1 概述

    近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的呼聲越來(lái)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(guò)各種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)能管理水平的提高，來(lái)增強(qiáng)人們的環(huán)保和節(jié)能意識(shí)。

    零能耗建筑的面積通常不會(huì)太大，梭層不會(huì)太高，功能也不會(huì)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(huì)具有很強(qiáng)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(chǎng)和用可再生能源的能量來(lái)運(yùn)作的建筑，使一年中現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生能象的凈額等于建筑所必須的能源凈額。由于一年里不同時(shí)間段，建筑物所需能量與通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)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(xiàng)目為例，探討有關(guān)零能耗建筑的相關(guān)技術(shù)。本項(xiàng)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(xiāo)售和房管部門(mén)辦公及有關(guān)檔案儲(chǔ)存等。

    本項(xiàng)目按照零能耗建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)被動(dòng)式技術(shù)使建筑物能耗達(dá)到最小，主動(dòng)式技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效率運(yùn)行，利用太陽(yáng)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉礉M足建筑能源的需求，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)零能耗的可持續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)的示范作用。

    為實(shí)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(chǔ)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(duì)于零能耗建筑，前先要考慮保障其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能量來(lái)源，通常由太陽(yáng)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(yáng)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(wèn)題就是確定建筑物的能耗。

    2.1 建筑能耗分析

    造筑能耗分兩種，一種地廣義建筑能耗，指的是從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過(guò)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(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)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(duì)建筑物的能耗進(jìn)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(fēng)狀況所決定的。要滿足建筑物的舒適及使用要求，就必須對(duì)建筑環(huán)境的變化進(jìn)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(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析的方法才能有效地預(yù)測(cè)出建筑環(huán)境往有和沒(méi)有控制時(shí)的能耗狀況，才能較準(zhǔn)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(yùn)用時(shí)間分類(lèi)的方法對(duì)計(jì)算機(jī)、熱水器等設(shè)備及各房間能耗進(jìn)行分析校核，最終確定建筑物的能耗。本項(xiàng)目的建筑物年能耗見(jiàn)表1。

    表1 建筑物能耗計(jì)算分折結(jié)果

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

 2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的確定

    以計(jì)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(dāng)?shù)靥?yáng)能資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(lèi)型和相關(guān)參數(shù)。

    (1)天津地區(qū)的太陽(yáng)能資源情況

    根據(jù)《天津市太陽(yáng)能資源評(píng)估報(bào)告》，近30年來(lái)天津太陽(yáng)總輻射特征，按照中國(guó)太陽(yáng)能資源的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)屬于ⅡC/X(5/7)h。總輻射為5977.6MJ/m²，可利用的太陽(yáng)輻射為3880MJ/m²，占總輻射的65%，天數(shù)為199天，占?jí)灸甑?4.5%。

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

    (3)安裝區(qū)域首先考慮屋頂，其次是自行車(chē)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(jìn)行選擇(見(jiàn)表2)，其安裝角度以總發(fā)電量最大為目標(biāo)。

    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(jī)容量為295.89kWp，年發(fā)電量為299.24MWh/a。具體安裝數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

    表3 光伏電池安裝參數(shù)

    本項(xiàng)目的光伏發(fā)電量為299.240kWh/a，而總能耗為252.716kWh/a。預(yù)留出不小于10%的不可預(yù)見(jiàn)量。對(duì)比于新加坡的技術(shù)培訓(xùn)樓，其光伏發(fā)電量為207000kWh/a，能鞋為206100kWh/a。

    在確定光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意：

    (1)遮擋分析：周邊建筑物對(duì)本建筑屋頂電池板的遮擋分析，建筑自身對(duì)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(jī)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(jī)容量、預(yù)計(jì)年發(fā)電量等。

    (3)利用PVSYST軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算：根據(jù)天津地區(qū)的經(jīng)度和緯度，通過(guò)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(chǎng)地面積，設(shè)計(jì)合理的光伏組件方陣和逆變器，模擬計(jì)算出年光伏發(fā)電量。

