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瑞典零能耗建筑推动零能耗建筑领域的发展

2020-12-19 14:47
何继江
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“创新使命” (Mission Innovation,简称MI)是2015年《联合国气候变化框架公约》第21此缔约方会议发起的清洁能源领域全球多边合作机制。目前24个国家和欧盟共同加入。由各国能源领域部长作为最高领导层。

受国家科技部国际合作司委托,中国科学院电工研究所成立了“创新使命”中方秘书处,并搭建微信公众号宣传平台,扩大MI在国内的影响力。

中国科学院电工研究所(以下简称电工所)于1958年筹建、1963年在北京正式成立,迄今已有60余年的历史。作为电气科学与工程技术领域的国家科研机构,在我国能源技术与电气科学领域具有重要地位。  

电工所总体定位于电能生产、输配和高效利用与检测领域战略高新技术和电气科学前沿交叉研究,在促进我国能源转型及相关战略性新兴产业的发展等方面起骨干引领和核心支撑作用。主要研究方向为:可再生能源发电、电力设备新技术、电网技术、电力电子与电能变换、超导与新材料应用、生物电磁学与电磁探测等。建所以来,拥有高水平科研团队,取得成果颇丰,与美国、俄罗斯、德国、法国、加拿大、日本、韩国、澳大利亚以及“一带一路”沿线等30多个国家和地区建立了广泛的科技合作和交流。  

电工所与清华社科能源转型研究中心就“创新使命" 第二阶段(MI2.0)实施工作达成合作共识。清华能源转型中心将积极支持创新使命中方秘书处的工作,同时中科院电工所也将积极配合“每人一千瓦光伏”倡议的相关工作。双方将开展合作研究,联合进行成果的宣传推广。本篇文章由清华大学能源转型与社会发展研究中心“每人一千瓦光伏”团队撰写,建筑节能也是“创新使命”框架下重点关注领域之一。

中科院电工所可再生能源系统发电研究部主任王一波和清华大学社科学院能源转型与社会发展研究中心常务副主任何继江合影

瑞典零能耗建筑

目录

一、国内建筑能耗与碳排放

二、瑞典零能耗建筑考察

三、瑞典零能耗建筑小结

四、对中国零能耗建筑之路的启发与建议

一、国内建筑能耗与碳排放

根据中国建筑节能协会能耗统计专委会制作的2000年至2016年统计数据显示,全国能耗的20.6%由建筑能耗占据,其中公共建筑与城镇居建均占据38%,建筑碳排放占全国能源碳排放的19.4%。为了有效实现我国碳排放目标,建筑领域亦应进行转型,推动2060年碳中和进展。

零能耗建筑将能源效率和可再生能源的生产结合起来,仅消耗指定时间段内可再生资源在现场产生的能源。实现零能耗是一个雄心勃勃但越来越可实现的目标,在国际上很多发达国家市场中都在不断发展,私人商业地产所有者对开发零能耗建筑以实现其公司目标的兴趣日益浓厚。

二、瑞典零能耗建筑考察

(一) 哥德堡Hans-Olof房屋

1.  建筑情况概览:

这幢房子的独持性在于它是一座离网的零能耗建筑。它依靠22kW的光伏系统实现热电联产。在解决电,热,热水的同时,还可以给电动汽车充电。其技术组成包括:光伏发电太阳能集热、铅酸电池,制氢,储氢,燃料电池,热水储存,热泵,地板辐射供暖,电动汽车充电设施等。

这幢房子的主人,也是这幢房子的设计者Hans-Olof Nilsson是一名电气和通信专业的工程师。曾经开办了一个制冷设备厂,他从2005年起在瑞典建立一家风力发电公司,后来创办了一家可再生能源咨询公司ParkuddenEnergi AB,现在还是Nilsson能源公司的联合创始人。关于房子的成本,2014年开始建造该幢房子,2015年开始使用。2017年汉斯·奥洛夫(Hans-Olof)曾在一篇报道中提到,“瑞典的一栋典型的高层建筑平均每平方米的价格为32,000 克朗(瑞典克朗,约24,000人民币),我们的房屋总价为1500万瑞典克朗,占地500平方米,每平方米价格为30,000 克朗。” 。考虑到整个系统选用优质材料、PV、光热板,和大量控制单元、逆变器、水罐等,这个花费其实是很低的。

