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德国海德堡列车新城被动房城区规划建设研究(下)

来源:绿色建筑研习社作者:卢求 德国可持续建筑委员会(DGNB)国际部董事、五合国际副总

本文为德国可持续建筑委员会(DGNB)国际部董事五合国际副总卢求先生原创、版权所有。作者授权绿色建筑研习社微信公众号发表此文。全文转载或部分引用请注明作者姓名和文章名称,文章标题及内容不得擅自修改,侵权须承担法律责任。论文发表事宜请联系作者:luqiu@www5a.com


导读:德国海德堡列车新城是世界上已建成最大的被动房项目,该项目不仅在被动房领域获得世界瞩目,在可持续城市规划开发、海绵城市建设等方面也取得突出成就。 卢求先生是德国可持续建筑及被动房领域知名的专家,在研读大量资料、多次现场考察的基础上撰写完成本文。


论文分上、下两篇,上篇为海德堡列车新城规划建设研究,包括城市空间规划、交通规划、能源规划、被动房建设、海绵城市建设、动植物保护等内容。


下篇为列车新城被动房城区能耗研究,较详细地分析了海德堡列车新城被动房城区2014、2015年运行能耗监测报告,对其工作方法、能耗数据、报告结论等进行了研究解读。


下篇


海德堡列车新城被动房城区

能耗分析研究


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图1 海德堡老桥及老城。卢求摄



1 海德堡列车新城被动房建设与能耗限值目标


受海德堡市政府委托,德国被动房研究院(PHI)对海德堡列车新城被动房城区建成入住的七个地块的建筑在2014、2015年期间的建筑运行能耗情况进行了分析研究,2017年公布了《海德堡列车新城被动房居住建筑能耗监测报告(Energie-Monitoring von Wohngebaeuden im Passivhaus-StadtteilHeidelberg-Bahnstadt 2016。(海德堡列车新城项目规划与建设整体背景情况见本论文上篇。)


2.jpg图2 海德堡列车新城规划总图。资料来源:海德堡城建局

海德堡列车新城项目从城市建设规划方面要求116公顷用地之内所有建设项目按照被动房标准进行设计建设。开发企业提交项目建设审批文件时,须提供按照德国被动房研究院PHPP能耗模拟软件完成的计算文件,证明新建建筑采暖能耗小于15kwh/m2年,才能通过审批。


施工过程中,还有一套质量监督保证机制,努力保证被动房技术措施能够保质保量、得以落实,力争建筑的采暖的实际能耗小于15kwh/m2年。对运行能耗情况分析研究,旨在检验海德堡列车新城被动房建筑实际能耗情况,是否达到上述目标。




2 能耗数据分析结果综述


研究报告显示,海德堡列车新城已经入住的7个地块(包括约1400套住宅及学生公寓,总面积近90000平米)的建筑实际采暖能耗平均值,2014年为14,9 kWh/(m²年),2015年为16.4 kWh/(m²年),该数值约为德国同类现存多层、集中供暖居住建筑(包含新建和既有建筑)采暖能耗平均值112 kWh/m²年(该数据来源为Techem 2013统计数字)的1/8。 2015年的采暖能耗值稍高,是因为2015年冬天气温较2014年低、且太阳辐射量较少导致。


上述7个地块的热能终端能耗量(Endenergie)(包括采暖、生活热水、换热站损失、管道损失、地下车库坡道加热等)2014年为55 kWh/(m²年) 和2015年为53 kWh/(m²年),比德国同类多层、集中供暖居住建筑减少约2/3, 意味着业主可以节约2/3的采暖和生活热水费用。


上述地块居住建筑户内的平均用电量为17.9 kWh/(m²年),分担公共区域用电量为8.6 kWh/(m²年),上述用电量包含新风设备用电量。这一用电量相比德国同类建筑也是相当节省的。


海德堡列车新城的这1400套住宅(含学生公寓),总面积近90000平米的被动房能耗数据由于样本数量较大,完全具有统计学意义,说明不同的设施师、施工企业,按照被动房技术标准设计建造的建筑完全能够达到被动房的节能目标,而且它们已经达到德国和欧盟规定的2021年要求达到的近零能耗建筑标准。


此外入住2-3年的住户普遍反映,建筑冬暖夏凉,对室内空气质量也表示满意,天气好时可以开窗通风,由于有新风系统,天气不好时、特别是冬天夜晚关闭所有窗户睡觉也有舒适充足的新鲜空气。


