王東林/董維華/吳聞婧/孫 玲（天津市建筑設(shè)計院機電研發(fā)中心，天津 300074）

1 概述

近年來，隨著環(huán)境保護和節(jié)約能源的呼聲越來越高，使得零能耗建筑日益受到關(guān)注。零能耗建筑指的是建筑的零能源消耗，它通過各種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)能管理水平的提高，來增強人們的環(huán)保和節(jié)能意識。

零能耗建筑的面積通常不會太大，樓層不會太高，功能也不會太復(fù)雜，一般用于展示節(jié)能及環(huán)保等方面的技術(shù)和成果，不會具有很強的使用功能，如：生產(chǎn)或餐飲等功能。

零能耗建筑是指應(yīng)用到現(xiàn)場和用可再生能源的能量來運作的建筑，使一年中現(xiàn)場產(chǎn)生能量的凈額等于建筑所必須的能源凈額[1]。由于一年里不同時間段，建筑物所需能量與通過現(xiàn)場光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量二者并不一致，因此，零能耗建筑只有與電網(wǎng)交換能量才能達到凈能量的平衡。

下面以中新天津生態(tài)城——公屋展示中心項目為例，探討有關(guān)零能耗建筑的相關(guān)技術(shù)。本項目建筑面積3467m2，其中地上兩層3013m2，地下一層454m2，建筑高度15m。建筑功能為：公屋展示、銷售和房管部門辦公及有關(guān)檔案儲存等。

本項目按照零能耗建筑進行設(shè)計，通過被動式技術(shù)使建筑物能耗達到最小，主動式技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的高效率運行，利用太陽能和地熱能等可再生能源滿足建筑能源的需求，達到現(xiàn)場零能耗的可持續(xù)性運轉(zhuǎn)的示范作用。

為實現(xiàn)建筑零能耗采取了兩方面的技術(shù)手段：供電方面采用由光伏發(fā)電、鋰電池儲能等組成的微網(wǎng)系統(tǒng)；用電方面采用由各種控制技術(shù)組成的合理調(diào)節(jié)設(shè)備用能的控制系統(tǒng)。

2 零能耗相關(guān)技術(shù)

對于零能耗建筑，首先要考慮保障其正常運轉(zhuǎn)的能量來源，通常由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為其提供能源，而建筑物可以設(shè)置太陽能光伏電池板的區(qū)域非常有限，因此，選用電池板的首要問題就是確定建筑物的能耗。

2.1 建筑能耗分析

建筑能耗分兩種，一種是廣義建筑能耗，指的是從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗；另一種是狹義建筑能耗，指的是維持建筑功能所消耗的能量，包括照明、采暖、空調(diào)、電梯、熱水供應(yīng)、烹調(diào)、家用電器及辦公設(shè)備等的能耗。零能耗建筑使用的是狹義建筑能耗。

建筑能耗分析并非簡單的數(shù)值計算，它需要綜合建筑物可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜的用能情況。常采用IES軟件對建筑物的能耗進行分析模擬，其中的建筑環(huán)境，是由室外氣候條件、光照情況、室內(nèi)各種熱源的發(fā)熱狀況以及室內(nèi)外通風狀況所決定的。要滿足建筑物的舒適及使用要求，就必須對建筑環(huán)境的變化進行相應(yīng)的控制。由于建筑環(huán)境變化是由眾多因素所決定，因此只有通過計算機模擬分析的方法才能有效地預(yù)測出建筑環(huán)境在有和沒有控制時的能耗狀況，才能較準確和全面地給出建筑物內(nèi)相關(guān)設(shè)備的能耗。最后可以運用時間分類的方法對計算機、熱水器等設(shè)備及各房間能耗進行分析校核，最終確定建筑物的能耗。本項目的建筑物年能耗見表1。

表1 建筑物能耗計算分析結(jié)果

以上的分析計算結(jié)果是在采用了主動節(jié)能與被動節(jié)能技術(shù)（如：建筑圍護結(jié)構(gòu)、地道風、天然光導(dǎo)光系統(tǒng)等）以后得到的。對比于新加坡一所學(xué)校的技術(shù)培訓(xùn)樓，其建筑面積4500 m2，按照“零能耗建筑”進行改造，總能耗僅為45.8kWh/ m2.a。由此可見其能耗是非常低的。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的確定

