被动房之家
www.gba.org.cn
 
联系方式
 联系方式
手机电话:18618173826
电子信箱:chtyjy@126.com
办公电话:010-57183865
联系人:周懿

上海发展超低能耗建筑的思考

来源:绿色建筑(lsjz64687232)作者:瞿燕
文章附图

转自 | 绿色建筑(lsjz64687232),推荐关注

作者 | 瞿燕,高级工程师,现供职于华东建筑设计研究院有限公司


摘要


我国建筑能耗总量逐年上升,目前占全国能源消费总量的20%以上,推进建筑节能工作势在必行。超低能耗建筑以其舒适度高、节约能源等特点,越来越受到我国政府和相关科研人员的关注。梳理了国内超低能耗建筑的发展现状,探讨了上海地区超低能耗建筑的气候适应性设计策略,提出了上海地区发展超低能耗建筑所面临的问题,以期为后续进一步的研究工作提供指导。


关键词


超低能耗建筑;气候特征;建筑节能;夏热冬暖地区



随着我国人口数量持续增长和人们物质生活条件不断改善,建筑需求量和房屋舒适度要求同步提高,建筑能耗总量逐年上升。数据显示,2016年,中国建筑总面积达到635亿m2,能源消费总量为8.99亿t标准煤,占全国能源消费总量的20.6%,建筑碳排放总量为19.6亿tCO2,占全国能源碳排放总量的19.4%[1]。在倡导节约高效、清洁低碳社会用能模式的大趋势下,减少建筑能耗和推进建筑节能工作成为我国政府及相关科研人员任重而道远的任务。


当前国际上主要发达国家在积极推动零能耗建筑、近零能耗建筑、超低能耗建筑等建筑节能先进理念,德国、瑞典、日本、美国等国家已经制定出适应本国特点的节能建筑发展路线和技术标准[2-6]。


我国自2009年以来,通过住建部的示范引导,引进德国先进建筑节能技术,吸纳被动式超低能耗建筑技术理念,在不同地区陆续开展了一系列的超低能耗示范工程建设,如“汉堡之家”“在水一方”“布鲁克”等,取得了良好的应用效果[7]。


2017年,住建部印发的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》明确提出了“在全国不同气候区积极开展超低能耗建筑建设示范”“结合气候条件和资源禀赋情况,探索实现超低能耗建筑的不同技术路径”等要求。由此可见,研究和发展舒适度高、节约能源的超低能耗建筑是我国建筑节能工作的必然趋势。


现阶段,国内关于超低能耗建筑的示范和研究有序推进并取得了一些成果,但仍存在着各地发展不均衡的问题。


本文就超低能耗建筑在国内的发展现状进行了梳理,并结合气象特征和现有案例对其在上海地区的发展进行探讨。



01

国内超低能耗建筑发展现状


1988年“被动房”概念首次在德国被提出,经过近30a的发展,被动房已成为具有完备技术体系的自愿性超低能耗建筑标准,其节能性“比既有建筑节能90%以上,比新建建筑节能75%以上”[8]。住建部自2007年起与德国能源署开展合作,2009年双方确定将在中国推动被动式低能耗建筑的发展作为合作内容。


超低能耗建筑与之前常规节能建筑在理念上的重要区别在于从“措施导向”转为“目标导向”。常规节能设计标准限定节能措施要求,而超低能耗建筑则是限定能耗目标,具体项目可以基于能耗目标根据条件自由选择节能措施。


结合我国实际情况及建筑节能标准的工作进程,目前对超低能耗建筑的界定为适应气候特征和场地条件,在利用被动式建筑设计和技术手段大幅降低建筑供暖、空调、照明需求的基础上,通过主动技术措施提高能源设备与系统效率,以更少的能源消耗提供舒适室内环境的建筑。其供暖、空调、照明、生活热水、电梯能耗水平应较2016年建筑节能设计标准降低50%以上。超低能耗建筑在国内的发展现状可从项目、标准规范和政策激励3个方面进行总结。


1.1   项目层面


超低能耗建筑及其近似理念在国内的项目推广,主要有3条脉络:住建部的科技示范项目、被动式超低能耗认证项目及德国被动房认证项目。


(1)根据住建部科技与产业化发展中心的数据,截至2017年其参与技术支持的被动式低能耗示范项目达到45个,其中夏热冬冷地区有11个,占比为24.0%,夏热冬冷地区的项目分布在江苏海门、湖南株洲及长沙、浙江杭州和四川成都[9]。


