把柔性晶硅組件復合在液體流道得能瓦(板)表面;組件發(fā)電時背板產(chǎn)生的熱量加熱流道內(nèi)的介質(zhì),同時起到給光伏電池降溫作用,提高光伏組件發(fā)電效率;該系統(tǒng)光伏陣列面積約為40平方米,正南朝向坡度為10度,每10塊組件形成一個組串,共7串,總裝機容量為4.37千瓦,經(jīng)匯流箱匯流后進入5千瓦逆變器(因系統(tǒng)耦合3P水源熱泵,為保證熱泵的正常運行采用兩臺逆變器并機運行模式),輸出220伏電源為用電設(shè)施供電,自發(fā)自用,余電采用8塊12V120AH鉛酸蓄電池儲能,形成離網(wǎng)系統(tǒng)加有市電互補的光伏儲能系統(tǒng)。多余的電能也可以用來加熱水備用?!蓖跣罉s介紹太陽能光伏光熱PVT得能瓦系統(tǒng)工作原理時說。
具體而言,PVT得能瓦系統(tǒng)集熱供暖系統(tǒng)是如何實現(xiàn)供暖的呢?
王欣榮介紹:在非供暖季,太陽能光伏光熱PVT得能瓦集熱水箱與地埋水箱換熱蓄熱,水源熱泵制冷產(chǎn)出的余熱與地埋水箱換熱。在供暖季,分太陽能得熱量充足與否兩種情況。太陽能得熱量充足時,集熱水箱溫度達到供熱溫度要求時,直接供末端采暖。太陽能得熱量不足時:一是集熱水箱水溫大于25℃小于供熱溫度時,集熱水箱與地埋水箱換熱,地埋水箱為水源熱泵提供熱源,加熱緩沖水箱中的水供末端采暖;二是集熱水箱水溫大于12℃小于25℃時,集熱水箱為水源熱泵提供熱源,加熱緩沖水箱中的水供末端采暖。當集熱水箱小于12℃時,地埋水箱為水源熱泵提供熱源,加熱緩沖水箱中的水供末端采暖。
目前,利用可再生能源節(jié)能降碳的途徑比較多——趨勢是融合、耦合發(fā)展?!暗媚芡呒夹g(shù)系統(tǒng)為復合的、新型建筑材料和現(xiàn)有的清潔可再生能源技術(shù)進行整合提供了可能?!蓖跣罉s說。
根據(jù)住建部發(fā)布的國家標準《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》,2022年4月1日起,空氣源熱泵系統(tǒng)正式位列全國承認的可再生能源行列。此前,空氣源熱泵系統(tǒng)已有多年實踐應(yīng)用,但并未納入全國承認的可再生能源隊列,因而享受不到政府的專項財政補貼等的優(yōu)惠政策。4月1日起,它將和太陽能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)一樣享受可再生能源的相關(guān)政策紅利。
北京市從2013年起,正式啟動了農(nóng)村地區(qū)“減煤換煤清潔空氣”專項行動。截至2018年,北京平原地區(qū)基本實現(xiàn)無煤化。數(shù)據(jù)顯示,在北京“煤改清潔能源”的2279個村莊中,實施“煤改電”村莊有1822個,占比80%。而在各煤改電取暖設(shè)備中,空氣源熱泵更受北京煤改電用戶青睞。2016年北京“煤改電”19.9萬戶,其中空氣源熱泵15.1萬戶,占總改電戶數(shù)的75.8%。到了2017年,北京“煤改空氣能熱泵裝機總量就達到30.2萬臺,市場占比居所有品類之首。2018年北京電采暖用戶已突破120萬戶,空氣源熱泵采暖用戶數(shù)60萬戶以上??諝庠礋岜弥愿鼙本懊焊碾姟鼻嗖A,因為空氣源熱泵通過“逆卡諾”原理,把空氣中低溫熱能轉(zhuǎn)為高溫熱能,再給室內(nèi)供暖。它靠少量電能驅(qū)動,不用燃氣燃煤,無廢氣排放,能效比高,與其他電采暖設(shè)備相比,更加節(jié)能、高效、環(huán)保和安全。更重要的是,北京政府對煤改空氣源熱泵的補貼力度比較大,減輕了居民的費用負擔。
《2018年北京市農(nóng)村地區(qū)村莊冬季清潔取暖工作方案》規(guī)定,“實施‘煤改電’項目,可選擇使用空氣源熱泵等清潔能源取暖設(shè)備,改造方式可以選擇單戶改造或集中改造。對使用空氣源熱泵、非整村安裝地源熱泵取暖的,市財政按照采暖面積每平方米100元的標準進行補貼?!北本└鲄^(qū)縣根據(jù)實際予以落實,比如,延慶區(qū)在《2019年農(nóng)村地區(qū)村莊冬季取暖工作實施方案》明確空氣源熱泵補貼政策。市級財政按住戶采暖面積每平方米100元進行補貼,每戶最高不超過1.2萬元;區(qū)級財政在市級財政補貼后,按設(shè)備型號中標價格據(jù)實補貼,最高補貼1.2萬元。