清华能源转型研究中心常务副主任何继江于2018年11月考察

*以上数据均为每年产能数据

2.  能源系统三种运行模式:

  a)有阳光的白天:光伏首先满足房屋负荷,富余太阳能给电池充电,电池SOC达到85%时,电解槽开始制氢,制得的氢气压缩并以300bar压力储存在室外储罐中。

  b)无阳光的黑夜:房屋负荷由电池满足。

  c)冬季(光照时间过短):当电池SOC低于30%时,燃料电池启动给电池充电,产生的热用于房屋供暖与提供热水。

房屋能流图

3.  建筑系统构成与实地考察过程

整个向南的屋顶都覆盖有光伏和光热板,为房屋提供大部分电能。中间是隔热板。140平方米的PV产生20 kWp的电力,而20平方米的光热板则产生13 kW的热力。垂直的PV(0.8kWp)可以捕获冬季的低角度太阳能(与水平线夹角12-15度)。西面外墙壁,两个太阳能电池板捕获了午后和傍晚的太阳能,产生约2.0 kWp的电力。

Hans-Olof房屋外观

外墙覆盖德国制造商Tonality的瓷砖,安装在垂直的金属导轨上,与下方的隔热材料之间留有大约一英寸的空间,以提供充足的通风并避免建筑中积聚湿气,并且这部分自由空间可以轻松隐藏用于安装例如灯或摄像头的电缆。此外瓷砖在夏季可提供出色的通风和散热功能,从而减少了对室内制冷的需求。并且这种瓷砖打造的外墙是可以免维护的。

瓷砖外墙

各个部件的连接使用了总共15km的管子和150km的电缆。所有开关被汇总到地下室的中央开关面板,而且可以分别单独编程,并通过KNX系统监控。

房屋配有一个55平米的室内车库,房屋可产生足够电力为两辆汽车(宝马i3和雷诺Zoe)每天在此充电。汉斯计划用丰田燃料电池汽车Mirai来代替他们用于长途旅程的传统沃尔沃汽车。在当前的能源配置下,该房屋每年可产生800-1000Nm?的氢气,足以驱动Mirai每年行驶10,000公里。

1)  电气系统

光伏电源进入电源中心,电源中心实现电源分配:给电池充电,水电解和房屋内部电网。黄色箱盒是逆变器和充电器的组合。当有多余的PV电量可用时,它们会为电池充电,而在没有PV电源可用时,它们会从电池中提取电量供给房屋。电池放置在墙壁的另一侧,每个盒子最大可充电8kW。上方的灰色箱盒是逆变器,满足了房屋的实时AC电源需求。每个灰色逆变器都与三个黄色箱盒相关,并包含一个冗余系统。这样,两个逆变器都独立工作,将能量输送到房屋。红色箱盒是一个3 kW逆变器,用于将立面光伏面板直接馈入房屋电网三相交流系统的第二阶段。

光伏的逆变器及控制系统

电池采用容量为144 kWh的铅酸电池,足以让房子整整运行5天,包括热量,但不包括电动汽车充电。当电池SOC达到85%时,来自PV的电能通过电解水产氢。当SOC低于30%时(例如,在阴天之后,PV产量低),燃料电池会使用氢气为它们充电。这类电池是密封的,不会像普通铅酸电池那样在电池上积聚气体或有害涂层。

铅酸电池系统

2)  氢能系统

电解制氢设备最开始使用的是来自GreenHydrogen的碱性电解槽,每小时产生2Nm?的氢气。生产和存储1Nm?的氢(热量能量为3.3 kWh)需要5.5 kWh。要生产1立方米的氢气,需要1升纯净的去离子水。生产和存储1Nm?氢气所需的5.5 kWh中的0.5kWh将其压缩到300 bar。这些氢气在供燃料电池使用时,将产生1.5 kWh的电能和1.5 kWh的热量。燃料电池产生的热量会送到房屋的整个供暖系统中。

后来,GreenHydrogen推出了更高效的PEM类型电解槽,Hans-Olof随机也进行了更新。并且采用了更加高效的金属氢化物压缩机系统。电解槽的年产量约为3,000Nm?的氢气。房屋将使用2,000-2,200Nm?来满足房间取暖,热水以及通风,洗涤,烹饪和照明等家庭电力需求,电动汽车的充电当然也包括在内。估计800-1000Nm?的盈余,Hans-Olof计划将其用于丰田Mirai(氢燃料电池-电动汽车),这可供其行驶约10,000公里,电解过程中产生的氧气被排放到外部空气中。

