严寒地区近零能耗建筑成套技术推广应用研究★

徐慧敏，任楠楠

(1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130000;2.吉林水利电力职业学院，吉林 长春 130000)

在国家大力推进节能减排积极倡导低碳建设的形势下，东北严寒地区建筑节能工作发展迅速，尤其是国家和地方科技支撑计划的实施，一批成果已经在建筑节能工作中发挥作用。推广严寒地区近零能耗建筑成套技术对打造满足更低能耗、更舒适、更健康、更高质量的人居环境就具有深远的意义和很好的社会应用前景[1]。美国首先推出绿色建筑的概念，并制定了相应标准。英国和许多北欧国家也在被动房或超低能耗建筑的研究和实践方面做了大量的探索，成果斐然，并指定了一系列的评价绿色建筑的标识：Active House主动式建筑，LEED，BREEAM，WELL健康建筑。近些年来，我国各地涌现出一批新型低能耗绿色建筑示范工程，推广应用还在探索阶段尤其是严寒地区的近零能耗建筑成套技术推广基本为空白[2]。2020年我国提出了2030碳达峰和2060碳中和的双碳目标，更加加速了新能源产业链的转型并促进了可再生能源相关产业链向外延伸对绿色建筑提出了新的要求。

研究基础是已经在吉林建筑科技学院新校区内建成一座严寒地区近零能耗示范建筑，集成了当今国内近零能耗建筑领域最先进、最全面的技术。该示范建筑，被确立为国家住建部科学技术示范项目和全国首批超低能耗标志性项目，被中国建筑节能协会评为“中国好建筑”，是吉林省首座严寒地区多能互补型近零能耗建筑示范工程(见图1)。填补多个严寒地区建筑节能及能源供应技术空白，形成多能互补型近零能耗创新技术体系，主要采用无水直热式点供暖，光伏与建筑一体化设计，地能与太阳能多能互补，新风和毛细管末端系统，风光互补并网发电等新能源技术手段，在建筑清洁能源及可再生能源应用领域，位列国内先进、省内领先。前期建成的严寒地区近零能耗示范建筑经过近四年的运行与实际检验，技术完备，成熟，具备推广的要素，市场前景宽广。目前多家企业已有意向与我们合作，共同促进该项成果的转化，建造更多的严寒地区近零能耗建筑，未来我们将在严寒地区近零能耗建筑建造方面发挥更大的作用。

据测算，我校已建成的超低能耗建筑每年减少能耗469 144 kW·h，可节省标煤168.89 t，减少污染排放1.7 t烟尘，450 t二氧化碳，3.4 t二氧化硫，1.2 t氮氧化物。节能减排，改善人居环境和质量，具有良好的环境效益。

实行推广应用对严寒地区超低能耗建筑的设计、建造和运行具有很强的实操性及指导性，借此可大力推进节能型建筑材料的使用，清洁或可再生能源的广泛利用，从而节省能源和降低能耗，减少排放，保护生态环境，推进可持续发展，推动生态城镇建设和人居环境的极大改善，具有良好的综合社会效益。

1 推广对象

严寒地区近零能耗的推广对象主要是房地产开发企业[3],政府机构和既有耗能较大建筑的业主，及有改善自有居住生活品质的小型业主。我们的成套推广技术经过示范工程的建造及实践运行，证实示范建筑真实可靠，后期推广指日可待。

2 推广方案

建筑节能设计应满足国家“第四阶段建筑节能75%目标”要求为主，给出适合推广的严寒地区超低能耗小建筑成套方案，以建筑面积为500 m2蓄热水箱容量应不低于2 t的小型建筑为例，具体方案有以下几种。

2.1 建筑围护结构两种方案

建筑围护结构两种方案见表1。

表1 建筑围护结构两种方案

2.1.1 方案A——舒适度最高，造价相对较高

1)外墙采用复合式外保温系统，传热系数K<0.2；屋面和地面采取保温措施。

2)外门窗选用被动门、被动窗，传热系数K<1.0。

对门洞、窗洞、电气接线盒、管线贯穿处进行气密性处理，气密层连续并包围整个外围护结构。被动门及被动窗的增量成本为153元/m2，外墙保温和气密性的增量成本为50元/m2。

2.1.2 方案B——舒适度次之，造价相对合理

1)外墙采用复合式外保温系统，传热系数K<0.2；屋面和地面采取保温措施。

2)外门窗选用高保温性能的三玻窗，传热系数K<1.5；外门为双层保温门。

热桥及气密性处理同A方案。高保温性能的三玻窗的增量成本为53元/m2，外墙保温和气密性的增量成本为50元/m2[4]。

2.2 建筑能源供应方案

建筑能源供应方案见表2。

表2 建筑能源供应方案

由表2可知:

1)方案A舒适度最高。地源或空气能热泵供暖/供冷+太阳能光热蓄能+光伏自发电(离网)的建筑能源系统。太阳能光热用途：辅助供暖+生活热水。如采用地源热泵约为60万元，空气源热泵约为50万元。初投资最高，但运行费最低，约4 a～5 a可收回投资。