據(jù)了解,2021年底,北京市發(fā)展改革委批復2021年第二批“煤改電”工程資金申請報告,涉及昌平區(qū)果莊村、王莊村東莊2個村共794戶。改造結(jié)合實際地理地貌,共新裝、更換柱上變壓器15臺,新裝電表794臺,新建電纜井2座,架設(shè)絕緣線約50.5千米,敷設(shè)電纜約22千米,新立電桿239基,近800戶山區(qū)居民家里用上了空氣源熱泵取暖,告別了往年燃煤取暖的諸多不便。實施清潔取暖改造后,鄉(xiāng)村環(huán)境和居民生活品質(zhì)獲得了整體提升。
下一步,北京市發(fā)展改革委將繼續(xù)支持山區(qū)居民煤改清潔能源,進一步優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)。
四季沐歌技術(shù)部經(jīng)理范惠捷介紹說,空氣源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于家用、商用、水產(chǎn)畜牧養(yǎng)殖、種植領(lǐng)域,75%的功用是供暖,因而要“聚焦75%采暖市場,抓住規(guī)模性,而建設(shè)運營分布式能源站是其核心技術(shù)路徑?!苯ㄔO(shè)一個能源站產(chǎn)品占30%,系統(tǒng)設(shè)計占40%,安裝運維占30%?!耙粋€好的能源站三部分都需要做好?!?/p>
范惠捷對空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方法與技巧做了詳細講解,并給出了各階段的核心要點。
第一,項目勘察階段。
一定要關(guān)注原有變壓器歸屬及電費掛鉤的問題,歸屬不同,價格不同,關(guān)乎運行費用;運營年限和許可涉及到投入和產(chǎn)出的差值利潤問題;供暖管網(wǎng)質(zhì)量、分布、責任劃分涉及到運行費用的問題;舊改項目,需要與之前運行繳費情況進行數(shù)據(jù)分析,套內(nèi)面積還是建筑面積;政府承諾保底政策,如繳費率保底等,要簽入?yún)f(xié)議,不足該如何補償;能源價格需要明確水費、電費、燃氣費等。
在項目勘察階段,機組放置位置選擇應(yīng)得到足夠的重視。不要將能源站選擇放置在非供暖建筑周圍空地上;居民建筑低于50米的情況下,應(yīng)注意降噪;注意放置位置的使用年限和費用歸集問題,要有書面資料;若放置屋頂,需要考慮隔振、降噪和承重、電力等問題。
第二,設(shè)計階段。
一是要關(guān)注總費用。能源選擇上考慮采用耦合設(shè)計,讓生命周期投資最低;設(shè)計盡量用軟件精準核算,有條件的自行開發(fā),無條件的可直接購買。
二是噪音解決方案。總的要求是滿足國家標準。系統(tǒng)級別的降噪建議采用先預算、后設(shè)計和實施的方式精準降噪;降噪預算金額一般控制在3~8元/平方米;除設(shè)備降噪外(如熱泵、水泵),還需要關(guān)注系統(tǒng)降噪的問題;最好的降噪方式是遠離人群。
三是架空問題??諝庠礋岜貌贾眯枰紤]間距及高度問題,保證設(shè)備運行的通氣量,避免多列出現(xiàn)結(jié)霜、冷島等問題。
第三,運營階段。
對于用戶偷水問題,需要在系統(tǒng)控制方面可查可控,加強循環(huán)水的不可用性;供熱和停熱可控,避免不必要的運行費用支出;設(shè)備一定要有機房和圍擋,機房無人要上鎖,注重安全和避免不必要的損失;房間設(shè)計標準溫度18℃,用戶需求不一致,要在 20℃以上方可;運營是可以賺錢的,一定要與社區(qū)物業(yè)公司處理好關(guān)系。
“通過系統(tǒng)級設(shè)計、智能控制和專業(yè)運維,可以做到更有效的節(jié)能,在配合合理情況下,一個系統(tǒng)節(jié)能空間在15%~20%?!狈痘萁?,用實例證明了空氣源熱泵耦合能源站對建筑節(jié)能降耗的明顯功效。