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图3 海德堡列车新城被动房。卢求摄



3 单一地块能耗研究方法的分析与解读


在上一节“2.2.1能耗数据结果综述”所引用的数据,特别是建筑总能耗量是具有统计学意义、令人信服的。被动房技术体系确实能够在保证、甚至提高舒适性的前提下大幅度降低运行能耗。


在对该报告进行进一步分析与研究过程中,可以发现许多细节,对于我们全面理解被动房技术体系、 客观权衡各种技术的优劣与投资取向、正确设计和建设被动房有重要参考意义。


本次研究工作由PHI与海德堡市政局合作完成、并得到欧盟相关机构的资助。能耗研究的对象是海德堡列车新城建成入住的七个地块的建筑(包含5个居住地块834套住宅、2个学生公寓地块564套公寓,共89675平米采暖面积),分析研究的基础数据是海德堡市政局提供的2014、2015年的采暖能耗及2015年的用电能耗。


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图4 列车新城2014年航拍图,能耗研究的7个地块就在照片中。资料来源:海德堡城建局

列车新城的居住建筑(含学生公寓)都是按被动房标准建设,拥有集中或分户式新风系统和采暖设施。采暖热源通过集中式市政供热管线输送到每家住户。每个地块(含2-5栋多层居住建筑、100多户住宅)只有一个市政集中供热管道和计量表。


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图5 列车新城Z6地块能源系统前期方案设计图。每个地块(含2-5栋多层居住建筑、100多户住宅)只有一个市政集中供热管道和计量表。资料来源:海德堡城建局

【笔者注:供热管道进入地块建筑地下室换热站之后,制备不同温度的采暖(地暖用水、散热器用水)和生活热水。下一级热耗计量设施是住户内部采暖和生活热水用量计量表。但各户采暖能耗表读数除以各户使用面积并不是住宅每平米采暖能耗,因为管线传输损失等能耗没有考虑进去。】


海德堡市政局提供的是地块总表每月耗热量的读数。而地块热力总表耗热量的读数是该地块每月的总耗热量,包括:

  • 采暖能耗

  • 生活用热水能耗

  • 管道输送损失能耗

  • 地块换热站损失能耗

  • 热水存储器热损失能耗

  • 其他,如地下车库入口坡道加热能耗


从地块总表月度耗热量读数不能直接分解出上述各分项能耗量,PHI是如何确定住宅采暖能耗的呢?计算方法如下:


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图6 列车新城其中一个地块城市集中供暖每月热耗情况,换算成单位采暖面积年热耗量


被动房由于保温和热惰性能非常好,夏天不会出现采暖能耗,将夏季(6-9月)每月的热耗平均值作为无采暖的基本热耗值,如图06某一地块夏季基本能耗为3.72kWh/(m²月),图中绿框上线对应的能耗数值。图06中绿框以上的能耗为采暖能耗量。图6显示列车新城中某一地块全年能耗为67.9 kWh/(m²年),基本能耗(不含采暖能耗)为3.72 kWh/(m²月)x12个月= 44.6 kWh/(m²年)。


二者相减可以得到采暖能耗近似值为23.3 kWh/(m²年)。


但采用这种简化计算方法不够准确,会导致对供暖能耗量的过高估算,需要进行一下修正,具体如下:


德国居住建筑夏季生活热水能耗量比冬季低。同类建筑精细能耗监测结果显示冬季生活用水能耗较上述数值高大约1-2 kWh/(m²年)(笔者注:德国上班族习惯每天早晨洗澡,不论冬夏,冬季由于自来水温度较低,加热到适宜洗澡的水温需要较多的能量。厨房用热水情况类似)。对德国路德维希港市一栋市政集中供暖多层住宅(12套住宅)能耗情况的详细评估显示,冬季生活用热水较夏季生活用热水能耗高约10%。对法兰克福一栋19套住宅项目能耗评估显示,冬季生活用热水较夏季生活用热水能耗高约29%。本项目评估该项选用修正系数10%。


集中地下车库入口坡道加热装置冬季能耗情况类似项目数据显示为0.1-0.3 kWh/(m²年)。


在其他被动房项目能耗监测过程中发现,在5月份常常由于误操作现象导致采暖设备开启,甚至导致室内温度过热的情况发生,统计数据显示这一现象导致夏季采暖能耗数值在0.4-1.2 kWh/(m²年)之间,本项目取该项修正值0.7 kWh/(m²年)。


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图7 海德堡列车新城被动房。卢求摄

热水分配管线传输过程中的热损失量同管道外保温情况、以及温差成正向相关关系。市政热力提供的热水温度长年基本不变,冬季埋在土壤下部和地下室内走向的热水分配管线的热损失量较夏季大,因为冬季土壤温度和地下室室温较夏季低。


