零能耗太陽能住宅建筑的生態(tài)、經(jīng)濟和社會文化思考

零能耗太陽能住宅建筑的生態(tài)、經(jīng)濟和社會文化思考

近年來，太陽能住宅已從最初的實驗零能建筑轉變?yōu)榧稍O計、工業(yè)化建設和商品化。在使用階段，我們注重節(jié)能，并將建筑生命周期的整體環(huán)境影響納入住房。此外，我們還非常重視經(jīng)濟和社會因素的優(yōu)化。歷屆“太陽能十項全能競賽”(SolarDecathlon,以下簡稱SD競賽)的參賽作品集中體現(xiàn)了獨立式零能耗太陽能住宅的發(fā)展趨勢。該競賽創(chuàng)辦于2002年,由美國能源部主辦,至今已在美國舉辦了4屆。競賽每兩年選拔約20所大學團隊,分別設計、建造并運行一棟面積不超過74m2的太陽能住宅,并在華盛頓進行為期一周的現(xiàn)場建造與測試。參賽建筑的所有運行能量完全由太陽能光電、光熱裝置供給。最終名次通過對房屋性能進行客觀指標測量和專家的主觀評價來確定。2010年6月SD歐洲競賽(SDE2010)在馬德里舉行,從而將其推向一個更廣闊的國際科研領域。1提高公共意識SD競賽的宗旨是促進和推廣太陽能住宅設計和技術新成果、教育學生,以及提高公共意識。其競賽評審項目分為10項(圖1),經(jīng)過不斷調(diào)整,逐步形成了明確的設計理念:通過創(chuàng)新技術和綜合可持續(xù)性設計策略,來應對零能耗太陽能住宅所面臨的環(huán)境、社會和經(jīng)濟方面的挑戰(zhàn)。2生物氣候?qū)W設計策略建造高效、經(jīng)濟的太陽能建筑,首先要充分利用被動式設計方法。因此,SD競賽非常重視生物氣候?qū)W設計策略的應用。參賽作品采用的典型被動式設計策略包括:2.1非標準化參數(shù)設計在工業(yè)設計和制造中的應用在以往5屆參賽的85個太陽能住宅方案中,絕大多數(shù)(82個)采取了南北向的一字形或者其變體——L形布局(圖2)。盡管內(nèi)部空間安排和流線組織各不相同,這類緊湊的建筑體形可以降低表面熱損失,同時在工業(yè)化建造和運輸便利性方面也具有很大優(yōu)勢。近年的參賽作品開始嘗試打破單調(diào)的方盒子形體。如康奈爾大學(SD2009)提出了圓柱形模塊組合方案。而加泰羅尼亞建筑學院(SDE2010)的方案則采用了參數(shù)化設計。其不規(guī)則體形是以太陽運動軌跡和太陽輻射量為參數(shù),進行優(yōu)化計算的結果;建筑結構為一系列平行的木骨架,如解剖學切片一般陣列,包裹著內(nèi)部的生活空間(圖3)。隨著計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)技術的發(fā)展,非標準化參數(shù)設計得以實現(xiàn)工業(yè)化建造。這為太陽能建筑技術與藝術相結合,以及提高太陽能建筑市場吸引力提供了新的思路。2.2進自然光照通風人工照明和機械通風所引起的室內(nèi)采暖、制冷能耗的提高,是零能耗建筑設計中一個不可忽視的因素。很多參賽作品通過設置庭院、天井和門廊等灰空間以改善建筑性能、促進自然采光通風。