氢气存储放到室外地下,并用厚厚的水泥板盖住。氢气罐的总容积是12立方,压力是300bars。未来这些氢气罐能够储存3600Nm3的氢气,能够支持房屋和燃料汽车的需求。

氢气罐外观

氢燃料电池来自瑞典燃料电池制造商PowerCell,它是专门为该房屋定制开发的。这是一项互惠互利的项目, PowerCell公司对燃料电池进行远程监测,可以从这个项目中获得大量的数据和经验。目前采用的这款燃料电池是Powercell公司新一代产品,命名PS-5,它提供大约5 kW的电能和5 kW的热能输出。

3)  电力控制与监控

Hans-Olof通过主配电盘可以对房屋内所有开关和主插头进行控制、计量和编程。整个房子采用满足KNX标准(KNX是被正式批准的住宅和楼宇控制领域的开放式国际标准)的产品,构建了智能集成建筑控制系统。发生故障时,系统将切换到备用逆变器系统中。房屋中总共有7个配电盘,安装了67个永久性的能源监测器来记录了所有用电量。房屋总共有14个卡姆鲁普公司(Kamstrup)生产的能量监控器,用来记录房屋水和供暖系统的数据。此外,还记录了来自气象站10个不同参数。Hans-Olof积累了所有这些数据,用于在进行能源预测和能源设计过程中模拟能源流动和消耗方式,这样他可以为那些希望像他一样离网的人们提供这样的设计。

主配电盘

交流电源质量监控系统由吕勒奥工业大学在线监控。研究人员监视光伏发电,房屋总的能源消耗,交流频率,交流电压和其他几个参数。除了评估生产、消耗和交流质量波动带来的影响,监控可以帮助系统实现能源流的切换控制,主要包括在夏季节白天/黑夜/阴天使用电池供电,在冬季采用氢能支撑运行。

4)  供暖与供水

此部分包括房子的一些中央供暖和储热组件。三个1000升的水箱,在铺好的车道和院子下存储35°C的水,用于室外冰雪融化系统。塑料管应在铺好的表面下方10厘米处拉出。冬季,温水循环加热上述表面并融化所有冰雪。该系统不会一直运行,只要在有积雪或冰时,运行一段时间就足够。大水箱前面的膨胀容器将容纳系统中的所有超压。两个400升水箱为家庭提供50°C的水(每周将其加热至65°C一次,以消除潜在的军团杆菌细菌)。

13 kW的地源热泵来自Viessmann。从地表以下180米处延伸的两个地热钻孔中收集能量,夏季通过中央通风单元为房屋降温,从11月到2月,燃料电池产生的热量不足,热泵将给房间供暖(地板供暖)和热水。它还为车道/院子的冰雪融化系统加热3,000升35°C的水。

500升带净水器的储备水箱。如果公共供水中断,该家庭仍可用水3天,其中包括电解水的需求。然而夏季时,每天依靠太阳能发电的氢气数量巨大,供水中断可能意味着损失数十Nm?的氢气。

4.  潜在市场

宜家高层管理人员来汉斯家的房屋学习更多关于如何建造离网房屋的信息。汉斯-奥洛夫用非常吸引人的造价建造了这种质量和性能的房屋,这一事实无疑引起了整个瑞典的好奇,不仅宜家这种房屋行业感兴趣,大型能源公司更加如此。由于后者的兴趣,瑞典的一家大型公用事业公司和电力供应商目前正在开发Hans-Olof房屋的2.0版本。

(二) 瓦格达社区改造

2020年5月15日瑞典西南部的一个小镇瓦格达通过使用光伏组件储能蓄电池和氢燃料电池的组合,满足六个公寓楼(共172套公寓)的公共负荷。这将是世界上第一个能源自给自足的住宅综合体,标志着我们朝更可持续的公共住房迈出了关键的一步。

此前,该社区一栋Backg?rdsgatan建筑物的价值为700万瑞典克朗,而年度能源购买(AEP)达到每平方米140 kWh。装修后,它的价值升至4,700万瑞典克朗,每平方米AEP为25 kWh。在添加离网能源系统后,该建筑物的价值为5500万瑞典克朗,按每平方米AEP 4 kWh的水平计算(目标为0 kWh)。

