可再生能源為建筑超低能耗“賦能”

文-本刊記者-陳向國 劉京佳

超低能耗建筑是建筑未來的發展趨勢和推動碳達峰、碳中和的重要方式之一。近年來，北京市把大力推廣超低能耗建筑作為建筑領域節能減碳的重要內容，通過政策宣講、技術推廣、調研培訓、標準引領、精準施策、示范獎勵、強化監督等多措并舉，使得超低能耗建筑已達到一定規模，類型涵蓋城鎮居住建筑、公共建筑、農宅等，取得了良好的示范效應。

近日,由北京節能環保中心、節能與環保雜志社和北京能源學會共同舉辦的“超低能耗建筑技術助力北京碳中和可再生能源專場暨第31期北京市綠色發展及碳達峰碳中和大宣講”，多位專業技術人員的分享，就是一場專業技術經驗交流、推廣活動。

在實現建筑超低能耗過程中，太陽能、地熱能等可再生能源技術的應用發揮越來越大的作用——可再生能源“賦能”建筑超低能耗。可再生能源對建筑節能降碳作用的發揮離不開光伏組件建筑一體化（BIPV）。BIPV近些年來迅速成為建筑行業的新賽道。為進一步了解相關情況，本刊采訪了光伏組件建筑一體化企業英利集團旗下保定嘉盛光電科技股份有限公司（簡稱“英利嘉盛”）總經理張翼飛，將他的看法與“北京市綠色發展及碳達峰、碳中和大宣講”專業技術人員的觀點結合，深探可再生能源“賦能”建筑超低能耗之效。

“太陽能”“地熱能”等讓建筑更低能耗

從華清榮益建造運行的北京城市副中心智慧能源保障中心及英豪陽光北京大興區大辛莊中學冬季供暖改造項目的運行來看，太陽能、地熱能的充分有效利用是實現建筑本身、運行過程中節能降碳的有效途徑。

國內能源行業首個“近零能耗”建筑

國內能源行業首個“近零能耗”建筑是北京城市副中心智慧能源保障中心（通州河東5號調峰熱源工程配套輔助樓）。該中心面積5200平方米，集客服、應急搶修、調度功能于一體。“該項目可再生能源利用率達73%；建筑本體節能率達80%。單位建筑二氧化碳排放量從三步節能建筑的每年每平米78千克降低至4千克。”華清榮益技術主管孫志亮介紹說。據悉，該建筑已經取得近零建筑認證、綠建三星建筑認證、超低能耗建筑認證。

孫志亮說，之所以取得這樣的成績，是因為該建筑采取了“被動優先+主動優化+可再生能源輔助”的技術體系。

“本項目從兩方面實現該建筑節能降碳。一是從圍護結構、屋面系統、地面保溫系統、遮陽系統等方面完善建筑主體結構熱工性能技術升級；二是從低能耗樓宇設備、暖通空調系統、樓宇智慧運維管理系統、智能微電網系統關聯耦合實現按需供能的超低能耗調度系統。”在可再生能源利用方面，孫志亮介紹說，“項目總冷負荷340千瓦，總熱負荷240千瓦。基于本項目近零能耗目標和示范效益，充分考慮項目基礎條件和業主意向，對本項目冷熱源系統配置方案進行論證。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，能源系統設置時遵循的原則為供暖空調冷源與熱源應根據建筑物規模、用途、建設地點的能源條件、結構、價格以及國家節能減排和環保政策的相關規定等，通過綜合論證確定。”

在論證的基礎上，該智慧能源保障中心冷源、熱源需求供給如下：

冷源。地源熱泵制冷量164千瓦，供回水溫度16/21℃；空氣源熱泵制冷量6 7千瓦，供回水溫度16/21℃；蓄冷罐13 0 m3，蓄熱量1200千瓦時。熱源。地源熱泵制熱量174千瓦，供回水溫度33/38℃；空氣源熱泵制冷量69千瓦，供回水溫度33/38℃；蓄熱罐130m3，蓄熱量1200千瓦時。“可再生能源的利用有力支撐了該項目超低能耗建筑目標的實現。”孫志亮強調說。