为获得基本数据,对本项目一个典型地块进行了研究,考虑到热水分配管线在土壤下、和地下室走向的长度、管线保温情况、冬夏季温差等因素,计算出冬季热水分配管线较夏季热损失多出1800 kWh/年,相当于0.2 kWh/(m²年)。简单起见,其他地块也按此数值计算。


考虑到上述修正因素,基本能耗(不含采暖能耗)值应增加2.9-3.7 kWh/(m²年)。这样更接近实际情况,该地块修正后的采暖能耗值应为:

23.3kWh/(m²年)– 3.3 kWh/(m²年) = 20.0 kWh/(m²年).




4 多个地块能耗数据的研究方法与结论的分析解读


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图8 显示的是所研究的地块2014、2015年城市集中供暖管线耗热量读表数值换算到年平米能耗的数值。城市集中供暖管线耗热量读表数值包含(如上述)采暖、生活热水、管线损失等能耗。

考虑到供暖面积因素之后的加权平均值为2014年54.6 kWh/(m²年),2015年为53.2 kWh/(m²年),2015年的平均值略低是因为这一年BS-05地块加入研究范围,而这一地块的能耗数值较低。


除BS-05地块外,其余地块2015年能耗都略高于2014年,这是由于是因为2015年冬天气温较2014年低、且太阳辐射量较少导致。


9.jpg图9 海德堡列车新城被动房。卢求摄

按照上述方法,计算每一地块夏季(6-9月)基本能耗值,总是选取夏季热水能耗的平均值。之后按照上述方法进行修正计算,计算得出的修正值在2.8-3.7 kWh/(m²年),并对每一地块的基本能耗值进行相应修正。这种修正只是调整了地块内部不同领域的热耗分配,并没改变地块的总热耗量。


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图10 为2014各地块市政集中供暖能耗情况。根据第3节的计算方法,蓝色为各地块2014年建筑终端热耗量(Endenergie),红色为生活热水+管线损失和热水存储器损失能耗量,绿色为采暖能耗量。虚线标示地块是2014年经过1-3个月之后才住满的地块(部分入住地块)。


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图11 为2015各地块市政集中供暖能耗情况。根据第3节的计算方法,蓝色为各地块2015年建筑终端热耗量(Endenergie),红色为生活热水+管线损失和热水存储器损失能耗量,绿色为采暖能耗量。2015年新增了BS-05地块的数据。


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根据PHI提供数据,按照德国建筑节能条例EnEV规定的计算方法得出的建筑使用面积AN比按照被动房规定的方法计算得出的建筑采暖面积要大一些。在本项目中,这一差值范围在25-34%,取中间值28%。


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图12 为2015各地块市政集中供暖能耗情况。蓝色为各地块2015年建筑终端热耗量(Endenergie),红色为生活热水+管线损失和热水存储器损失能耗量,绿色为采暖能耗量。但建筑面积不是按照被动房采暖面积计算、而是按照德国建筑节能条例EnEV建筑使用面积计算,因此每平方米建筑能耗值更低一些。这一数值可以与其他项目能耗数据更好进行比较,在PHI的报告中没有再做进一步研究讨论。

分析数据可以看出,不同地块的城市集中供热总能耗和采暖能耗所占比例数据差别较大,而2014年及2015年每个地块自身能耗情况、及能耗比例大体维持不变。PHI认为导致这样的结果的原因可能是:

  • 不同的使用功能(住宅和学生公寓)或住宅户型不同的大小

  • 住户使用偏好(室内温度的设定,生活热水使用量)

  • 建筑设备以及输配管线的不同(管线长度、管线保温措施、换热站性能、热水储水器的大小和质量)

  • 建筑设备的控制系统(给水回水温度设定、控制系统)

  • 建筑外围护结构及气密性等

由于每个地块的住户数量超过100户,个别住户个人因素导致的过高或过低的能耗对整个地块平均能耗数值影响较微小,因此不同地块建筑能耗的差别,应该是建筑本身(建筑设备系统和建筑为围护结构)造成的。


对比PHI在法兰克福等地其他被动房住宅项目的能耗情况研究,海德堡列车新城住宅建筑分项能耗能情况与其他项目非常接近,这类建筑采暖能耗占市政集中供热总消耗量的33%。在列车新城项目中,采暖能耗2014年占20%-36%,2015年占22%-38%。


