被动房技术在我国节能产业发展中的应用被动式超低能耗建筑在青岛地区的实施研究以青岛中德生态园被动房示范项目为例

被动房技术在我国节能产业发展中的应用被动式超低能耗建筑在青岛地区的实施研究以青岛中德生态园被动房示范项目为例

20世纪90年代初，德国的被动住房是国际批准的集高舒适度、低能耗、经济于一体的节能建筑技术。被动房“超低能耗、超微排放、超高舒适度”的特点,对于解决我国建筑行业能耗高、碳排放量大、供暖能耗高等问题意义重大。为落实中德两国大力发展节能生态示范建筑的合作初衷,促进园区低碳生态建设目标实现,青岛中德生态园确定了规模化推广被动式建筑,着力推进被动式建筑产业发展的工作方向,并予以务实推进,希望以此示范引领青岛地区乃至国家被动式建筑产业升级,促进被动式建筑行业整体健康发展。1、德胜油田规划纲要1.1中德植物园与生态产业发展现状2010年7月中国两国政府确定在青岛经济技术开发区内合作建设中德生态园,旨在加深两国在生态园领域的企业间合作,开发能源高效建筑,实现经济社会的可持续发展目标。中德两国将在园区内开展节能环保技术标准的研究和拟定,能源、环境新技术的开发、生产和应用,节能、生态示范建筑研究和建设等五个方面的合作,打造欧亚合作、产业为主、宜业宜居、具有可持续发展示范意义的综合性生态城区。中德生态园规划用地面积11.6平方公里,建筑总量约700万平方米,人口规模约6万人,计划2020年基本建成。自2011年3月份正式启动以来,园区始终坚持“绿色、生态、低碳、可持续”的发展理念,建立生态标准、推行绿色规划、倡导绿色建设,加快推进各项工作。先后被国家标准委授予“综合标准化示范园区”,被科技部授予“国家绿色制造国际创新园”,被住建部授予“全国智慧城市试点”、“国家绿色生态城区(低碳生态试点城镇)”,被国家能源局授予“全国首批新能源示范园区”。中国商务部、德国经济能源部指出“中德生态园创造了中国园区发展的新速度,是中德双边合作园区的典范”。1.2中德植物园助力中德小区内发展(1)中德生态园是中德两国合作示范项目,始终坚持“生态、绿色、低碳、可持续”的发展理念,推广德国被动屋技术势在必行,且有巨大的平台及政策优势。(2)中德生态园推广被动屋技术,有政府层面的前瞻性指导。中德生态园管委从节能减排、可持续发展角度审视被动屋产业的发展,给被动屋建筑在园区及未来区域的发展指出了发展思路,做出了清晰的产业规划。中德生态园管委利用政府平台资源优势获得了中国住建部,德国交通、建设和城市发展部及德国能源署对在中国建设被动式建筑产业的大力支持。(3)中德生态园有中德双方高效合作机制。中德生态园与德国被动屋研究所及知名被动式建筑设计师建立了紧密的联系及合作机制,从而能获取被动屋建筑最新的发展资料与技术。在中德生态园进行推广,将使被动式建筑在中国的发展与德国同步。(4)中德生态园有精干的实施团队。事业的成功发展离不开精干的实施团队,中德生态园被动屋产业实施团队的人员素质普遍较高,同时多具有德国背景,他们能高效率地与德方进行方案和技术交流,为被动屋产业在园区发展打下坚实的基础。1.3被动式建筑产业项目发展概述中德生态园将与德国荣恩建筑事务所、德国被动房研究所(PHI)在园区建立联合办公室,率先启动中德生态园被动房示范项目的建设并进行中国(青岛)气候带研究。同时在中德生态园范围内规划3000亩土地作为被动式建筑产业的项目发展用地,引入有志于将被动式建筑技术作为自身战略的研发、设计、建设、材料等各类厂商,在产业园内设立机构或工厂,对本身技术及产品进行升级及改造,形成被动式建筑上下游企业的集聚,可面向全国乃至世界范围提供被动式建筑技术及产品。在被动式建筑项目建设方面分三步走,近期计划用三年时间建设包括青岛被动房示范项目在内的共计10万平方米的被动房建筑;中期计划在园区0.5平方公里范围内建设约60万平方米的被动房园区;远期计划于2020年左右在3.7平方公里范围内建设约300万平方米的被动房示范城区;点线面相结合打造产城结合的生态园宜居园区。1.4德国被动房标准中德生态园2014年规划建设被动式建筑技术体验中心,该项目方案由德国荣恩建筑师事务所设计,德国被动房研究所进行PHHPP计算复核,确保实现德国被动房标准。项目规划用地面积4300平方米,总建筑面积13000平方米,地上9000平方米,地下4000平方米。(图1)2、根据青岛气候条件下被动住房指数的分析2.1德国的5年生平均气温青岛地处北温带季风区域,属温带季风气候。青岛市气候分区属寒冷B地区,全年8月份最热,平均气温25.3℃;1月份最冷,平均气温-0.5℃。