德國“產能型建筑”發展與技術研究

宋 竹

（重慶市建設技術發展中心 400015）

德國“產能型建筑”發展與技術研究

宋 竹

（重慶市建設技術發展中心 400015）

產能型建筑是指建筑所產生的能量超過其自身運行所消費能量的新型節能建筑，被德國政府列入“未來建筑”研究計劃，并資助了多個研究團隊建設試點項目，對其進行研究。本文闡述了德國產能型建筑的發展情況，列舉了具有典型代表性的柏林產能型住宅案例，并對德國試點項目運用的技術進行了分析，希望對中國產能建筑的發展有所啟示。

德國;產能型建筑;技術研究

一、產能型建筑概況

1、背景

近年來，世界各國不斷提高建筑能耗的相關要求和標準，歐盟2010年修訂的《建筑能效指令》（EPBD）要求歐盟國家在2020年前，所有新建建筑都必須達到近零能耗水平。德國要求 2021年起所有新建建筑達到近零能耗建筑標準，2050年所有存量建筑改造成近零能耗。采用被動房超低能耗建筑技術體系和提升可再生能源使用比例是德國實現上述宏偉目標的主要技術路線。產能型建筑(Energy Plus House) 正是德國交通、建筑和核安全部(BMUB)對“未來建筑”的研究目標之一。

2、定義

產能型建筑是指一年建筑所消耗的一次能源及終端能源均為負值（∑QE∠0kWh/m2a）。也就是建筑所產生的能量超過其自身運行所需要能量，這是一種新的建筑類型。產能型建筑類似于零能耗建筑，但更有優勢的是，相較于傳統能源（電能、天然氣等）能利用可再生能源產生更多的能量。例如通過建筑本身安裝的太陽能光伏發電和熱泵設備，產生建筑供暖、熱水、生活用電、照明等所需的能量。

3、發展現狀

最早的產能型建筑是2000年在弗萊堡太陽小區建成的產能型住宅小區，建筑均為2-3層，是第一次將當時最先進的被動式建筑節能技術及太陽能光伏發電技術相結合，光伏板產生的電量超過居民所需，多余的電量并入了國家電網，具大學研究人員統計，小區每年平均產生多余電量為36kWh/m2。

2007年，德國交通、建筑和核安全部(BMUB)提出“產能型建筑”——未來建筑研究計劃，意在研究不同功能產能建筑的技術、成果轉化以及居住和公共建筑的建設標準。產能型建筑和電動汽車相結合是本次計劃的一項特別研究。

在德國政府的支持下，達姆斯達特大學推出的產能建筑首次在世界展露手腳，并贏得 2007年美國華盛頓州舉行的“太陽能十項競賽”，這個建筑是一個功能齊全的輕質結構建筑。2011年，在柏林建起了另一棟示范建筑，這是一個產能型建筑結合電動汽車的項目，研究人員在這個項目中運用了更多的建筑節能技術及智能技術。2012年3月，研究團隊將一棟擁有40年歷史的既有建筑改造成為產能型建筑，而在當地，僅在萊茵美因河地區就有類似的建筑1-1.2萬棟，因此這個項目采用的技術在當地有相當大的應用潛力，這個建筑也將作為其他改造項目的樣板。

二、產能型建筑案例

由德國環保、建設及城市發展部（BMVBS）修建的第一個“產能型建筑和電動汽車”試點項目位于柏林夏洛特堡地區（見圖1），項目基地與柏林藝術大學相對，緊鄰柏林動物園。該項目于2011年建筑完工，研究人員試驗了不同節能技術和設備在不同功能下的性能。完工后的頭3個月（2011年12月-2012年2月）該項目作為展示建筑開放參觀，為采集更真實的研究數據，2012年3月，一個4口之家開始了長達15個月的體驗入住，2013年6月，建筑又被重新改建成為展示建筑向公眾開放。

圖1 德國政府資助的第一棟產能型建筑

1、建筑設計

該項目建筑面積187m2，上下兩層。建筑體型設計緊湊，其目的一是為減少圍護結構的熱量流失，二是縮短設備管線距離。一層功能為起居室和廚房，二層為臥室。為了方便建筑使用功能的調整以及可拆卸，整個建筑均為模塊化設計，建筑材料也采用了可回收的綠色建材，建筑基礎采用預應力混凝土條形基礎和樁基礎。建筑的所有設備均集中在“能源核心”，位于一層緊鄰街道的展示櫥窗內，室外便是電動汽車停車及充電場所，公眾可以通過櫥窗內的監測數據隨時了解建筑能耗情況。

2、圍護結構

建筑圍護結構均為裝配式輕質結構，地面、屋面、外墻、內隔墻均采用木結構復合保溫板。建筑西立面和東立面的全玻璃幕墻采用了鋼柱支撐屋頂結構。木結構復合保溫板是由紙漿纖維做成的高效保溫材料填充，外墻傳熱系數僅 0.11，另外附加一層麻纖維板有著很好的隔音效果。大面積的玻璃幕墻為3層中空玻璃，由氬氣填充，傳熱系數為0.7。玻璃幕墻外安裝了鋁百葉活動外遮陽。