    (4)光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)擠性分析：在可用場(chǎng)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(biāo)進(jìn)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(jī)容量和發(fā)電量是最高的，同時(shí)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(chǔ)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(duì)應(yīng)，因此，必須采用與外電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的方式，才能實(shí)現(xiàn)建筑物用能平衡。

    本項(xiàng)目采用由光伏發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能及負(fù)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(jí)微網(wǎng)系統(tǒng)和變電站級(jí)微網(wǎng)系統(tǒng)。出于本項(xiàng)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(yùn)行模式。本項(xiàng)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(fù)荷入到400V交流母線M₁，并配置一定規(guī)模儲(chǔ)能裝置，共同組成低壓微網(wǎng)。通過(guò)微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)實(shí)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：

    圖1 微網(wǎng)組網(wǎng)模式

    (1)在光伏電池和負(fù)荷的出口處分別設(shè)置斷路器(B₁～B₆，必須具有過(guò)載保護(hù))，通過(guò)微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)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)控系紈進(jìn)行監(jiān)控，并確保在斷路器下級(jí)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作，在上級(jí)發(fā)生故障時(shí)不動(dòng)作。

    (3)在外部電網(wǎng)故障時(shí)，關(guān)斷電源逆變器和全部微網(wǎng)負(fù)荷，斷開(kāi)微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。隨后微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)控制儲(chǔ)能放電，閉合重要負(fù)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(yùn)行需要，逐步投入剩余負(fù)荷，微網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)模式。以儲(chǔ)能為主控單元，以光伏發(fā)電為輔助控制單元，孤網(wǎng)運(yùn)行。

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

    2.3.2 鋰電池儲(chǔ)能

    鋰電池儲(chǔ)能具有利用峰谷電價(jià)，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(yùn)行。儲(chǔ)能功率在配置時(shí)不應(yīng)小于重要負(fù)荷的用電量；同時(shí)還應(yīng)滿足在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓、頻率的控制需求，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能發(fā)揮一定的功率控制作用；電池的容量按照光狀發(fā)電量與建筑物能耗差值特大的月份來(lái)確定。儲(chǔ)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(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)按30%初始容量計(jì)算，通過(guò)儲(chǔ)能放電（滿放）保證重要負(fù)荷持續(xù)工作2h；

    (3)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)按25%～85%容量進(jìn)行控制，控制一天不超過(guò)一次充放電循環(huán)。

    2.4 能耗控制

    零能耗建筑正常運(yùn)轉(zhuǎn)不僅需要足夠的可再生能源——光伏發(fā)電，同時(shí)，還需要通過(guò)主動(dòng)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(duì)照明能耗影響較大。本項(xiàng)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)字體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。鉦個(gè)鎮(zhèn)流器、變壓器都通過(guò)數(shù)字尋址通信。其主要控制功能：

    (1)每個(gè)光源作為一個(gè)獨(dú)立的通信對(duì)象，可以分別訪問(wèn)和控制；

    (2)光源和鎮(zhèn)流器狀態(tài)信息可實(shí)時(shí)通過(guò)總線傳至弱電機(jī)房的主機(jī)；

    (3)熒光燈和LED調(diào)光可實(shí)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(guò)DALI總線對(duì)每個(gè)燈具進(jìn)行斷開(kāi)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(dāng)大的比重?？照{(diào)設(shè)備包括：地源熱泵、空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組，排風(fēng)機(jī)、機(jī)房空調(diào)等。通過(guò)對(duì)空調(diào)設(shè)備的節(jié)能控制，可以提高空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行能耗，其主要控制功能：

    (1)直流無(wú)刷風(fēng)機(jī)盤(pán)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(chǎng)的溫控器實(shí)現(xiàn)對(duì)盤(pán)管的電動(dòng)閥和風(fēng)機(jī)的控制，也可從后臺(tái)主機(jī)對(duì)盤(pán)管進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