PHI认为本项目的中输配管线和热水存储器热还有优化空间,特别是那两个总能耗较高、在70 kWh/(m²年)左右的地块。


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图13 海德堡列车新城被动房。卢求摄


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图14  2015年地块生活热水、管线损失及热水储水器能耗(不含采暖能耗)

2015年地块生活热水、管线损失及热水储水器能耗值在19-48kWh/(m²年),考虑到面积因素的加权平均值为36.7kWh/(m²年)。

设计和模拟计算边界条件、与房屋建成后实际气候情况和使用条件不可能完全一样。因此被动房设计采暖能耗为15 kWh/(m²年),实际运行能耗不可能正好是15 kWh/(m²年)。


通常情况下,被动房的冬季的室内设计温度为20ºC,当住宅冬季室内温度为21 ºC时,采暖能耗一般增加15%,相对比例数值看起来较大,实际冬季室内温度每增加1 ºC对应能耗增加值约为2 kWh/(m²年)。


根据PHI对其他被动房建筑使用及能耗情况监测数据,被动房住宅用户冬季室内温度平均设定在21.5ºC,意味着实际采暖能耗比设计温度为20 ºC时的计算能耗值多3 kWh/(m²年)。


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图15  列车新城 2014、2015年 各研究地块单位面积建筑采暖能耗情况。红色为2014年数据。橙色为2015年数据。红色虚线为2014年单位面积建筑采暖平均能耗值14.9kWh/(m²年),橙色虚线为2015年单位面积建筑采暖平均能耗值16.4 kWh/(m²年)。

被动房建筑,由于采暖能耗值很低,因而个别地块、个别住宅实测能耗值高于或低于平均值50%以上属正常现象,在其他被动房项目上的实测数据也印证了这一现象。这同时也说明,单套住宅的能耗数据、无论高低,都不具有普遍意义,只有较大数量的住宅能耗数据,才具有说服力。




5 列车新城住宅电耗情况


PHI得到海德堡市政局提供的、2015年上述8个地块中6个地块1200多块智能电表的数据。数据包含住宅及学生公寓的电表、公共区域及地下车库电表2015年每月的数据。出于保护隐私考虑,电表数据只精确到电表所在建筑或单元门号的信息,无法对应到某一住户的用电数据。


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图16  列车新城城区中使用的智能电表。资料来源:PHI


上述电表对应33栋建筑或建筑单元,将每个单元的用电值除以该部分的建筑面积(被动房采暖面),可以计算出单位面积用电情况。除去建筑底层有少量咖啡、面包店、发廊、银行小型营业部等用房以外,其余面积全部为居住功能。

计算得出住户用电情况(不含公共部分用电)为11.5-20.4 kWh/(m²年),面积加权平均值为17.9 kWh/(m²年)。


公共部分用电(包括楼梯间、地下室、室外照明,水泵、集中新风、电梯用电等)由公共部分电表计量,不同建筑楼栋之间数值差别很大。联排式住宅的公共用电数值最少,原因是联排式住宅的新风、庭院照明是通过户内电表计量,同时也没有电梯耗电。


公共部分用电量在0.7-15.4 kWh/(m²年),由于原始数据不精确,无法进一步细化分析。


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图17  2015年列车新城 33栋建筑或建筑单元住宅用电(不含公共部分用电、联排住宅包含新风设备用电)


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图18  2015年列车新城 33栋建筑或建筑单元单位面积用电(含住宅内部及公共区域用电,但不含地下车库用电),考虑到建筑面积因素的加权平均值为26.3 kWh/(m²年)。相比住宅内部用电.公共部分单位建筑面积平均用电量增加8.4 kWh/(m²年)

地下车库用电

只有5个地块上建筑地下车库用电(地下车库的照明、通风、门闸等)有单独电表记录的数据,另一地块地下车库用电量数据缺失。为了使车库用电量方便与其他用电量比较,建筑面积也采用所在建筑或建筑单元采暖面积。


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图19 2015年列车新城5个地块地下车库用电量量平均到单位居住采暖面积的数值。数值分布在1.6-4.7 kWh/(m²年)之间。 考虑到面积因素的加权平均值为3.3 kWh/(m²年)


德国能源与水资源联合会(BDEW)2013年的一份报告中给出了德国家庭平均用电情况数据(不含电热水器、及电采暖设备用电),结合德国联邦统计局[DESATIS]2013年居住建筑面积数据(3及3户以上集合住宅),得出1人户用电量为29.4 kWh/(m²年)、4人户用电量为43.9 kWh/(m²年)