(2)根据中国建筑节能协会被动式超低能耗建筑分会公布的数据,自2016年开始进行被动式超低能耗认证以来,2016~2018年期间,全国共有67个项目获得认证,其中夏热冬冷地区项目共有7个,占比10.4%。夏热冬冷地区的项目分布在江苏镇江及南京、福建厦门、浙江台州、江西南昌、湖南长沙和四川成都[10]。


(3)根据德国被动房研究所(PassiveHouseInstitute,PHI)官方网站数据,截至2018年10月,中国共有18个项目获得了德国被动房的PHI认证,主要集中在严寒及寒冷地区,而位于夏热冬冷和夏热冬暖地区的项目有4个,按项目数量占比为22.2%,其中上海2个,浙江湖州1个,广东佛山1个。中国获得德国被动房PHI认证项目分布情况如图1所示。


1.webp.jpg

a) 按项目数量统计   b)按项目建筑面积统计


图 1   中国获得德国被动房PHI认证项目分布


综合上述分析可以看出,目前超低能耗建筑及其近似理念在国内的项目推广主要集中在北方地区,夏热冬冷地区项目的占比约在20%以下。针对上海地区而言,无论是住建部示范工程,抑或中国建筑节能协会被动式超低能耗建筑分会的认证项目,均为空白。上海仅在德国被动房领域有2个认证项目。


1.2   标准规范


国内超低能耗建筑标准体系的建立始于2015年,自河北省率先发布DB13(J)/T177-2015《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》以来,山东、河南、青海等省市陆续推出地方性的规范或导则,但均集中在北方地区,南方地区尚无地方性的规范标准发布。已出台的地方性超低能耗建筑相关规范如表1所示。


2.webp.jpg

表 1   已出台的地方性超低能耗建筑相关规范


立足全国性规范的角度,目前已出台的仅有住建部于2015年11月发布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)》(居住建筑)(以下称“住建部导则”),与德国被动房技术体系对标。住建部导则仅适用于居住建筑,缺少公共建筑的技术规定。国家标准GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》提出,对于公共建筑,相对现行国家公建节能标准节能50%为超低能耗建筑。


德国被动房的核心技术指标有如下几点[8]:①供暖能耗:供暖能耗≤15kWh/(m2·a)或热负荷≤10W/m2;当采用空调时,对供冷能耗的要求与供暖能耗一致;②建筑一次能源用量≤120kWh/(m2·a);③建筑气密性要求N≤0.6。④超温频率≤10%。目前住建部导则对于超低能耗居住建筑的能耗指标及气密性指标如表2所示[11]。河北和青岛的地方标准中采暖需求与德国被动房标准相同,制冷需求≤15kWh/(m2·a)或制冷负荷≤20W/m2,一次能源消耗和气密性指标与住建部导则相同。


3.webp.jpg

表 2   不同气候区的能耗指标kWh/(m2·a)和气密性指标


1.3   政策激励


住建部在《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出,“到2020年,建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万m2以上”。为响应该要求,目前全国多个地区出台超低能耗建筑在本地发展的实施意见或细则,天津、河北、河南、山东等多个省市制定了以2020年为时间节点的阶段性行动计划和明确的资金奖励政策。


比较典型的政策有河北石家庄《关于加快推进被动式超低能耗建筑发展的实施意见》。该意见中关于容积率等政策,如“建设被动房的地上建筑面积9%不计入容积率”以及资金激励“被动房建筑在办理商品房价格备案时可上浮30%”“符合被动房节能标准的建筑项目每平方米补贴200元”等有效地带动了超低能耗建筑在石家庄的推广。


调研显示,该类激励政策仍是集中在严寒及寒冷地区,在夏热冬冷地区鲜有超低能耗建筑的激励政策出台。目前仅有江苏省将超低能耗被动式绿色建筑工程示范纳入了省级节能减排专项引导资金支持。