    (2)根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器與后臺(tái)設(shè)定的溫度相比較，通過(guò)控制模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)地板采暖系統(tǒng)分配器上電動(dòng)閥的開(kāi)閉，實(shí)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(hào)，通過(guò)輸出繼電器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管或采暖系統(tǒng)分配器上電動(dòng)閥的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)人走設(shè)備停。

    (4)空調(diào)季通過(guò)窗磁信號(hào)和輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的軟開(kāi)閉。房間無(wú)人時(shí)，延時(shí)斷開(kāi)室內(nèi)的照明和風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供電；當(dāng)規(guī)定的下班時(shí)間到時(shí)，在確定無(wú)人后延時(shí)斷開(kāi)室內(nèi)所有供電回路，包括照明、插座、風(fēng)機(jī)盤(pán)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(dòng)較大，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑的零能耗帶來(lái)一定困難，因此，采用了—種建筑能耗指標(biāo)預(yù)測(cè)和基于光伏發(fā)電的能源分配控制策略的方法來(lái)保證零能耗建筑一年用能的平衡。

    首先通過(guò)模擬分析軟件等方法，建立除始能耗指標(biāo)體系；根據(jù)能耗與光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)特性曲線，以能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立能耗與光伏發(fā)電數(shù)據(jù)庫(kù)，用實(shí)際建筑能耗指標(biāo)。修正初始預(yù)測(cè)的能耗指標(biāo)，形成能耗指標(biāo)體系；以光伏發(fā)電實(shí)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(biāo)為依據(jù)，建立能耗預(yù)警機(jī)制，最終構(gòu)建均衡的能源分配控制系統(tǒng)，實(shí)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(hù)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(shí)施不僅需要生態(tài)環(huán)保的理念和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，還需要管理人員和業(yè)主具有較強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)。這種多層次和多專(zhuān)業(yè)合作關(guān)系，需要在整個(gè)過(guò)程中確定明晰的評(píng)定和認(rèn)證體系，以定量的方式檢測(cè)建筑設(shè)計(jì)生態(tài)目標(biāo)達(dá)到的效果，用一定的指標(biāo)來(lái)衡量其所達(dá)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(guó)家、地區(qū)都制定了綠色建筑評(píng)價(jià)體系，如美國(guó)LEED、英國(guó)BREEAM、新加坡GREEN MARK、中國(guó)綠色建筑和中新生態(tài)城綠色建筑等等。

    零能耗建筑強(qiáng)調(diào)的是建筑要超低能耗運(yùn)轉(zhuǎn)，更精細(xì)化的控制，100%的可再生能源的使用，確保一年中建筑現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的能量?jī)纛~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(diǎn)又有不同點(diǎn)，見(jiàn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，零能耗建筑通常能達(dá)到最高等級(jí)。本項(xiàng)目按照美國(guó)LEED白金獎(jiǎng)、新加坡GREEN MARK，國(guó)家綠色建筑認(rèn)證三星級(jí)，中新生態(tài)城綠色建筑認(rèn)證白金獎(jiǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基本上都滿足要求，但在照明方面因認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不同而有所不同，GREEN MARK對(duì)照度標(biāo)準(zhǔn)，照明功率密度都有具體要求；LEED僅對(duì)不同區(qū)域的照明功率密度有嚴(yán)格限制；在國(guó)家綠建標(biāo)準(zhǔn)和中新生態(tài)城綠建標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)照度標(biāo)準(zhǔn)和照明功率密度也有要求，見(jiàn)表6。

    表6 不同標(biāo)準(zhǔn)的照度與照明功率密度值的對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

    零能耗建筑在設(shè)計(jì)，建造和使用過(guò)程中會(huì)采用許多新技術(shù)以及各種成熟的技術(shù)，同時(shí)，也對(duì)運(yùn)營(yíng)管理提出了更高的要求。通過(guò)實(shí)施零能耗建筑，可以為我們探索和積累更多的經(jīng)驗(yàn)。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(jì)建造及運(yùn)營(yíng)，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。