日最高气温高于30℃的日数,年平均为11.4天;日最低气温低于-5℃的日数,年平均为22天。德国处于凉爽的温带,降雨分布在一年四季,平稳温和是德国气候的总体特征,冬季平均温度在1.5度(低地)和-6度(山区)之间;7月份平原地区的平均温度为18度,在南方山谷地区为20度左右。取德国的两个城市柏林和康斯坦茨,柏林位于德国的中部,康斯坦茨位于德国最南部,并且气候比较典型,可以代表德国的气候。柏林气候属温带海洋性气候和温带大陆性气候之间的过渡型,年平均气温9.4℃。冬季较冷,1月平均气温-1℃;夏季凉爽,7月平均气温18℃。年降水量580毫米,年内分配较均匀,惟夏雨略多。冬季常有降雪,降雪约占年总降水量的1/4~1/5。年平均积雪期50天。康斯坦茨气候宜人,年降雨量759毫米。全年最热的七月份最高平均气温24.1摄氏度,最冷的一月份最低平均气温2.4摄氏度。比较它们与青岛市个月份的日平均最高气温与日平均最低气温见下表:青岛和德国的两个城市全年气温日平均最高气温、日平均最低气温变化趋势图见图2:经过图2分析,青岛与德国城市的采暖季气象参数比较接近,我们可以借鉴德国的被动房标准做适当的调整应用到青岛地区。2.2被房建筑能耗动态分析德国对“被动房”的定义是必须满足相应的能效指标:年采暖终端热耗≤15kWh/(m²·a)。由于青岛的采暖期为140天左右,德国的采暖期为200天左右,明显多于青岛的采暖时间。因此对于被动房,青岛的年采暖能耗需求应该低于德国。德国被动房标准年采暖需求为15kwh/(m²·a),根据青岛和德国采暖度日数折算出青岛被动房的年采暖需求为11.0kwh/(m²·a),可以将其作为青岛被动房的年采暖需求指标。详细计算过程见表1:青岛的纬度低于德国,太阳辐射照度高于德国,所以对于完全相同的建筑,冬季的太阳辐射得热青岛地区大于德国,这对冬季采暖是有利因素。青岛的外围护结构的耗热量标准可以适当低于德国标准,并且通过对德国和青岛气候的分析,采暖期内青岛的日平均最低温度要高于德国,在4月和11月能高出4℃,即采暖季青岛的设计温差要低于德国;由于围护结构引起的耗热量为:式中:k—围护结构的传热系数,w/(m²·℃);Δt—室内外计算温差,℃;F—围护结构的面积,m²;α—围护结构的温差修正系数。青岛的围护结构耗热量大于德国,室内外设计温差小于于德国,所以围护结构的传热系数K值可以大于德国的设计标准。综合以上因素,青岛地区可以适当比德国标准降低保温层厚度,放大围护结构的传热系数。通过能耗动态分析发现,满足被动房标准的情况下,外围护结构和外窗的传热系数有一定的要求,通过改变外围护结构保温层的厚度来改变传热系数的大小,不同的保温层厚度与年采暖能耗的变化趋势如图3所示,具体数据见表2。随着保温层厚度的增加年采暖需求及年总能耗不断降低,当保温层厚度大于150mm时,继续增加保温层厚度,总供能需求的变化很小,所增加的费用大于能耗减少所节省的费用,所以综合考虑到经济因素,确定最优的保温层厚度。确定出青岛地区在满足被动房标准时最大传热系数为0.28w/(m²·k),此时外墙保温层的厚度为150mm,屋顶保温层的厚度为180mm,楼地保温层的厚度为150mm。不同的外窗传热系数与年采暖能耗的变化趋势图见图4,最佳的外窗传热系数为1.0w/(m²·k)。遮阳措施对能耗有影响,遮阳措施可以有效地使冬季太阳能得热最大化,夏季太阳能得热最小化,可以有效地降低夏季的辐射得热,减少夏季的冷负荷。所以被动房必须增加遮阳措施。通过对比分析,不同的建筑物朝向对能耗有影响,当建筑物为南北向时,年供能需求最小,东西向时候年供能需求最大。通过对青岛市与德国的气候条件的对比分析,结合建筑动态负荷模拟优化,得出针对青岛地区的被动房建筑的节能设计标准。(见表3)3、总体节能效益分析我国建筑普遍存在能耗大、排污量高、能源利用效率低、围护结构保温隔热性能差等问题,且具有夏季空调用电量大,冬季采暖能耗高的特点。相比于此类房屋,被动房具有超低能耗、超微排放、超高舒适度等特点。本项目通过各项节能技术的综合运用,提高了建筑结构的保温隔热性能,最大限度的降低了对主动式能源消耗的依赖,项目整体可实现节能90%以上的目标,远高于我国建筑节能65%的标准,节能效果显著。项目的推广有利于提高能源利用效率、降低能源消耗,减少污染物排放,为我国环境保护与技能减排起到积极推动作用。依据住房和城乡建设部科技发展促进中心对国内民用建筑的统计结果,2011年北方采暖地区城镇居住建筑单位面积建筑年采暖能耗为24公斤标准煤。本项目通过采用被动屋技术项目建成后,