风光发电系统在低能耗建筑中的应用浅析

伍银波，刘德林

(1.广东技术师范学院；2.许昌许继风电科技有限公司)

1 引言

建筑是能耗大户，仅运行能耗就已接近社会总能耗的1/3。自20世纪70年代初期石油危机以后,建筑节能已成为世界性的大趋势。欧美等发达国家国家总能耗的1/3都是被建筑能耗占有的,在能源危机背景下,建筑节能之风掀起了高潮。随着建筑节能研究的深入，“零能耗”建筑[1]逐渐引起了世界各国的关注，类似的还有“近零能耗建筑”、“无源建筑”等概念。从零能耗建筑概念提出至今已近40年，然而其涵义并未统一，各个国家的提法也略有不同。但其总体目标都是尽可能降低建筑的运行能耗，达到节约能源的目标，国内对该类建筑多统称为低能耗建筑。

为了达到低能耗、甚至零能耗的目标，建筑在设计和运行过程中都需要采用一系列的技术措施。这些技术大体可以分为围护结构节能设计和新能源多能互补利用技术两大类，新能源利用技术在未来几十年都将是建筑节能的研究热点。

2 国内外研究现状分析

2.1 国内研究现状分析

2016年7月 27日，由中国建筑科学研究院会同河北省建筑科学研究院主编的国家标准《近零能耗建筑技术标准》编制组成立暨第一次工作会议在中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院召开[2]。标志国内对低能耗建筑技术的重视程度已提升至国家层面，有了国家标准后，技术应用和设计就有了参考准则。

2016年7月4日，国家发展改革委和国家能源局联合发布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》发改能源[2016]1430号[3]。该意见提倡大力建设集成供能系统、多能互补系统，鼓励天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式实现多能互补和协同供应。

低能耗建筑所用的节能技术本质上正是一种利用了太阳能、风能、地热等可再生能源技术构成的分布式智能微网，对其开展研究复合国家政策建议。李慧星等[4]通过Dest软件数值模拟了严寒地区近零能耗建筑与常规建筑空调能耗，结果表明近零能耗建筑冬季供暖负荷比常规建筑节能73. 7%，全年综合节能率达到55. 2%，仅空调系统一项就有巨大的节能潜力；李怀等[5]通过现场实测探讨了近零能耗建筑地源热泵系统运行特性，结果表明在严寒地区 近零能耗建筑中，夏季运行工况的过程，地源热泵系统可以提供53%的冷负荷，而冬季运行工况中，地源热泵可以提供97%的热负荷，几乎满足了近零能耗建筑中全部供暖需求；张时聪等[6]分析了国际典型近零能耗建筑示范工程技术路线，最终得出近零能耗建筑中广泛应用的技术主要包括高性能保温结构、光伏系统、太阳能热水系统及热泵可再生能源应用系统等。

2.2 国外研究现状分析

国外近零能耗建筑技术起步早且发展较为迅速，其中德国的“被动房”相关研究更为活跃[7]。国外研究得出的主要结论有：

1）Trombe 墙是一种使用太阳能有效的手段，能够为 Belgrade 地区的被动房设计提供有利的手段[8]。

2）通风空调系统可再生能源系统及建筑储能系统直接制约着近零能耗建筑运行的性能指标[9,10]。

3）三层 Low-E玻璃所占外墙比例最高为 25%，同时外墙的传热系数不超过 0. 16 W/ ( m2·K) 才能满足 Estonian地区的超低能耗需求[11]。

4）高性能保温结构热泵技术和太阳能热水系统在被动式住房中应用较多，其次是自然采光遮阳系统以及被动通风等被动式技术[12]。

5）近零能耗建筑的设计中，太阳能技术、机械通风热回收技术、建筑遮阳技术以及免费供冷等技术使用比例相对较高[13]。

3 建筑节能与风能、光能的利用

3.1 建行组节能技术分类

建筑节能管理涵盖建筑设计、运行和维护等整个生命周期，而节能的技术和途径主要包括维护结构节能、设备节能和新能源利用三个方面。

其中维护结构节能主要是涉及外墙、屋面、门窗等，和材料关系密切。典型代表有外墙外保温、外墙内保温、外墙自保温、外墙夹芯保温、屋面保温隔热、门窗保温隔热等技术。

设备节能技术主要是对建筑内部环境调节、照明、电梯、供水等用电系统进行优化控制，提高能源利用率、避免不必要的浪费，从而达到节能的目的。

可再生能源利用节能则是利用太阳能、风能、沼气、热泵应用、夜间天空冷资源等能源形式，补充或者降低建筑自身能源消耗。综合各种节能技术，是完全可以达到建筑能源消耗自给自足的情况，即实现零能耗建筑。

