零能耗太阳能住宅建筑的生态、经济和社会文化思考

零能耗太阳能住宅建筑的生态、经济和社会文化思考

近年来，太阳能住宅已从最初的实验零能建筑转变为集成设计、工业化建设和商品化。在使用阶段，我们注重节能，并将建筑生命周期的整体环境影响纳入住房。此外，我们还非常重视经济和社会因素的优化。历届“太阳能十项全能竞赛”(SolarDecathlon,以下简称SD竞赛)的参赛作品集中体现了独立式零能耗太阳能住宅的发展趋势。该竞赛创办于2002年,由美国能源部主办,至今已在美国举办了4届。竞赛每两年选拔约20所大学团队,分别设计、建造并运行一栋面积不超过74m2的太阳能住宅,并在华盛顿进行为期一周的现场建造与测试。参赛建筑的所有运行能量完全由太阳能光电、光热装置供给。最终名次通过对房屋性能进行客观指标测量和专家的主观评价来确定。2010年6月SD欧洲竞赛(SDE2010)在马德里举行,从而将其推向一个更广阔的国际科研领域。1提高公共意识SD竞赛的宗旨是促进和推广太阳能住宅设计和技术新成果、教育学生,以及提高公共意识。其竞赛评审项目分为10项(图1),经过不断调整,逐步形成了明确的设计理念:通过创新技术和综合可持续性设计策略,来应对零能耗太阳能住宅所面临的环境、社会和经济方面的挑战。2生物气候学设计策略建造高效、经济的太阳能建筑,首先要充分利用被动式设计方法。因此,SD竞赛非常重视生物气候学设计策略的应用。参赛作品采用的典型被动式设计策略包括:2.1非标准化参数设计在工业设计和制造中的应用在以往5届参赛的85个太阳能住宅方案中,绝大多数(82个)采取了南北向的一字形或者其变体——L形布局(图2)。尽管内部空间安排和流线组织各不相同,这类紧凑的建筑体形可以降低表面热损失,同时在工业化建造和运输便利性方面也具有很大优势。近年的参赛作品开始尝试打破单调的方盒子形体。如康奈尔大学(SD2009)提出了圆柱形模块组合方案。而加泰罗尼亚建筑学院(SDE2010)的方案则采用了参数化设计。其不规则体形是以太阳运动轨迹和太阳辐射量为参数,进行优化计算的结果;建筑结构为一系列平行的木骨架,如解剖学切片一般阵列,包裹着内部的生活空间(图3)。随着计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术的发展,非标准化参数设计得以实现工业化建造。这为太阳能建筑技术与艺术相结合,以及提高太阳能建筑市场吸引力提供了新的思路。2.2进自然光照通风人工照明和机械通风所引起的室内采暖、制冷能耗的提高,是零能耗建筑设计中一个不可忽视的因素。很多参赛作品通过设置庭院、天井和门廊等灰空间以改善建筑性能、促进自然采光通风。例如,斯图加特应用技术大学(SDE2010)将传统被动式建筑设计方法和现代技术结合:模数化设计的3个自然采光通风带为室内带来均匀的自然光线,全阴天室内生活空间日光系数均大于5%,其中起居室、餐室和卧室达到10%;通风塔引入新鲜空气,通过塔底部的蒸发热交换过程降温,并将低温空气送入室内;同时,东西两侧的4个太阳能烟囱利用热压通风原理把热空气排出室外(图4)。这种被动式通风技术在全年大部分时间里可以有效降低室内温度,减少主动式空调设备的使用。2.3“高科技东北部”透照厚度设计方案,利用配置太阳能小控制太阳辐射的核心手段是太阳能建筑表皮设计,目的是增加冬季得热和减少夏季得热。格里诺博大学(SDE2010)的“穿山甲住宅”,采用了由“外壳”(太阳能装置)、“表皮”(外围护结构)、“内核”(服务设施)组成的3层结构。其中“高科技外壳”除了太阳光热、光电装置之外,还安装有水平遮阳板和半透明织物遮阳装置,在围护结构之外形成第2层表皮,为整个房子提供遮阳和通风。冬季白天,外壳的室外百叶收起,直接利用太阳能辐射采暖:表皮内层的生土辐射板被循环其中的热水加热,而良好的保温减少了室内热量的散失;冬季夜晚,室外百叶放下,以防止冷风的辐射散热,生土墙所蓄的热量向室内输送,以保持舒适温度。