太陽能跨季節儲熱+地源熱泵系統解決方案

“太陽能跨季節儲熱+地源熱泵系統是結合我國北方地區用熱特點，將太陽能光熱技術、淺層地源熱技術和土壤儲熱技術有效融合的一種新型清潔采暖解決方案，很好地達到土壤的冷熱平衡，從而保證了系統的穩定與安全，可有效解決我國大部分地區農村城市的采暖問題。該系統解決方案具有無排放、節能、環保的特點，可有效解決我國北方地區新型城鎮化建設和新農村建設的采暖問題。”英豪陽光技術總工曹瑞堂介紹說。

據悉，該系統可實現冬季采暖、夏季制冷、日常生活熱水三大功能。曹瑞堂說，“利用土壤儲熱，實現太陽能資源跨季節儲存。充分利用太陽能資源存儲于土壤中用于冬季采暖，平衡土壤熱量運行過程中無任何排放，不會產生粉塵、氮氧化合物污染。即使在夏季，產生的熱量也將得到儲存，不會產生‘熱島效應’。”除此之外，還有兩項優點。“一是運行穩定，運行費用低。跨季節儲熱技術不僅實現了系統長期穩定運行，而且長期運行后，隨著太陽能儲存的熱量逐漸增加，系統運行費用將逐漸減少，逐漸實現全太陽能供暖。二是自動運行，管理方便。由于本系統為全自動智能控制，故系統本身自行管理，末端自動溫控，可實現室內溫度恒定，不會因外界環境變化造成室內溫度大幅變動。本技術入選《北京市2018年節能低碳技術推薦目錄》，榮獲北京市科學技術獎三等獎、河北省建設行業科學技術進步獎一等獎。”曹瑞堂說。

應用實效如何？曹瑞堂以北京大興區大辛莊中學冬季供暖改造項目為例予以說明。據介紹，大辛莊中學位于大興區禮賢鎮，總建筑面積3631平方米，包括教室、辦公室、會議室、活動室等。本項目于2015年改造完成并投入使用。 改造前，業主提出三項要求。一是保證效果，冬季室內溫度達到北京市采暖標準18℃。二是節能減排，系統運行不能產生排放。三是系統安全、靜音，不能影響正常上課。

“改造前，該建筑用小型燃煤暖氣鍋爐帶暖氣片采暖，專人值守操作——一人同時值守13個鍋爐，夏季室內安裝電風扇降溫，全校集中生活熱水供應。年用煤量為36噸/爐，且會出現需要熱量的時候溫度低，如早晨、陰雪降溫天；同時，校園煤煙嚴重。室內溫度在10℃左右。改造后，校園中用于冬季采暖的煤堆和鍋爐房、用于夏季制冷的空調室外機、房頂用洗浴的太陽能單機均被新的集成系統取代。校園環境變得整潔、衛生。更重要的是，二氧化碳、碳氧化物、硫化物、粉塵零排放。也就是說，本項目用跨季節儲熱技術完全代替采暖燃煤一項，即每平方米采暖面積每年可減少燃煤消耗100千克，即減排二氧化碳260千克，完全避免使用燃煤采暖導致的PM2.5污染。該校學校每年共可減排二氧化碳545噸、二氧化硫1.8噸、氮氧化物1.5噸。”曹瑞堂介紹說，“改造前，使用燃煤每平米50元到53元，且不含人工費用，室溫8~12℃；改造后，16~25元，室內全天恒溫21~22℃。跨季節儲熱技術是目前解決新農村、公共建筑采暖問題最佳的清潔能源供暖方案。”

光伏綠色建材助力建筑超低能耗

“一方面，光伏綠色建材首先是建材，需要同時滿足光伏行業和建筑行業兩個行業的標準和要求。另一方面，在發電效率和減排效果方面，隨著國內光伏技術的發展，光伏綠色建材的轉換效率和發電量也在不斷提升。”張翼飛對記者說。的確，近些年，光伏行業不能與建筑融為一體的難題已經被破解——英利嘉盛等企業走到了前列。得能瓦技術也取得了突破。