以計算出的建筑物能耗作為選用光伏電池板的基本參數(shù)，根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源情況和建筑物可安裝電池板的面積確定光伏電池板的類型和相關(guān)參數(shù)。

（1）天津地區(qū)的太陽能資源情況

根據(jù)《天津市太陽能資源評估報告》，近30年來天津太陽總輻射特征，按照中國太陽能資源的區(qū)劃標準屬于ⅡC/X（5/7）h?？傒椛錇?977.6MJ/m2，可利用的太陽輻射為3880MJ/m2，占總輻射的65%；天數(shù)為199天，占全年的54.5%。

（2）本項目可以設(shè)置太陽能光伏電池板的區(qū)域有：建筑物的屋頂、立面和自行車棚等。

（3）安裝區(qū)域首先考慮屋頂，其次是自行車棚，最后考慮建筑物立面。電池板按照轉(zhuǎn)換效率最高的原則進行選擇（見表2），其安裝角度以總發(fā)電量最大為目標。

表2 相同安裝面積下的光伏電池發(fā)電量比較表

采用HIT210W光伏電池板需要在該區(qū)域鋪設(shè)1409塊，總裝機容量為295.89kWp，年發(fā)電量為299.24MWh/a。具體安裝數(shù)據(jù)見表3。

表3 光伏電池安裝參數(shù)

本項目的光伏發(fā)電量為299,240 kWh/a，而總能耗為252,716kWh/a。預(yù)留出不小于10%的不可預(yù)見量。對比于新加坡的技術(shù)培訓(xùn)樓，其光伏發(fā)電量為207,000 kWh/a，能耗為206100kWh/a。

在確定光伏發(fā)電系統(tǒng)時應(yīng)注意：

（1）遮擋分析：周邊建筑物對本建筑屋頂電池板的遮擋分析，建筑自身對電池板的遮擋分析，如：建筑物屋頂女兒墻、建筑物屋頂設(shè)備機房、突出屋面的設(shè)備等。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析：光伏組件參數(shù)、光伏方陣排列間距、光伏組件傾斜角度、光伏方陣模數(shù)、逆變器參數(shù)及配置情況、系統(tǒng)裝機容量、預(yù)計年發(fā)電量等。

（3）利用PVSYST軟件進行模擬分析計算：根據(jù)天津地區(qū)的經(jīng)度和緯度，通過模擬分析比較，獲取光伏組件利用效率最高的安裝傾角和安裝間距，并根據(jù)可用場地面積，設(shè)計合理的光伏組件方陣和逆變器，模擬計算出年光伏發(fā)電量。

（4）光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析：在可用場地面積和技術(shù)條件一定的前提下，以滿足零能耗建筑的用能需求為目標進行投資的分析比較。從表4的比較結(jié)果可以看出，采用轉(zhuǎn)換效率最高的光伏板其裝機容量和發(fā)電量是最高的，同時投資也是最高的。

表4 光伏電池板的靜態(tài)投資比較

2.3 微網(wǎng)及儲能技術(shù)

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受外部環(huán)境氣候影響較大，其發(fā)電量并不穩(wěn)定，與建筑物的用能情況并非一一對應(yīng)，因此，必須采用與外電網(wǎng)并網(wǎng)運行的方式，才能實現(xiàn)建筑物用能平衡。

本項目采用由光伏發(fā)電、鋰電池儲能及負荷構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)。

微網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)其規(guī)模的大小分為，低壓微網(wǎng)系統(tǒng)、饋線級微網(wǎng)系統(tǒng)和變電站級微網(wǎng)系統(tǒng)。由于本項目是基于用戶的接入模式接入到配電變壓器的400V側(cè)，因此采用低壓微網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3.1 低壓微網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。本項目低壓微網(wǎng)組建模式如圖1所示。將所有光伏發(fā)電和重要負荷接入到400V交流母線M1，并配置一定規(guī)模儲能裝置，共同組成低壓微網(wǎng)。通過微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)與400V母線M2的連接。微網(wǎng)范圍為圖1中紅色橢圓部分，具體要求如下：