夏季白天,外壳的百叶和遮阳帘放下,将外围护结构的蓄热屋面、地面和墙面遮挡在阴影中,外壳与表皮之间的自然通风可以避免光电板过热;夏季夜晚,室外百叶收起,促进表皮墙体散热。双层皮形成气候缓冲层,结合开窗对流通风,大大降低了室内温度(图5)。2.4干热气候由于受场地承重和房屋运输的限制,SD竞赛作品难以通过密度大的材料提高外墙蓄热系数。因此,各团队普遍采用了轻质高效的外围护结构。在SDE2010中,阿尔托大学作品为了同时适应北欧严寒气候和南欧的干热气候,采用厚达50cm的纯天然纤维素填絮保温,U值仅为0.1;外门窗采用了4层高效能玻璃,其间有3个氩气间层,U值仅为0.3。材料热存储技术可以把日间收集的过剩太阳热存储起来并在夜晚应用。显性热贮存技术从2002年首届SD竞赛起就得到应用,蓄热材料主要有不透明(混凝土地板或塑料水袋)和透明(水墙、透明保温玻璃砖、聚碳酸酯材料的特朗布墙等)两种。近年来,参赛作品采用的技术由显热储热向相变储热发展。例如,达姆施达特大学(SD2009)作品在墙面中采用了石蜡,在天花板采用了无机盐类等相变材料(PCM)蓄热。实验表明,上述措施可在下午高温时段降低室内温度达6℃。3新建建筑达到零能耗标准SD竞赛的定位是零能耗太阳能住宅建筑原型的设计和推广,而这类建筑正在成为未来的发展趋势。2009年欧盟议会提出要求:自2019年起所有的新建建筑必须达到零能耗标准。实现零能耗太阳能建筑除采用上述被动式设计策略外,还要通过主动式技术(如太阳能光电、光热利用)为建筑运行提供能量、优化系统设计以提高能量供给系统的效率、采用能量储存和并网技术,并选择节能的家电和照明灯具。3.1太阳能光催化机制热能与电能相比属于低品位能源。为提高系统效率并降低成本,家庭热水、采暖、制冷用能应优先采用光热系统;当低品位能源无法解决的时候,再采用太阳能光电系统产生的高品位能(电能)。SD竞赛作品在利用低品位能源(热能)驱动暖通空调系统方面提出了不少创新性解决方案。SD竞赛作品普遍采用了余热回收技术,主要包括空调系统余热回收和太阳能光电板热回收。康奈尔大学(SD2005)采用能量回收通风器,利用硅胶除湿装置,回收进风和排风中的余热。科罗拉多大学(SD2007)通过收集太阳能光电板(PV)发电过程产生的热能,为热水和空调系统提供能源,同时为PV板系统降温,从而显著提高发电效率。结合太阳能光热利用技术,很多团队发展了高效多源热泵、吸收式制冷和辐射供暖冷等集成技术,以较低的能耗保证室内舒适度。比较突出的是太阳能热利用与太空辐射制冷集成技术,在SD竞赛多个作品得到了应用。太空辐射制冷的原理是利用夜晚的太空辐射低温(通常比建筑外表面温度要低很多)来冷却毛细管中的液体,从而被动式收集冷能。该系统包括集热(冷)源端、储能系统、高效多源热泵和低温差辐射末端。SDE2010中,天津大学的建筑一体化太空辐射系统源端在白天吸收太阳辐射,获取的热量储存于蓄热箱或直接用于热水和供暖;夏季夜晚,向太空辐射长波散热,并将获取的冷量储存于蓄冷箱中或直接用于供冷。罗森海姆应用技术大学的辐射制冷系统利用马德里夏季晴朗的夜晚收集太空辐射低温,得到18~20℃的低温水,通过室内的屋顶辐射板末端制冷(图6)。3.2太阳能发电并网技术太阳能光电系统包括光电转换系统、电力储存系统和能量管理系统。作为最高效的太阳能发电产品,晶硅电池是SD竞赛中采用最广泛的。此外,薄膜电池更易于与建筑一体化;聚光型电池可实现太阳能光电、光热高效综合利用,也分别出现在不同参赛作品中。近年一些作品采用了创新的双面PV板技术:太阳光透过向光面PV之间的缝隙,经屋顶反射在背面的PV电池上。这种技术能提高30%的发电效率,为建筑接受太阳辐射面积有限的问题提供了一种解决方案。太阳能住宅的微型发电系统是对大规模、集中式能源供应系统的补充。在2005年竞赛期间,阴雨天气较多,由此验证了太阳能建筑的电能储存技术在极端天气下的重要性。SD2009和SDE2010竞赛,实现了太阳能发电并网技术支持,很多团队采用了蓄电池与并网混合系统,使SD竞赛作品更具市场推广意义。