清华能源转型研究中心常务副主任何继江考察瑞典瓦格达社区

光伏板共占地3000平米,每栋建筑约500平米太阳能电池板面积,这些房屋还配备有热泵和排气通风装置,氢气的需求量约为10000 Nm3/建筑物,压缩至300 bar储存。每栋楼燃料电池为5kW。热泵,电池和燃料电池放置在镀锌房屋上的技术棚中。这种解决方案不仅为城市智能城市和住宅提供许多优势,也为偏远社区和地区提供许多优势。其优势包括:

零碳能源,零有害排放或副产品

长期存储和对需求的灵活响应

即使在变化和极端的天气条件下,电力可靠性高

偏远地区,关键医疗机构和行业可靠发电

运维护成本低

安静运行,低噪音污染

四、瑞典零能耗建筑小结

基于瑞典自身独特地理位置,处于北半球高纬度地区,会有极昼极夜现象,选择氢能作为储能方式,来实现跨季节长时间储能是很符合零能耗建筑需求的。通过对于瑞典零能耗建筑的实地考察可以看出,无论是改造还是新建,其技术路线均是采取光伏发电,电池储能,电解水制氢,地源热泵,氢瓶储能和燃料电池。而且作为试点项目,它们接待大批世界各地来访者,ZERO SUN项目甚至有自己网站来供公众实时监控,了解项目信息,这都增大本国内与国际对零能耗建筑的接受度,推动零能耗建筑领域的发展。

五、对中国零能耗建筑之路的启发与建议

低能耗建筑已成为国际建筑节能发展新趋势,我国也积极开展国际合作,参照国外指标及技术体系建造了一批超低能耗建筑工程。但是节能建筑发展的最终目标可以说应该是零能耗建筑,国际上一些发达国家已经从零能耗建筑理论阶段进入示范项目阶段,甚至已经开始寻找实现商业化的可能,而我国对零能耗建筑的探索还亟待深入。

实现零能耗建筑首先要保证建筑的节能性,通过墙体和门窗的隔热技术实现超低能耗建筑。对建筑内使用的电热氢能源完全由风、光、地热等可再生能源供给,采用储电、储热、储氢的方式平衡可再生能源供能与负荷用能简的时间不匹配。

基于瑞典零能耗建筑给出以下建议:

1. 对国际零能耗示范建筑进行汇总分析,整理出零能耗建筑典型模式,对适用场景、技术路线、经济性等方面深入考察研究与总结。

2. 明确国家零能耗建筑定义。国家零能耗建筑定义的广泛接受度,是政府、各组织及私人实体各界努力认识、共同努力激励零能耗建筑事业的基础。

3. 建造零能耗建筑工程示范项目。借鉴国际已有典型案例经验,从小型住宅着手,到大型社区及综合性建筑,逐步在实践中探讨零能耗技术路线与商业化潜力。

4. 在建立试点项目时,需要制定可衡量目标(如一组能源绩效目标),借鉴国际零能耗及相关建筑设计指南,制定在实现能源目标的前提下成本控制的策略。

5. 对试点项目长期监控和跟踪,收集整理系统数据,对系统产能与消耗进行评估,分析建筑内行为(如切换运行模式时)对内部电网质量波动带来的影响,以便后续优化系统,对整体进行简化,提高大规模商业化可行性。

6. 项目数据的实时监控界面实现可视化,如制作成公众可以浏览的网页,(具体形式参见瑞典ZERO SUN项目),增强公共对能源转型参与度,从而提高公众接受度,也可以引起能源公司或地产公司等相关企业对此的兴趣,对零能耗建筑的推广有很重要的作用。

7. 编撰项目指导准则,制定技术手册、设计指南与国家行业规范。从本土化的试点项目与国际前沿项目中吸取经验。

8. 进行零能耗区总体规划,探讨能源规划面临的障碍,学习解决这些障碍的先驱地区的思路,结合自身情况,因地制宜,考虑是否可大规模复制。

9. 增强对零能耗建筑领域人才培养,为迈向未来建筑目标做准备.

10. 国家制定对应扶持政策,奖励机制。


本文研究团队:

清华大学能源转型与社会发展研究中心氢能团队

本文研究与撰稿:

王薇-德国柏林工业大学,

杨子龙-中国科学院电工研究所,

何继江-清华大学社科能源转型研究中心

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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