1.4   现状总结及反思


根据对项目建设、标准规范制定及激励政策3个方面的总结可知,目前国内超低能耗建筑的发展主要存在以下问题。


①各地发展不均衡。究其原因,主要是我国幅员辽阔,存在严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区等5个气候区,不同气候区的气象条件、建筑特点、生活习惯及用能特点等方面均存在较大差异。目前超低能耗建筑在北方严寒及寒冷地区的发展力度较大,上海等夏热冬冷地区则比较欠缺。这主要因为北方地区的气候条件与德国相对接近,其技术体系可基本适用。与北方和欧洲地区不同,上海等夏热冬冷地区在气候特征和用能习惯上有着较为明显的差异[12-15],造成从业人员和政府管理部门对本地区发展超低能耗技术路径的疑虑,进而导致相关工作推进缓慢。


②已出台的相关标准规范中针对居住建筑的较多,其主要原因是不同类型的居住建筑在统一的计算边界下,负荷及能耗强度差异较小,有设定绝对能耗指标的可行性,而公共建筑类型较多,负荷和能耗特征多样,难以用统一的能耗指标和技术参数界定不同类型的公建。


综上所述,上海等夏热冬冷地区超低能耗建筑要实现推广加速,亟待结合本地区的气候特征开展深入的研究分析,解答技术疑虑,明晰技术路径,编制规范导则进行引导。



02

上海地区气候特征及其超低能耗路径


上海属于典型的夏热冬冷气候区,在温度、湿度、太阳辐射强度等方面与德国和中国北方及欧洲地区都有显著差异,这也构成了被动式超低能耗建筑技术路线差异的根源所在。以德国的汉堡作为比较对象,可以看出这种气候差异以及节能策略的不同。


2.1   温湿度特征


上海与德国汉堡的月平均气温和湿度对比分别如图2和图3所示。


4.webp.jpg


上海位于夏热冬冷地区,而从纬度上看汉堡比我国位于严寒地区的哈尔滨更靠近北极。上海7月平均温度高出汉堡10.6K,而1月平均温度高出汉堡3.9K。与汉堡相比,上海夏季更为炎热,而冬季虽然寒冷,气温却比汉堡高。德国以供暖为主而空调需求较小,上海不仅需要解决冬季供暖问题,在夏季还有较大的制冷需求,隔热与保温均应考虑。


夏季潮湿是上海气候的典型特征之一。上海7月份的平均含湿量达到18.94g/kg,数值2倍于汉堡7月份的平均含湿量。室内舒适点(干球温度26℃、相对湿度60%)对应的含湿量12.78g/kg,理论上当室外空气含湿量超过12.78g/kg时,新风供应就应该除湿。由图7可见,上海在6月~9月有较为明显的除湿需求。除湿负荷在整个建筑负荷和能耗构成中不可忽视,需要采取一定的除湿措施,同时也会产生相应的除湿耗能。


2.2   太阳辐射特征


全年太阳辐射充足且月份间的不平衡性相对较小是上海地区太阳辐射特点,全年累计的太阳辐射强度达到1271kWh/m2。上海与汉堡的月太阳辐射总量对比如图4所示。因此在上海地区,夏季有必要通过合理的遮阳措施降低进入室内的太阳辐射热,而在冬季辐射资源较好,充足的辐射热进入室内能够降低热负荷,有必要保障太阳辐射的进入。


5.webp.jpg


图 4   上海与汉堡的月太阳辐射总量对比


2.3   风环境特征


上海属季风气候区,春秋两季为南北风向转换季节,春季最多风向为东到东南风,秋季最多风向为东到东北风,具备较好的风环境资源,如图5所示。从居民的生活习惯来说,对自然通风的需求较强。因此在这种气候特征下,对建筑的朝向和规划设计提出了要求,要为过渡季和夏季利用自然通风提供条件。


6.webp.jpg


图 5   上海累年年风玫瑰图


2.4   气候响应的被动式设计策略


上海地区夏季炎热、昼夜温差小、太阳辐射强烈,建筑设计应重点考虑降低环境温度、做好建筑遮阳、围护结构隔热。同时,本地区还有冬季寒冷、潮湿,梅雨季潮湿多雨的特点,对应地则应加强建筑的可控通风、做好围护结构与地面保温、加强建筑气密性。主要适用的气候响应设计措施如表3所示。


7.webp.jpg


表 3   气候响应被动设计策略



03

上海地区典型超低能耗案例及思考


我国超低能耗建筑的发展主要吸取了德国被动房技术理念,其技术体系主要包括5大方面:围护结构保温、节能门窗、建筑气密性、热桥处理与排风热回收,其中前4项技术均为被动式节能设计[8]。