3.2 风光能利用技术

从目前国内一些低能耗建筑工程案例来看，能源利用技术出现频率最高就是太阳能和风能。而离网型小型风光互补发电系统具有灵活性高，施工调试周期短，非常适合作为建筑的补充能源。

小型风光系统还能够结合地区气候特点进行灵活配置，对既有大型公共建筑的节能改造也具有重要意义。对于耗能高的公共建筑，其投资回报周期短，能显著节约能源。

4 零能耗建筑发展趋势

目前国内明确提出的是近零能耗建筑，不过零能耗建筑的呼声已经越来越高。一般认为零能源建筑(zero energy consumption buildings)，是不消耗常规能源建筑，完全依靠太阳能或者其它可再生能源。

国内出现了很多示范工程，这些功能在设计阶段就充分考虑当地气候、运行条件等诸多因素，尽可能降低运行能耗，同时利用可再生能源进行补充。例如中国建筑科学研究院设计示范楼能源消耗约为约23.5kW·h/(m2·a)，该楼曾在2016年世界绿色建筑最佳案例评审中获得第三名，代表国内目前最高水平，电能补充主要靠自发自用的太阳能光伏系统。

2017年7月24日，《中国超低/近零能耗建筑最佳实践案例集》发布会在中国建筑科学研究院召开，该案例收集包含住宅建筑和常见的公共建筑类型，地域涵盖我国大部分气候分区。为新建低能耗建筑提供了重要参考，可以预见国内将涌现大批高大上的近零能耗建筑。近零能耗的发展还需要加大标准引领及技术支撑，尤其是要加强发展风电技术和太阳能利用技术。

5 结束语

零能耗建筑和智慧建筑的重要内涵，是建筑主要发展趋势之一，国外已经走在前列。我国目前也已经非常重视，已出台相关政策和规范。建筑工程设计也会循序渐进地逐步从低能耗、超低能耗、近零能耗过度，最终实现零能耗的目标。

[1] Torben V．Dimensioning of the solar heating system in the zero energy house in Denmark[J]．Solar Energy,1977(19):195～199.

[2]孙峙峰.国家标准《近零能耗建筑技术标 准》启动会召开[J]. 暖通空调 ,2016(9):115～115.

[3]国家发展改革委,国家能源局. 关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见[EB]. [2016-07-04]http://www.sdpc.gov.cn/ gzdt/201607/t20160706_810658.html.

[4] 李慧星,张然,冯国会等．严寒地区近零能耗建筑与常规建筑空调能耗模拟对比分析[J].建筑节能,2015,43( 6):10～12.

[5]李怀,徐伟,吴剑林,等．基于实测数据的地源热泵系统在某近零能耗建筑中运行效果分析[J].建筑科学,2015,31( 06): 124-130.

[6]张时聪,徐伟,姜益强,等.国际典型零能耗建筑示范工程技术路线研究[J]．暖通空调, 2014,44( 1) : 52-59.

[7]徐伟,陈曦,张时聪等. 关于我国“近零能耗建筑”发展的思考[J].建筑科学 ,2016, 32(4):1～5.

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[10] Tommerup H,Rose J,Svendsen S.Energy-efficient houses builtaccording to the energy performance requirements introduced in Denmark in 2006［J］. Energy and Buildin gs,2007,39(10):1123-1130.

[11] Thalfeldt M,Pikas E,Kurnitski J,et al.Facade design principles for nearly zero energy buildings in a cold climate［J］.Energy and Buildings,2013,67: 309-321.[12] Musall E. Net zero Energy Solar Buildings: An Overview and Analysis on Worldwide Building Projects［EB /OL］.［2013-7-17］.http: / /www.nob.info / fileadmin /media /Projektbilder /EnOB /Thema_Nullenergie/EuroSun_Conference_Graz_2010_NetZero_Energy_Solar_Buildingsx.pdf.

[13] Marszal A J,Heiselberg P,Bourrelle J S,et al. Zero Energy Building － A review of definitions and calculation methodologies[J]. Energy and Buildings,2011,43( 4) : 971-979.