光伏綠色建材不斷更新迭代

回顧我國BIPV的發展歷程，我國最早的晶硅光伏綠色建材誕生于2007年。當時國內首個BIPV項目——保定電谷國際酒店要應用一批能發電的玻璃代替傳統玻璃，為此誕生了我國首塊晶硅全玻光伏發電玻璃。

保定電谷國際酒店

自此之后一段時間內，由于市場不明朗，光伏綠色建材進入市場拓展的瓶頸期，但相關企業的技術研發并沒有停止。據張翼飛介紹，2007年以來，我國的光伏綠色建材在外觀、技術路線等方面經歷了12次更新迭代。2019年，全球首款曲面晶硅光伏黛瓦誕生；2020年，國內首款色彩化、紋理化晶硅光伏綠色建材面世，晶硅產品終于突破外觀限制，在色彩、紋理、造型等方面實現了巨大突破，既能發電，又能美化建筑，成為新一代“能發電的城市建筑美容師”。“在這個過程中，英利嘉盛的技術研發水平也實現突飛猛進的發展，截至目前，英利嘉盛獲得相關專利294項，標準16項，成為首個主編BIPV領域國際標準的中國企業，專利數量、標準數量均位居行業第一。”張翼飛說。

很顯然，光伏綠色建材具有雙重屬性。“光伏綠色建材首先是建材，需要同時滿足光伏行業和建筑行業兩個行業的標準和要求。”張翼飛表示，截至目前，英利嘉盛的光伏綠色建材——新型晶硅光伏綠色建材已經通過了光伏行業及建筑行業共計超過30項認證和測試，能做到與建筑同壽命。在發電效率和減排效果方面，隨著國內光伏技術的發展，光伏綠色建材的轉換效率和發電量也在不斷提升。以北方地區為例，如果安裝在立面，每平方米光伏綠色建材每年可發電145度左右，相當于減排二氧化碳144千克。

“由于這種新型晶硅光伏綠色建材與建筑具備高適配性，且具備優異的發電性能，因此一經推出，就獲得市場高度認可，應用在了很多優質項目上。比如，最近剛剛完工、即將投入運營的上海首個零能耗建筑——上海招商璀璨城市零碳展館，就使用了英利嘉盛最新的青磚系列。張翼飛自豪地說，產品與建筑銀白色外觀渾然一體，大氣協調美觀，且兼顧節能及發電效果。此外，英利嘉盛的晶硅光伏綠色建材還用到了全球最高、最大、最智能的零能耗政府建筑——迪拜水電局新總部大樓，亞洲最大高鐵站——雄安高鐵站，國家級零碳示范村——四川攀枝花混撒拉村，光儲直柔示范項目——山西新源智慧運行總部，光伏+漢文化建筑——天漢大劇院等一批國內外優質的超低能耗、甚至零能耗建筑上。截至目前，英利嘉盛的光伏綠色建材累計應用面積超過70萬平方米，相當于每年為全球建筑減排二氧化碳近10萬噸、降耗5.5%。

“從建筑行業碳中和實現路徑來看，光伏綠色建材不但可以有效節能減排，還是調整建筑用能結構的必由之路，是構建以新能源為主體的新型電力系統的重要一環。隨著國家鼓勵綠色建材促進建筑品質提升的試點工作進行，相信光伏綠色建材必將從公共建筑走向民用建筑，助力建筑碳中和早日實現。”張翼飛總結說。

瓦得能與得能瓦

得能瓦是北京瓦得能科技有限公司經過4年研發的產品。據該公司董事長王欣榮介紹，得能瓦不僅具有建筑瓦的基本屬性，還具備生產熱能、提高光伏組件發電效率和給建筑加熱和冷卻功能，是對建筑材料應用的一項偉大創新。

“得能瓦／板是利用高分子材料復合生產的中空屋面瓦和外裝飾墻面板，瓦或板面層是共擠的吸熱涂層，瓦或板內的介質通過設計的流道采集傳遞熱量（產能），通過換熱器實現屋面溫度調節（節能）；光伏組件可以直接鋪設在該瓦或板上，解決太陽光伏發電系統、太陽熱水系統不能建筑一體化的世界難題。得能瓦/板技術系統能與空氣源熱泵系統有機結合，可形成多能互補清潔能源解決方案。”王欣榮說。