（1）在光伏電池和負荷的出口處分別設(shè)置斷路器（B1～ B6，必須具有過載保護），通過微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入400V母線M2。

（2）微網(wǎng)所包括的斷路器均由微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，并確保在斷路器下級設(shè)備發(fā)生故障時動作，在上級發(fā)生故障時不動作。

（3）在外部電網(wǎng)故障時，關(guān)斷電源逆變器和全部微網(wǎng)負荷，斷開微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。隨后微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)控制儲能放電，閉合重要負荷的回路，建立微網(wǎng)電壓。微網(wǎng)電壓建立后，根據(jù)微網(wǎng)運行需要，逐步投入剩余負荷，微網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)模式。以儲能為主控單元，以光伏發(fā)電為輔助控制單元，孤網(wǎng)運行。

（4）在微網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備發(fā)生故障或進行檢修時，斷開相應(yīng)斷路器。

2.3.2 鋰電池儲能

鋰電池儲能具有利用峰谷電價，調(diào)節(jié)用電的功能，但在微網(wǎng)中主要還是穩(wěn)定系統(tǒng)的運行。儲能功率在配置時不應(yīng)小于重要負荷的用電量；同時還應(yīng)滿足在孤網(wǎng)運行時，電網(wǎng)電壓、頻率的控制需求；在并網(wǎng)運行時，儲能發(fā)揮一定的功率控制作用；電池的容量按照光伏發(fā)電量與建筑物能耗差值最大的月份來確定。儲能系統(tǒng)配置基于以下條件：

（1）光伏出力曲線；

（2）在孤網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)按30%初始容量計算，通過儲能放電（滿放）保證重要負荷持續(xù)工作2h；

（3）在并網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)按25%～85%容量進行控制，控制一天不超過一次充放電循環(huán)。

2.4 能耗控制

零能耗建筑正常運轉(zhuǎn)不僅需要足夠的可再生能源——光伏發(fā)電，同時，還需要通過主動節(jié)能的各種措施，合理調(diào)節(jié)設(shè)備用能需求，降低建筑物的總能耗。

2.4.1 智能照明控制系統(tǒng)

照明用電在建筑中占有一定的比重，照明是否控制得好對照明能耗影響較大。本項目采用KNX/DALI數(shù)字化照明技術(shù)。要求所有辦公區(qū)域的熒光燈配置具有DALI數(shù)字通信接口的高頻電子鎮(zhèn)流器，LED燈配置具有DALI數(shù)字通信接口的變壓器。每個鎮(zhèn)流器、變壓器都通過數(shù)字尋址通信。其主要控制功能：

（1）每個光源作為一個獨立的通信對象，可以分別訪問和控制；

（2）光源和鎮(zhèn)流器狀態(tài)信息可實時通過總線傳至弱電機房的主機；

（3）熒光燈和LED調(diào)光可實現(xiàn)由1%～100%的亮度調(diào)節(jié)；

（4）設(shè)置集亮度感應(yīng)、恒照度控制和人體感應(yīng)于一體的吸頂式感應(yīng)器；

（5）根據(jù)室外光線的變化，通過DALI總線對每個燈具進行斷開或調(diào)光控制。

2.4.2 空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)

暖通空調(diào)系統(tǒng)消耗的能量在建筑物內(nèi)占有相當大的比重?？照{(diào)設(shè)備包括：地源熱泵、空調(diào)機組、新風機組、排風機、機房空調(diào)等。通過對空調(diào)設(shè)備的節(jié)能控制，可以提高空調(diào)設(shè)備的運行效率，降低運行能耗。其主要控制功能：

（1）直流無刷風機盤管采用聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)自帶溫度傳感器。不僅可以利用現(xiàn)場的溫控器實現(xiàn)對盤管的電動閥和風機的控制，也可從后臺主機對盤管進行統(tǒng)一監(jiān)控。

（2）根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器與后臺設(shè)定的溫度相比較，通過控制模塊自動調(diào)節(jié)地板采暖系統(tǒng)分配器上電動閥的開閉，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。