3、建筑技術方案

通過兩個源頭獲得建筑能源：一是通過屋面以及南向外墻安裝的太陽能光伏板發電；二是一臺空氣源和水源熱泵，確保冬天能從基地外界獲得必要的熱源。建筑內的高效蓄電池可以將多余的電量儲存起來以備不時之需或者給電動汽車充電，富余的電量還可以并入公共電網來換取補貼。通過創新的技術和智能管理系統，鋰電池可以同時兼具電量存儲和輸出的功能。機械通風器可以保持室內較好的空氣質量，每個房間的窗戶也可通過人工開窗進行換氣。排出的空氣通過熱交換機將熱量進行回收，加熱新風，建筑的照明全部使用LED燈。建筑進行了智能家居設計，居住者可以通過智能控制系統對燈光、外遮陽等進行調節，也可以通過“能源核心”控制各種設備。

4、研究數據

根據公開監測數據顯示，預計光伏板產電量為 16625kWh，實際產電量為13306，比預計低20%，原因是受天氣和地理因素影響。實際用電量為12400kWh，比預計高出 75%，用電量最大的設備是熱泵，預計使用 2217kWh，實際使用5865kWh,原因是入住家庭暖氣使用溫度比預計高，以及計劃外的開窗換氣以及家用電器的用電量也比平常估值高出很多。

三、產能型建筑技術分析

產能型建筑主要采取 3個基本技術措施，一是盡量提高建筑節能率，二是將建筑能耗降到最低，三是利用可再生能源作為消費能源。

1、提高建筑節能率

德國要求產能型建筑節能措施必須遵守德國2009建筑節能法規。在進行建筑設計時，建筑體型要緊湊，建筑四周不應有建筑物和植物的遮擋，建筑朝向要合理，要合理控制窗墻面積比（南面可適當加大開窗比例，北面盡量避免開窗），屋面和墻面要留有安裝太陽能光伏板的位置，建筑圍護結構要盡量將保溫隔熱性和氣密性做到最佳。

圖2 產能型建筑試點項目圍護結構傳熱系數對比圖

2、最小化建筑能耗

產能型建筑是個綜合性系統工程，為了實現自給自足的目標，在降低家用電器、照明以及供暖等能耗的同時，還要通過智能管理系統合理分配和控制儲能的使用量。因此產能型建筑要求所有家用電器應達到最高能效等級，照明采用 LED燈或者節能燈，新風系統通過熱交換器對室內空氣熱量進行回收，在儲能設備上安裝智能管理系統，以實現各種電器的電量使用及溫度控制。

3、利用可再生能源

充分利用可再生能源，例如采用太陽能光伏、風力發電技術，水源、空氣源、地源熱泵技術，太陽能熱水，自然采光，新風熱回收系統等。通過智能管理系統進行管理，將日照較強的時候產生的電量儲存在中央儲存器里面，在夜間和光照較少的時候存儲器自動提供電能，富余的電量可以并入公共電網來換取補貼。

以下為一個試點項目能耗數據對比分析：

表1 產能型建筑年耗電量及產電量對比表

注:本案例為一棟120m2的獨棟住宅，擁有60 m2太陽能光伏板，通過空氣源或者水源熱泵（包括新風系統和太陽能加熱系統）提供暖氣。

4、存在的問題及建議

產能型建筑在運行過程中受太陽光照因素影響較大，因此建筑所處的地區、朝向以及是否適合安裝太陽能光伏板都是對產能型建筑的約束因素。在德國，因富余電量并入公共電網補貼價格波動較大，造成有些使用者情愿將富余電量更多地留下來自己使用，或者在生活中對室內溫度的不科學設置，造成不必要的能源浪費。因此產能型建筑應安裝智能控制系統，以及在設計環節制定能源使用規律計劃表并在運行中通過能耗監測系統進行實施監控，才能將設計理論值更好地在實踐中推行。此外，為降低建筑的全周期耗能指數，新建產能型建筑也應提倡采用自然、可循環使用的建筑材料。

四、結語

迄今，德國政府資助開發單位建設了35個試點項目，多個研究團隊長期對這些試點項目進行跟蹤并采集數據，項目運行數據也實時在網上進行共享，獨棟、聯排、多層住宅均為數據監測的對象。目前德國正著力開展既有建筑改造以及學校建筑的產能型建筑標準的研究，以便更廣范地推廣實施產能建筑，使更多的建筑成為自給自足的小型能源站，以達到減少一級能源消耗，保護自然環境的目的。產能型建筑是未來建筑節能減排的重要途徑，必將在我國新型城鎮化的進程中扮演重要角色。

[1]夏冰,陳易.德國產能型住宅設計案例解析與思考[J]. 住宅科技,2014,12: 33-38.

[2]何建清.改型太陽能熱水器 開發建筑產能能力[J].太陽能,2006,05:15-17.

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1007-6344（2016）08-0108-02