“太陽能光伏光熱得能瓦組件利用專業技術把柔性晶硅組件復合在液體流道得能瓦（板）表面；組件發電時背板產生的熱量加熱流道內的介質，同時起到給光伏電池降溫作用，提高光伏組件發電效率；該系統光伏陣列面積約為40平方米，正南朝向坡度為10度，每10塊組件形成一個組串，共7串，總裝機容量為4.37千瓦，經匯流箱匯流后進入5千瓦逆變器（因系統耦合3P水源熱泵，為保證熱泵的正常運行采用兩臺逆變器并機運行模式），輸出220伏電源為用電設施供電，自發自用，余電采用8塊12V120AH鉛酸蓄電池儲能，形成離網系統加有市電互補的光伏儲能系統。多余的電能也可以用來加熱水備用。”王欣榮介紹太陽能光伏光熱PVT得能瓦系統工作原理時說。

具體而言，PVT得能瓦系統集熱供暖系統是如何實現供暖的呢？

王欣榮介紹：在非供暖季，太陽能光伏光熱PVT得能瓦集熱水箱與地埋水箱換熱蓄熱，水源熱泵制冷產出的余熱與地埋水箱換熱。在供暖季，分太陽能得熱量充足與否兩種情況。太陽能得熱量充足時，集熱水箱溫度達到供熱溫度要求時，直接供末端采暖。太陽能得熱量不足時：一是集熱水箱水溫大于25℃小于供熱溫度時，集熱水箱與地埋水箱換熱，地埋水箱為水源熱泵提供熱源，加熱緩沖水箱中的水供末端采暖；二是集熱水箱水溫大于12℃小于25℃時，集熱水箱為水源熱泵提供熱源，加熱緩沖水箱中的水供末端采暖。當集熱水箱小于12℃時，地埋水箱為水源熱泵提供熱源，加熱緩沖水箱中的水供末端采暖。

目前，利用可再生能源節能降碳的途徑比較多——趨勢是融合、耦合發展。“得能瓦技術系統為復合的、新型建筑材料和現有的清潔可再生能源技術進行整合提供了可能。”王欣榮說。

“新成員”——空氣源熱泵系統合力降耗減碳

根據住建部發布的國家標準《建筑節能與可再生能源利用通用規范》，2022年4月1日起，空氣源熱泵系統正式位列全國承認的可再生能源行列。此前，空氣源熱泵系統已有多年實踐應用，但并未納入全國承認的可再生能源隊列，因而享受不到政府的專項財政補貼等的優惠政策。4月1日起，它將和太陽能系統、地源熱泵系統一樣享受可再生能源的相關政策紅利。

北京市支持空氣源熱泵系統推廣應用

北京市從2013年起，正式啟動了農村地區“減煤換煤清潔空氣”專項行動。截至2018年，北京平原地區基本實現無煤化。數據顯示，在北京“煤改清潔能源”的2279個村莊中，實施“煤改電”村莊有1822個，占比80%。而在各煤改電取暖設備中，空氣源熱泵更受北京煤改電用戶青睞。2016年北京“煤改電”19.9萬戶，其中空氣源熱泵15.1萬戶，占總改電戶數的75.8%。到了2017年，北京“煤改空氣能熱泵裝機總量就達到30.2萬臺，市場占比居所有品類之首。2018年北京電采暖用戶已突破120萬戶，空氣源熱泵采暖用戶數60萬戶以上。空氣源熱泵之所以更受北京“煤改電”青睞，因為空氣源熱泵通過“逆卡諾”原理，把空氣中低溫熱能轉為高溫熱能，再給室內供暖。它靠少量電能驅動，不用燃氣燃煤，無廢氣排放，能效比高，與其他電采暖設備相比，更加節能、高效、環保和安全。更重要的是，北京政府對煤改空氣源熱泵的補貼力度比較大，減輕了居民的費用負擔。