SD竞赛普遍采用了建筑自动控制技术。在使用方面,实时监控室内环境舒适度和能耗使用状况,并由能量管理系统做出相应反馈,从而提高建筑运行能效;可视化界面促使建筑使用者参与能源管理,并改善其生活用能习惯。在能源收集方面,不少参赛作品采用了太阳能跟踪系统。马德里理工大学(SDE2009)采用了球窝型太阳追踪系统,使得太阳能电池板和光热收集器跟随太阳轨迹旋转,以提高太阳能收集效率。由于SD竞赛重视太阳能技术的应用,因此提高PV模组规模有利于提高竞赛成绩。然而,近年来竞赛宗旨日益强调综合可持续性,采用大功率PV系统未必是最优的技术策略。例如,2005年,各参赛作品的PV发电功率为3kW~11kW,而前4名为4kW~7kW。2009年马德里理工大学的光电系统额定发电功率达到14.9kW,是其自身电能消耗的6倍,但最终仅获得第14名。SDE2010各参赛作品竞赛周发电情况如图7。采用高度综合(被动式结合主动式技术和采用高效的设备等)的系统才能设计、建造出最生态的太阳能建筑。SDE2010中,巴黎高等科技大学采用了聚光型电池,其装机容量仅为2kW(辅之以2.9kW的单晶硅PV),通过高达20%的发电效率满足了用电需求,在收支平衡的基础上略有盈余。同时产生的热能可以用于家庭热水制备,或者储存至PCM中。其聚光发电系统的能量返还时间仅为0.87年,光热系统的能量返还时间仅为0.17年。该作品“适度、高效和可再生”的技术策略最终使其获得“可持续性”单项奖第一名(图8)。3.3各类建筑表皮和建筑材料通过建筑一体化设计,把太阳能光热、光电装置与建筑构件结合,是提高太阳能建筑美学价值从而促进其市场化的重要方面。在第一届竞赛中,模仿常规住宅形式的作品居多,太阳能接收器作为“不美观的技术装置”被刻意隐藏。而到SDE2010,太阳能表皮技术已经作为一种表现形式在大多数建筑中得到了体现。晶硅和薄膜光电板、太阳能真空管和其他新型材料都成为立面刻意表现的元素。这些表皮设计强调技术与建筑的结合,以达成美观、高效和节能的效果。达姆施达特大学(SD2007)将遮阳百叶与PV板合一,并通过自控系统调节其角度,获得最佳的遮阳和太阳能收集效果。马德里理工大学(SD2007)和维吉尼亚理工(SDE2010)设计了结合PV电池的可移动外墙面,既增加太阳能发电面积,又可作为附加保温和遮阳。加泰罗尼亚建筑学院(SDE2010)将可弯曲的PV板与三维曲面的建筑表皮完美结合,打破了光伏建筑一体化(BIPV)在非线性建筑中应用的局限性。在SDE2010竞赛中,新一代兼具功能和美观的PV技术得以应用。海瑞拉主教大学将晶硅电池与建筑立面划分的模数完美结合。罗森海姆应用技术大学利用薄膜电池的透明性与玻璃幕墙一体化设计。斯图加特应用技术大学采用新型无框多晶硅电池营造出美丽的立面效果:黑色单晶硅模组,安装在屋顶以最大化接受太阳辐射;金色和青铜色的多晶硅电池,安装在墙面,形成梯度的“像素化”效果。4阳能技术在居住建筑中应用模数化设计有利于工业化建造。SD竞赛是展示太阳能技术在居住建筑中应用的舞台。因此“工业化与市场性”是其中一项重要考核内容,要求采用模数设计和工业化建造手段,为用户提供有吸引力的建筑。4.1sd竞赛作品的可移动性很多SD竞赛团队与建造行业密切配合,设计建造了高度预制化与模数化的木结构或钢结构体系,并结合建筑设备系统、家具和内部装饰进行整体化设计,大大缩短了现场建造时间(图9)。模数化设计也有利于提高室内空间的灵活性和使用效率。罗森海姆应用技术大学的作品(SDE2010)设计了可折叠的家具系统:起居室通过折叠沙发床可用作客人房;餐桌伸展可容纳多达8人聚餐,而折叠后可扩大起居室,作为小电影厅;卧室床收起时可作为书房,隔墙全部折叠可获得扩大的流动起居空间(图10)。SD竞赛所有作品必须具有可移动性,因此,模块尺寸的设计要考虑运输和组装的方便。早在SD2002,德克萨斯大学就将卧室、起居室和辅助空间(厨房和卫生间)分成3个模块建造,而辅助空间则被设计成拖车的一部分。