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图20 列车新城建筑用电量情况与德国住宅平均用电量比较。横轴为每户人数(列车新城项目缺少每户人员数据,取均值),纵轴为单位建筑面积用电量。红色粗虚线为列车新城平均户内用电量17.9 kWh/(m²年),黄色虚线为包含公共区域的用电量26.3 kWh/(m²年)。绿点分别为德国住宅平均用电量情况,从左到右分别是1人户到5人户住宅,用电量在29.4 kWh/(m²年) – 43.9 kWh/(m²年)之间,德国住宅新风能耗大体在4kWh/(m²年)左右。集中式新风比此数值略高,户式新风比此数值略低。


列车新城建筑、即使包含新风和公共区域、用电量整体较低,原因主要有3方面:

  • 采用较先进的用电设备、采用节能的用电器具及照明灯具。

  • 海德堡政府为列车新城住户进行的节电宣传、指导发生作用。

  • 住宅户型面积较大。


同时对每月用电数据分析可以看出,夏季比冬季用电量减少15.6%。可能的原因是冬季需要较多的照明用电,冬季呆在住宅室内时间长、家用电器用(电脑、电视)电量增加。


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图21 海德堡列车新城被动房。卢求摄




6 列车新城能耗情况研究报告结论探讨与启示


1)海德堡列车新城被动房城区能耗实测数据研究结果显示,已经入住的7个地块(包括约1400套住宅及学生公寓,总面积近90000平米)的建筑实际采暖能耗平均值,2014年为14,9 kWh/m²年,2015年为16.4 kWh/m²年,达到被动房采暖能耗的设计标准要求,对比2013年德国现存同类建筑(150万套集合住宅能耗数据,含新建和既有建筑)平均采暖能耗量112 kWh/m²年,节能87%。相对于德国现行新建建筑节能条例EnEV2014所要求的采暖能耗指标约60 kWh/m²年,节能75%。

2)在其他被动房住宅项目冬季实测室内温度平均值为21.5ºC,比被动房室内设计温度20 ºC高1.5 ºC、能耗相应增加3 kWh/(m²年),考虑到这一因素,海德堡列车新城被动房城区建设可以说达到并超过了被动房采暖能耗的设计标准要求。

3)由于实测的数据有限(只有地块城市集中供热表每月读数、且该数据包含采暖、生活热水、管线热损失),上述单位采暖面积能耗是在参考其他项目实测数据基础上、计算得出的。此次能耗数据研究只是初步分析(Minimal monitoring),结果并不精确。

4)相对来说,这7(8)个地块单位面积平均热耗量(含采暖、生活热水、管线热损失)2014年为55 kWh/m²年 和2015年为53 kWh/m²年是非常可靠、准确的数据。计算得出其采暖能耗在15 kWh/(m²年)左右,而生活热水及管线损失热耗量平均值为36.7kWh/(m²年),超过被动房采暖能耗的2.4倍,因此在这一领域也是被动式建筑节能的重点。笔者认为,如果采用高品质的太阳能热水系统,并放弃集中供暖系统(不会产生户外管线热损失),建筑能耗还有可能大幅降低。

5)其他被动房实测数据显示,新风能耗平均为4 kWh/(m²年),考虑到这个因素,列车新城被动房整体能耗也是非常低的,同时保证了全年室内健康新风,明显提高了住宅的健康舒适度。列车新城即使按采暖加新风总能耗15+4 =19 kWh/(m²年),相比德国现行EnEV2014节能条例所要求的采暖能耗指标也节能约68%。

6)列车新城是按照被动房标准建设的项目,但为保证特殊气候条件下的舒适度要求,也安装了常规采暖设施(地暖或散热器),近期采用城市燃煤集中供热,中期将转换为生物质(木屑)燃烧供热。

7)虽然PHI得到的实测数据相当有限和模糊,但德国工程师运用客观、简便的方法,层层剥离、剔除掉干扰因素,得出基本令人信服的结论,其工作方法有启发性。

参考文献:

  • www.heidelberg-bahnstadt.de

  • www.heidelberg.de

  • 《StaedtebaulicheRahmenplanung Bahnstadt 2007》Stadtplanungsamt Heidelberg

  • 《BaugebietBahnstadt in Heidelberg-StädtebaulichesEnergieund Wärmeversorgungskonzept》Ing.Buero EBOEK

  • 《Energie-Monitoring von Wohngebaeuden imPassivhaus-Stadtteil Heidelberg-Bahnstadt 2016》PHI

  • 《Energie Kennwerte 2016》Techem