零能耗建筑典范:山西能源博物馆
日期:2023-06-09

零能耗建筑典范:山西能源博物馆

原创 WINDOOR新品展 城博门窗幕墙新产品博览会



在「双碳时代」中,

光伏一定是重要的技术,

与建筑结合也是未来发展中很重要的途径之一。



罗多

中国水发兴业能源集团有限公司

总工程师







#「光伏建筑」必然是未来


「零能耗建筑」要解决的方向,除了要降低能耗以外,还有四个主要解决的问题。首先是节能,然后更重要的是改善室内环境,我们在能够提升环境舒适度的前提下节能,可以降低运营费用,实现系统产需平衡


通过五个步骤实现「零能耗」。首先要降需,除了建筑本体的设计,围护结构性能的提升必然让需求降低。在降低基础需求上,把室内设备、空调、灯、自动化设备等进行提升增效。接着是产能实现产需平衡,如果把产能和降需的围护结构结合起来就是BIPV,但真正能做好BIPV并不很多,这是建筑和能源两大领域交叉的工作,需要长时间的实践经验。最后我们把这些技术实行很好的控制。如果还达不到「零能耗」,可以做一些「碳汇」的工作,最终在2060年实现所有建筑的碳中和目标。


国内在2019年出台的《近零能耗建筑技术标准》是评价建筑是否为零能耗建筑,是否能拿到评价证书。



近零能耗分为四个层级,最低级别是超低能耗主要控制本体节能率、综合节能率。本体节能率指的是所有建筑的节能标准对比下,在现行的标准下继续降低20%到25%的本体节能,加上可再生能源实现我们综合节能50%,这就是超低能耗。


近零能耗在超低能耗基础上进一步节约,达到60%。如果产能和用能全年平衡,就能实现零能耗如果能够超过110%,它就是产能建筑。


零能耗建筑分为四种表现形式。第一种,所有可再生能源在建筑本体上使用。第二种,更多使用可再生能源,超过5层以上的建筑仅用本体的节能率可能不够,我们鼓励在园区里用停车棚、风雨连廊,也算做建筑的可再生利用。第三种,外界购买可再生能源原料,如生物质能。在本地产能的技术,比如地沟油发电、秸秆技术、生物酯柴油等,总之是买外地的能源或者自己产生的废弃能源来直接发电,这些都是作为未来实现零碳建筑很关注的技术。第四种,购买可再生能源。





#近零能耗建筑被局限



劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)于2019年7月在SCI 一区发表了一篇论文——《湿热地区34个净(近)零建筑实践分析》,其中中国的华南地区也包含在湿热地区。兴业研发楼、新加坡国立大学设计学院等共34个净(近)零建筑项目里都使用了光伏的节能节碳技术。


我个人对光伏的应用范畴进行了研究,在中国的五个气候带不同的太阳辐射区,在4层左右的高度使用现有的技术就可以做到本体的零能耗。如果超过了范围,就是我们对未来新技术的一些思考。


我所接触的最高层级建筑就是ILFI总部大楼,它位于西雅图,是美国的温和地区。它戴了一个高高的光伏“帽子”,悬挑大概8米,共6层高度,实现本体的零能耗。如果超过这个跨度或者超过这个级别,要实现本体的零能耗就有一定难度,需要我们所有科技工作者创造更多的节能新技术。





#国内体量最大的光伏建筑——大同未来能源馆



山西大同未来能源馆是目前体量非常大的零能耗建筑,能源馆的设计概念就是以绿色低碳生态为主。山西大同,是太阳辐射量很好的地区,夏天几乎用到的空调非常少,主要以供能为主。项目接近3万平米,高度二十几米,要实现这个大体量建筑的零能耗是很大的挑战,要更多地去思考如何高效利用可再生能源。


我们利用了所有能利用到的建筑表面,用最好的电池转换效率充分发挥它的系统功能,实现最大的发电量。



 5种光伏技术应用 


项目用了多种的光伏技术,屋顶上全部都是光伏,南面用的是标准BIPV面是透光率的采光顶中间是被动式采光顶,顶上用了碲化镉采光顶,立面使用银灰色光伏格栅。


采光顶下面是一个花园,需要安全系数很高的要求,屋顶用的是6+6的透明双玻晶硅组件,我们要求的是一个巨型的正方形,由于常规组件都不是正方形,所以采用了装配式的理念来实现,电池采用当时最高效的PERC电池。