（3）根據(jù)室內(nèi)吸頂式感應(yīng)器的信號，通過輸出繼電器調(diào)節(jié)風機盤管或采暖系統(tǒng)分配器上電動閥的開閉，實現(xiàn)人走設(shè)備停。

（4）空調(diào)季通過窗磁信號和輸入模塊實現(xiàn)對風機盤管的軟開閉。房間無人時，延時斷開室內(nèi)的照明和風機盤管的供電；當規(guī)定的下班時間到時，在確定無人后延時斷開室內(nèi)所有供電回路，包括照明、插座、風機盤管等。

2.4.3 能耗分配控制策略

與建筑物一年的用能情況相比，光伏發(fā)電因受外部環(huán)境氣候影響，發(fā)電量波動較大，對實現(xiàn)建筑的零能耗帶來一定困難，因此，采用了一種建筑能耗指標預(yù)測和基于光伏發(fā)電的能源分配控制策略的方法來保證零能耗建筑一年用能的平衡。

首先通過模擬分析軟件等方法，建立初始能耗指標體系；根據(jù)能耗與光伏發(fā)電動態(tài)特性曲線，以能耗監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立能耗與光伏發(fā)電數(shù)據(jù)庫，用實際建筑能耗指標，修正初始預(yù)測的能耗指標，形成能耗指標體系；以光伏發(fā)電實際數(shù)據(jù)為依據(jù)，修正光伏發(fā)電特性曲線；以能耗指標為依據(jù)，建立能耗預(yù)警機制，最終構(gòu)建均衡的能源分配控制系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑的“零能耗”。

3 零能耗建筑與綠色建筑

綠色建筑就是在建筑全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，以及與自然和諧共生的建筑。綠色建筑的實施不僅需要生態(tài)環(huán)保的理念和相應(yīng)的設(shè)計方法，還需要管理人員和業(yè)主具有較強的環(huán)保意識。這種多層次和多專業(yè)合作關(guān)系，需要在整個過程中確定明晰的評定和認證體系，以定量的方式檢測建筑設(shè)計生態(tài)目標達到的效果，用一定的指標來衡量其所達到的預(yù)期環(huán)境性能。引導(dǎo)建筑向節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適和高效的方向發(fā)展。世界許多國家、地區(qū)都制定了綠色建筑評價體系，如美國LEED、英國BREEAM、新加坡GREEN MARK、中國綠色建筑和中新生態(tài)城綠色建筑等等。

零能耗建筑強調(diào)的是建筑要超低能耗運轉(zhuǎn)，更精細化的控制，100%的可再生能源的使用，確保一年中建筑現(xiàn)場產(chǎn)生的能量凈額與建筑所必須的能源凈額相等。因此，零能耗建筑與綠色建筑相比，既有相同點又有不同點，見表5。

表5 零能耗建筑與綠色建筑的電氣比較

按照綠色建筑評價標準體系，零能耗建筑通常能達到最高等級。本項目按照美國LEED 白金獎、新加坡GREEN MARK 、國家綠色建筑認證三星級、中新生態(tài)城綠色建筑認證白金獎進行設(shè)計。基本上都滿足要求，但在照明方面因認證標準不同而有所不同，GREEN MARK對照度標準、照明功率密度都有具體要求；LEED僅對不同區(qū)域的照明功率密度有嚴格限制；在國家綠建標準和中新生態(tài)城綠建標準中，對照度標準和照明功率密度也有要求，見表6。

表6 不同標準的照度與照明功率密度值的對照表

4 結(jié)束語

零能耗建筑在設(shè)計、建造和使用過程中會采用許多新技術(shù)以及各種成熟的技術(shù)，同時，也對運營管理提出了更高的要求。通過實施零能耗建筑，可以為我們探索和積累更多的經(jīng)驗。也為以后的零能耗建筑、綠色建筑和其他節(jié)能建筑的設(shè)計建造及運營，提供更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和幫助，以使我們更好地建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的家園。

[1]許俊民. 探討零能耗建筑和零碳建筑[J]. 智能建筑科技，2010,43: 1-6.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB/T50378-2006 綠色建筑評價標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]天津市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會. DB/T29-192-2009中新天津生態(tài)城綠色建筑評價標準[S]. 天津，2009.