2010年上海世博会的德国馆“汉堡之家”是中国第一个获得德国被动房认证的建筑[15],主要利用太阳能、地热、人体热等资源,使室内四季保持25℃左右的恒温,建筑所消耗的外部能源只有普通房屋的10%,一次能源需求<50kWh/(m2·a)。其所采用的节能技术主要有以下几点。


①建筑本体设计。针对上海夏季炎热的特点,“汉堡之家”设计为坐南朝北,南向无窗或窗很小,东向和北向为大片落地窗,以此达到“夏凉”的效果。体形上采用紧凑的抽屉式设计,便于背阴面采光和对下层建筑遮阳。


②建筑保温隔热系统和气密性设计。红砖外墙质地密实,隔热隔音性能较好,外层红砖墙和内层水泥墙之间有20cm厚的隔热层。屋顶同样有19cm厚的隔热层,且铺设的太阳能板可起到遮阳作用。玻璃为3层绝热型,中间充满惰性气体隔绝热传递,窗框和门框采用特殊绝缘材料降低热桥效应。建筑整体气密性良好,有利于保持室内恒温。


③可再生能源利用和热回收。“汉堡之家”屋顶装有450m2的光伏发电设备,可提供建筑运行所需电能的80%左右。利用建筑物地下深达35m的基础桩与地下管网连接采集地热,通过地热泵获得采暖、制冷、通风和除湿所需能量。为建筑提供新风的中央通风设备与热泵循环系统相连,并配备有高效热回收装置,在采暖时效率可达90%,制冷时效率可达80%。建筑内部的灰暗涂料可吸收房间内设备、人体等释放的热量,减少能量散失。


2018年,上海第一栋自主设计和施工的被动房“舜元被动房”(SunyoungPavilion)获得PHI认证,这是上海第二座得到德国被动房认证的建筑。其供暖需求为13kWh/(m2·a),制冷及除湿需求为27kWh/(m2·a),一次能源需求为94kWh/(m2·a)。相比普通建筑,其节能率达到近90%。同时室内PM2.5和TVOC基本都为0,温湿度能恒定在20~25℃和30%~60%人体最舒适区间内。


此外,上海市长宁区在世界银行项目中推出了一栋近零排放建筑——虹桥迎宾馆9号楼,该建筑是按照长宁低碳城市项目中制定的近零排放标准[CO排放量≤25kg/(m2·a)]建造。建筑中使用了高性能的围护结构,外墙及屋面的传热系数<0.6W/m2·K,采用了自然采光和自然通风的被动式节能措施,太阳能光伏发电的安装面积为288m2,装机容量51.3kW,空调系统为高效多联机设备,制冷综合性能系数达到9.0,并配备新风全热回收系统,采用智能集成控制系统监测管理设备运行。


前两座建筑均强调了“被动房”的概念,而国内在推广此概念时使用的名称是“被动式超低能耗建筑”,二者虽然理念相似,但具体的指标和技术措施有所不同。后一座建筑强调“低碳”概念,建设理念和目前国内的超低能耗建筑相近。


上海地区发展超低能耗建筑,应当在概念和技术两个层面进行自主化和本地特色化的界定。在概念层面,需要明确超低能耗建筑的具体指标,如能耗指标、气密性指标和室内环境指标等,其中包含了负荷约束范围、一次能源需求的计算、能耗模拟的方法和边界等细节问题。在技术措施层面,需要讨论高气密性、厚保温、热回收等技术策略是否适合上海地区,以及超低能耗路径的重点是被动式措施还是主动式措施等问题。


目前国家标准将超低能耗目标的范围约束在供暖空调、照明、生活热水和电梯4部分,由此可知节能措施的方向为降低建筑供暖空调负荷需求、提高供暖空调系统效率、缩短空调运行时间、降低照明功率密度、缩短照明运行时间、提高供热水设备的效率、补充可再生能源利用等。


其中后6项措施主要依靠设备系统实现节能,属于“主动式节能措施”,其技术要求相对固定,与气候差异的关联较小,而第一项降低负荷需求主要依靠“被动式节能措施”来实现,由建筑专业主导,其具体的技术选择具有典型的地域特征,与本地的气候特点息息相关。