南面用的是两块标准电池,它们的结构、透光率、效率、功能都不一样,但尺寸和施工工艺是一样的,意味着装配的节点也可以做到一样。


从CAD图上可以看到,左边是标准3.2+3.2双玻组件,右边是非标准6+6双玻组件,但是它们的装配构造是一样,以1+1=2的方格形式去实现装配式正方形的理念。


在采光部分实际是一个张弦梁结构,跨度达到了三四十米,这对于普通的光伏企业来说是很大难度,但对于幕墙公司来说是容易实现的一种结构。


中间采光顶采用的是碲化镉,跟晶硅很大的不同就在于它的标准化尺寸是1200x600mm。如果突破了这个尺寸,它会带来很大的成本增加和材料浪费,因此一体化的设计非常重要。所以我们用到的结构体系最重要的就是降低成本,把玻璃和光伏的尺寸模数能够一体化结合,用标准组件尺寸就可以用在光伏采光顶上。


下面玻璃部分实际上是被动式的采光顶,传热系数(U值)低至0.85W/(m2·K),所以这个项目是一个被动式建筑。





 「能量云」立面设计 

建筑立面是由三块不同颜色的三合一碲化镉组件组成,使用的是标准尺寸板块。建筑设计师是没有办法设计出立面的效果,因为他对电池的尺寸、色彩、功能等都不了解。为了实现设计师的概念,我们让光伏建筑系统专项工程师来配合他的建筑概念做出了五个效果图。


最终选择阵列组合,寓意是一种能量云,用银白色效果设计成像云朵一样的概念。立面特点是用了标准组件的尺寸,把这三个尺寸三合一,仍然是装配式的概念。





 「双层龙骨结构」支撑设计 


项目层高是达到7.5米且中间没有梁柱,如果按照它倾斜的长度来布置主龙骨,可以长达20到30米,这样就会显得不够轻巧,失去「云」的概念。


为了降低龙骨的用量,我们使用了「双层龙骨结构」,外面一层龙骨是纤维混凝土薄板,薄板外面是光伏,这样就可以隐藏里面那层龙骨,最外层的龙骨就不需要按照7米层高来设计。我们在每一个交叉点做一个里面的龙骨,变成一个支座,也是装配概念。


三块光伏组件形成一个菱形的主要结构,整个装配的菱形结构是用点支的支撑结构,一共有四个点在里层的龙骨上,实现斜向跨度只有3米多,是一个比较合理的装配式设计。


与此同时,在交叉点出现的支座会不好看。我们专门设计了一种LED灯带结合在装配式的槽里,使它变得美观,从而实现整个立面的装配,还有发电、效率整成一体。


在项目的组件选择上,我们找到所有厂家提供样板,对组件的效率、价格、结构进行多方面的分析,最后实现山西省的一个重大专项。





 「光储直柔」电气设计 


项目的发电量接近1兆瓦,并细致到逐时逐月计算。我们要思考作为国内最大的单体BIPV建筑,所产出的电能要怎样合理使用。


电网希望每个建筑都是恒功率取电,所以未来的建筑都会有储能。光伏发电是直流电,储能的电也是直流电,而直流设备有电脑、手机、照明,以及直流空调、直流饮水机,实现直流给直流,这就是「光储直」。


光伏产出的直流电不像交流电,如果我们要稳定在这个电压下,控制会很复杂,所以我们要用柔性的接入方式,这个「柔」扩大到与电网的交互上面,所以「光储直柔」实际上是可以给电网变成一个需求的响应,把建筑变成一个小的虚拟电厂,让整个区域型的电网能够更加的均衡。大同未来能源馆就是全球最大的「光储直柔」项目。



当时做了很多稿方案,最后确定是「光伏交直流混合微网系统」,除了展陈类的插座无法固定用电形式,项目内的所有设备,不仅是照明、插座、风机盘管、大屏幕、空气源热泵、制冷机房、数据机房等设备都是用直流电,这就是中国最大的直流建筑。


直流建筑也会带来很多思考和创新点的研究,比如直流保护功能:短路、漏电、绝缘、电弧、火灾、、温度、过欠压、过流保护等,是电流上面的创新力。


我们也在思考,在未来的建筑从交流慢慢转到直流的过程中,我们能做什么?直流的最大的难度在于有一些硬件设备,比如DCDC、PCS。但更重要的是,我们做到所有的负载变成直流的时候有一个标准化,一个全过程监管的流程。所以,我们认为在这样一个漫长的过程中,全直流其实还在初步示范阶段,现阶段可以推广的是交直流混合。


我们要相信,未来的建筑是交直流混合的,我们要做的就是在交直流的这条路上,做一个核心的控制器,怎么可以更经济的去使用各种各样的电。


该项目已经拿到了三星的绿色建筑标识,以及LEED-NC金级认证和被动式低能耗建筑标识。同时也是中国第一个展陈类的零能耗建筑,根据国家的评价标准做评价,包括本体节能和综合节能,以及可再生节能率,叫做「建筑能效」,通过这个能效分析,的确达到了零能耗的实践标准。




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