2)方案B舒适度次之。电热锅炉热水供暖+太阳能光热蓄能+光伏自发电(离网)的建筑能源系统。太阳能光热用途同前。能源系统总造价(含光伏发电和蓄热)：约为30万元。初投资次之，运行费较低，约5 a～6 a可收回投资。

3)方案C舒适度同方案B。电热锅炉热水供暖+太阳能光热蓄能的建筑能源系统。太阳能光热用途同前。初投资较少，运行费较高，约5 a～6 a可收回投资，能源系统总造价约为20万元。

4)方案D舒适度同方案B。电热锅炉热水供暖+水箱蓄能的建筑能源系统。系统运行费最高，夏季无法制冷，电锅炉同时提供生活热水。蓄热水箱容量应不低于1 t。能源系统总造价约为10万元。初投资最少，运行费最高，约6 a～7 a可收回投资。

3 应用技术

推广使用严寒地区近零能耗建筑节能技术。首先是推广节能建筑材料，必须提高建筑物的围护结构的隔热性能,才能有效地降低建筑物本身的耗能[5]。其次是推广建筑设备节能技术。这方面主要包括采暖、空调、通风设备及系统。最后是推广节能型建筑环境控制系统。这方面主要是指中央空调的智能化即通过计算机实现智能化控制的中央空调系统可以最大限度地实现节能。主要应用的建筑设备节能技术如下：

1)地源热泵供暖供冷，是将高低品热能转换的装置，主要通过将少量电能等高品质能源输入到地面浅层从而进行能量转换。2)空气能热泵供冷供热，同地源热泵相同，也是能量高低位转换的节能装置，能量来源主要是空气、水、土壤等，是一种清洁能源装置。3)电热锅炉供水，采用血液循环原理，结合专用微电脑控制器CPU，通过温度传感器，构成循环调节系统。按恒温、节能的优化运行原则，随着水温的变化，控制系统不断进行温度采集，逻辑运算和数字芯片控制调节，从而达到系统自动恒温，实现采暖和提供生活热水的目的。4)太阳能光热蓄能，主要通过太阳能光电设备对太阳光的汲取，从而转化成热能以及电能，后经储备释放给建筑中的各设备使用。5)光伏自发电(离网)，离网光伏系统通常由太阳能组件、控制器、逆变器、蓄电池组和支架系统组成。它们产生直流电源可直接通过白天或储存在蓄电池组中，用于在夜间或在多云或下雨的日子提供电力。

项目主要采用新型节能围护结构体系(外窗、外墙、屋顶、地面、防热桥、气密性等)成套技术；采用可再生能源(包括太阳能、地热能)作为建筑供能集成技术；采用毛细管末端辐射供暖供冷技术；采用热泵技术(土壤源热泵和空气源热泵)。运用以上集成技术，从现状出发,提出了严寒地区超低能耗建筑的推广策略,并提出适合严寒地区近零能耗建筑的推广方案，助力成果转化。

4 解决的问题

1)解决目前我国多数建筑围护结构不够节能，导致建筑能耗很高，且舒适性较差问题。2)解决我国东北严寒地区具有供暖时间长，热负荷大的特点，采暖能耗占到建筑总能耗的60%～70%，目前以煤炭为主要能源，其环境污染严重，系统管理复杂，不易实现运行节能问题。3)解决严寒地区土壤源热泵系统运行产生的地温不平衡和空气源热泵结霜等关键技术问题，以切实推动可再生能源的因地制宜、合理利用。4)解决新型城镇化建设对更低能耗、更舒适、更健康、更高质量的人居环境-超低能耗建筑，有着急切的渴望和大量的现实市场需求问题。

5 技术工艺路线

通过总体策划和组织部署，形成各方、各专业负责制。依据《导则》，根据超低能耗建筑示范建筑实际运行情况，并在此基础上，对建筑材料、部品和设备系统进行优化选择，组织成员作出适应严寒地区近零能耗小建筑组合方案。为严寒地区超低能耗建筑的推广提供实践依据和技术数据支持，有力地促进严寒地区近零能耗建筑的推广应用，此方案依据实际工程案例，结合当地实际情况，适合不同层次的客户，贴近市场需求，可行性高。

研究方法和技术路线如图2所示。

6 结语

现有的严寒地区近零能耗示范建筑的实际运行情况非常良好，数据可靠。在绿色学校建设的大背景下，新能源的引入以及各校的示范性工程都被提上了日程，也亟待有成功经验的区域团队的经验分享，而且很多企业和高校都对实现严寒地区近零能耗建筑的推广具有很强的实操性和指导意义。绿色校园的建设不仅能将绿色理念引入师生的实际学习生活，更加能够培养学生的节能情怀，从而渗透到以后的学习生活以及家庭中去。严寒地区近零能耗建筑虽然初投资略高，但很节能、很舒适，其增量成本可在运行2 a～3 a后收回。根据客户的可接受程度，可将示范建筑设计成“高中低”不同成本档次的“菜单形式”，供采用者选用，从而大面积地推广严寒地区近零能耗建筑及成套技术，为严寒地区近零能耗建筑的发展做出有力且直接的贡献。