2005年卡特里娜飓风的袭击,体现了SD竞赛作品的可移动性在灾民安置方面的作用,从而强调了在这方面进行深入研究的重要性。SDE2010中,弗吉尼亚科技大学方案的出发点就是创造一个完全符合低平板半挂拖车尺度的移动住宅,因此无需装箱、加高等额外花费,通过常规运输方式实现住宅的可移动性。4.2模块化住宅设计工业化设计和建造的另一个优势是住宅的可扩展性。SD竞赛的面积限制使得参赛作品绝大多数为独立式单层小住宅。通过模块化设计,可以将原型在水平、垂直方向扩展,根据城市中心、郊区、和乡村住宅的不同人口和密度要求,组合成不同规模的住宅(图11)。在SDE2010中,诺丁汉大学首次突破了独立式住宅形式,设计了一个标准两层联排住宅片段,探讨了此种住宅在有限的面宽下高效利用太阳能的技术集成,及其在城市环境中的可实施性问题。4.3sd竞赛建筑现状及前景由于对性能和发电量要求很高,因此很多团队普遍采用昂贵的高端技术。针对这一问题,SDE2010中一些团队开始探索低价高效的解决方案。维吉尼亚理工的研究表明,在保证零能耗的前提下,采用适宜技术,减少昂贵的高技术装置,可以降低造价达40%。而SD竞赛建筑原型几乎没有运行能耗的支出,也增加了其市场可行性。西班牙加泰罗尼亚理工大学的LOW3方案,以低能耗、低环境影响和低造价为宗旨,尽管其显著成本低于SDE2010作品的平均值,仍凭借适宜的太阳能技术策略、独特的建筑空间和形式在建筑设计单项中得到了最高成绩。此外,SD竞赛作品高度开放的预制建筑体系,使其能够在基本结构和外围护体系基础上,根据顾客的需求定制不同的建筑外墙饰面板、遮阳板、室内设施、家具和内装饰,从而满足不同目标人群的个性化需求。5“低能”建筑的设计理念天津大学在SDE2010竞赛的参赛作品——“Sunflower”是第一个入围并成功参加太阳能十项全能竞赛的亚洲作品,其设计理念是创造一个整合适宜性太阳能技术与中国传统建筑美学,并具有市场推广可能性的住宅建筑原型。5.1“太阳房”的布局中国传统居住建筑的空间特色是以庭院为核心布置一系列内向空间。“Sunflower”太阳房基本采用东西对称式布局,中央设置一个微型庭院,周围环绕着主要的生活空间,形成一个颇具古典意味的空间序列(图12)。中国传统风格的木格栅,将起居空间或分隔或连通,可适应不同的使用要求,达到空间利用的最大灵活性。5.2自然光照的原则“Sunflower”太阳房在设计建造中遵循“适宜技术”的原则,首先充分利用被动式策略,优化建筑的热工性能,促进自然采光通风;在此基础上,采用相对低价高效的太阳能主动利用技术,结合能量储存和自动控制技术,达到零能耗甚至正能源的要求。5.2.1保温板外围护结构该建筑平面采用紧凑的矩形,最大限度地减少冬季热损失。中庭成为一个可控的室内外环境的缓冲空间,夏季提供遮阳并促进自然通风;冬季白天成为太阳房,晚上提供保温。作为一个采光井,中庭能够为周围的空间提供柔和的自然采光,从而极大地减少了照明用电和室内光环境舒适性。“Sunflower”选择了21cm厚的结构保温板(SIPs)作为承重和保温一体的外围护结构(K值为0.18);外门窗采用3层Low-e、中空和真空玻璃加木框(K值约为0.8),天窗则采用K值达1.1的Velux产品,使这座太阳房具有良好的保温隔热性能。5.2.2太阳能辐射板辅助发电“Sunflower”采用太阳能电、热联合系统。屋面获得太阳辐射较多,采用国内效率最高(18.9%)的单晶硅PV电池;辐射量较少的外墙面则选用性价比较高的多晶硅PV电池。整个光电系统在竞赛期间共发电346kWh,除满足自身所需电力154kWh外,还向电网输送192kWh电量。光热系统采用天津大学的专利技术“建筑一体化太阳能辐射板”,通过综合利用太阳能和太空低温及空气源,满足冬季采暖和夏季制冷要求,并与真空管集热器一起提供生活热水。屋顶PV电池板下设辐射板,既能降低PV板温度,提高发电效率,同时收集余热用于热水和空调(图13)。该建筑在太阳能技术与建筑一体化设计方面提出了创造