《2018年北京市農村地區村莊冬季清潔取暖工作方案》規定，“實施‘煤改電’項目，可選擇使用空氣源熱泵等清潔能源取暖設備，改造方式可以選擇單戶改造或集中改造。對使用空氣源熱泵、非整村安裝地源熱泵取暖的，市財政按照采暖面積每平方米100元的標準進行補貼。”北京各區縣根據實際予以落實，比如，延慶區在《2019年農村地區村莊冬季取暖工作實施方案》明確空氣源熱泵補貼政策。市級財政按住戶采暖面積每平方米100元進行補貼，每戶最高不超過1.2萬元；區級財政在市級財政補貼后，按設備型號中標價格據實補貼，最高補貼1.2萬元。

據了解，2021年底，北京市發展改革委批復2021年第二批“煤改電”工程資金申請報告，涉及昌平區果莊村、王莊村東莊2個村共794戶。改造結合實際地理地貌，共新裝、更換柱上變壓器15臺，新裝電表794臺，新建電纜井2座，架設絕緣線約50.5千米，敷設電纜約22千米，新立電桿239基，近800戶山區居民家里用上了空氣源熱泵取暖，告別了往年燃煤取暖的諸多不便。實施清潔取暖改造后，鄉村環境和居民生活品質獲得了整體提升。

下一步，北京市發展改革委將繼續支持山區居民煤改清潔能源，進一步優化用能結構。

分布式能源站是空氣源熱泵應用核心技術路徑

四季沐歌技術部經理范惠捷介紹說，空氣源熱泵系統主要應用于家用、商用、水產畜牧養殖、種植領域，75%的功用是供暖，因而要“聚焦75%采暖市場，抓住規模性，而建設運營分布式能源站是其核心技術路徑。”建設一個能源站產品占30%，系統設計占40%，安裝運維占30%。“一個好的能源站三部分都需要做好。”

范惠捷對空氣源熱泵系統設計方法與技巧做了詳細講解，并給出了各階段的核心要點。

第一，項目勘察階段。

一定要關注原有變壓器歸屬及電費掛鉤的問題，歸屬不同，價格不同，關乎運行費用；運營年限和許可涉及到投入和產出的差值利潤問題；供暖管網質量、分布、責任劃分涉及到運行費用的問題；舊改項目，需要與之前運行繳費情況進行數據分析，套內面積還是建筑面積；政府承諾保底政策，如繳費率保底等，要簽入協議，不足該如何補償；能源價格需要明確水費、電費、燃氣費等。

在項目勘察階段，機組放置位置選擇應得到足夠的重視。不要將能源站選擇放置在非供暖建筑周圍空地上；居民建筑低于50米的情況下，應注意降噪；注意放置位置的使用年限和費用歸集問題，要有書面資料；若放置屋頂，需要考慮隔振、降噪和承重、電力等問題。

第二，設計階段。

一是要關注總費用。能源選擇上考慮采用耦合設計，讓生命周期投資最低；設計盡量用軟件精準核算，有條件的自行開發，無條件的可直接購買。

二是噪音解決方案。總的要求是滿足國家標準。系統級別的降噪建議采用先預算、后設計和實施的方式精準降噪；降噪預算金額一般控制在3~8元/平方米；除設備降噪外（如熱泵、水泵），還需要關注系統降噪的問題；最好的降噪方式是遠離人群。

三是架空問題。空氣源熱泵布置需要考慮間距及高度問題，保證設備運行的通氣量，避免多列出現結霜、冷島等問題。

第三，運營階段。

對于用戶偷水問題，需要在系統控制方面可查可控，加強循環水的不可用性；供熱和停熱可控，避免不必要的運行費用支出；設備一定要有機房和圍擋，機房無人要上鎖，注重安全和避免不必要的損失；房間設計標準溫度18℃，用戶需求不一致，要在 20℃以上方可；運營是可以賺錢的，一定要與社區物業公司處理好關系。

“通過系統級設計、智能控制和專業運維，可以做到更有效的節能，在配合合理情況下，一個系統節能空間在15%~20%。”范惠捷，用實例證明了空氣源熱泵耦合能源站對建筑節能降耗的明顯功效。