调研结果表明,上海地区要实现超低能耗建筑目标,应当遵循“被动优先,主动优化”原则,合理应用被动式节能设计、主动式设备节能以及可再生能源。


首先通过规划与建筑自身的设计,营造良好的建筑本体条件,主要包括建筑朝向、自然通风与采光的设计措施,然后采取以被动式节能设计为主的方式去降低建筑负荷。


对于住宅建筑推荐的技术优先级为高性能外窗及外遮阳、适度的围护结构保温、新风全热回收、改善气密性;对于公共建筑推荐的技术优先级为外遮阳、新风全热回收、改善气密性、适度保温及高性能外窗。其中气密性应满足N50≤1.0,围护结构不宜过度保温,且应注意隔热防潮,优先选用高性能保温材料,以减少保温层厚度。


在主动式设备节能措施方面,住宅建筑应以节能照明为主,公共建筑应以提高空调系统能效和节能照明为主。对于可再生能源利用,在住宅建筑中采用太阳能热水系统解决热水能耗,在公共建筑中除太阳能热水系统外,可采用可再生能源发电补充电力。


结合上海地区气候特征和自然条件建成的两座“被动房”和一座“低碳”建筑为超低能耗建筑在上海的发展做了较好的示范,未来上海地区应当在借鉴“被动房”理念和技术的基础上,满足国家和本地区的规范要求。



04

结语


在建筑节能的大环境下,我国倡导发展超低能耗建筑并做出了积极探索,但存在着各地发展不均衡的问题。当前北方严寒及寒冷地区有较大的发展力度,在示范项目、标准规范和激励政策方面均有阶段性计划和行动,而上海等夏热冬冷地区超低能耗建筑发展相对滞后。


作为建筑节能的先进理念,超低能耗建筑理念同样应在本地区得到更大范围的推广和应用。根据上海地区的气候特征,超低能耗建筑需考虑冬季保温、夏季隔热、除湿防潮、遮阳和自然通风设计等问题。


上海地区现有的超低能耗建筑满足德国“被动房”的要求,未来需要业界更多的技术研究和项目实践来推动本地的自主化和特色化。政府也应该在标准制定、政策机制上予以配套,通过各方努力共同推进超低能耗建筑的发展。



参考文献


[1]中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告(2018年)[R].上海:建筑节能,2018.

[2]SCHNIEDERSJ,FEISTW,RONGENL.PassiveHousesfordifferentclimatezones[J].EnergyandBuildings,2015,105:71-87.

[3]MIHAIM,TANASIEVV,DINCAC,etal.Passivehouseanalysisintermsofenergyperformance[J].EnergyandBuildings,2017,144:74-86.

[4]梁俊强,刘珊,喻彦喆.国际建筑节能发展目标的比较研究——迈向零能耗建筑[J].建筑科学,2018,34(8):118-123.

[5]徐伟,刘志坚,陈曦,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.

[6]徐伟,孙德宇,路菲,等.近零能耗建筑定义及指标体系研究进展[J].建筑科学,2018,34(4):1-9.

[7]陈强,王崇杰,李洁,等.寒冷地区被动式超低能耗建筑关键技术研究[J].山东建筑大学学报,2016,31(1):19-26.

[8]贝特霍尔德·考夫曼,沃尔夫冈·费斯特.德国被动房设计和施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[9]住房和城乡建设部科技与产业化发展中心.中国被动式低能耗建筑年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[10]徐伟,孙德宇.《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》编制思路及要点[J].工程建设标准化,2016(3):47-51.

[11]彭梦月.被动房在中国北方地区及夏热冬冷地区应用的可行性研究[J].建设科技,2011(5):48-50.

[12]潘黎,徐强.上海地区气候适应型被动式超低能耗建筑技术路线探索[J].建设科技,2015(23):22-23,28.

[13]李峥嵘,蒿玉辉,赵群,等.夏热冬冷地区超低能耗建筑热工优化设计及负荷分析[J].建筑科学,2017(12):182-187.

[14]邓丰,朱凯.上海高层住宅被动式超低能耗设计策略研究[J].住宅科技,2018(2):40-45.

[15]宁中意.世博汉堡之家探寻——亲历被动房气密性测试[J].中外建筑,2010(3):10-11.