例如,斯圖加特應用技術大學(SDE2010)將傳統(tǒng)被動式建筑設計方法和現(xiàn)代技術結合:模數(shù)化設計的3個自然采光通風帶為室內(nèi)帶來均勻的自然光線,全陰天室內(nèi)生活空間日光系數(shù)均大于5%,其中起居室、餐室和臥室達到10%;通風塔引入新鮮空氣,通過塔底部的蒸發(fā)熱交換過程降溫,并將低溫空氣送入室內(nèi);同時,東西兩側的4個太陽能煙囪利用熱壓通風原理把熱空氣排出室外(圖4)。這種被動式通風技術在全年大部分時間里可以有效降低室內(nèi)溫度,減少主動式空調(diào)設備的使用。2.3“高科技東北部”透照厚度設計方案,利用配置太陽能小控制太陽輻射的核心手段是太陽能建筑表皮設計,目的是增加冬季得熱和減少夏季得熱。格里諾博大學(SDE2010)的“穿山甲住宅”,采用了由“外殼”(太陽能裝置)、“表皮”(外圍護結構)、“內(nèi)核”(服務設施)組成的3層結構。其中“高科技外殼”除了太陽光熱、光電裝置之外,還安裝有水平遮陽板和半透明織物遮陽裝置,在圍護結構之外形成第2層表皮,為整個房子提供遮陽和通風。冬季白天,外殼的室外百葉收起,直接利用太陽能輻射采暖:表皮內(nèi)層的生土輻射板被循環(huán)其中的熱水加熱,而良好的保溫減少了室內(nèi)熱量的散失;冬季夜晚,室外百葉放下,以防止冷風的輻射散熱,生土墻所蓄的熱量向室內(nèi)輸送,以保持舒適溫度。夏季白天,外殼的百葉和遮陽簾放下,將外圍護結構的蓄熱屋面、地面和墻面遮擋在陰影中,外殼與表皮之間的自然通風可以避免光電板過熱;夏季夜晚,室外百葉收起,促進表皮墻體散熱。雙層皮形成氣候緩沖層,結合開窗對流通風,大大降低了室內(nèi)溫度(圖5)。2.4干熱氣候由于受場地承重和房屋運輸?shù)南拗?SD競賽作品難以通過密度大的材料提高外墻蓄熱系數(shù)。因此,各團隊普遍采用了輕質(zhì)高效的外圍護結構。在SDE2010中,阿爾托大學作品為了同時適應北歐嚴寒氣候和南歐的干熱氣候,采用厚達50cm的純天然纖維素填絮保溫,U值僅為0.1;外門窗采用了4層高效能玻璃,其間有3個氬氣間層,U值僅為0.3。材料熱存儲技術可以把日間收集的過剩太陽熱存儲起來并在夜晚應用。顯性熱貯存技術從2002年首屆SD競賽起就得到應用,蓄熱材料主要有不透明(混凝土地板或塑料水袋)和透明(水墻、透明保溫玻璃磚、聚碳酸酯材料的特朗布墻等)兩種。近年來,參賽作品采用的技術由顯熱儲熱向相變儲熱發(fā)展。例如,達姆施達特大學(SD2009)作品在墻面中采用了石蠟,在天花板采用了無機鹽類等相變材料(PCM)蓄熱。實驗表明,上述措施可在下午高溫時段降低室內(nèi)溫度達6℃。3新建建筑達到零能耗標準SD競賽的定位是零能耗太陽能住宅建筑原型的設計和推廣,而這類建筑正在成為未來的發(fā)展趨勢。2009年歐盟議會提出要求:自2019年起所有的新建建筑必須達到零能耗標準。實現(xiàn)零能耗太陽能建筑除采用上述被動式設計策略外,還要通過主動式技術(如太陽能光電、光熱利用)為建筑運行提供能量、優(yōu)化系統(tǒng)設計以提高能量供給系統(tǒng)的效率、采用能量儲存和并網(wǎng)技術,并選擇節(jié)能的家電和照明燈具。3.1太陽能光催化機制熱能與電能相比屬于低品位能源。為提高系統(tǒng)效率并降低成本,家庭熱水、采暖、制冷用能應優(yōu)先采用光熱系統(tǒng);當?shù)推肺荒茉礋o法解決的時候,再采用太陽能光電系統(tǒng)產(chǎn)生的高品位能(電能)。SD競賽作品在利用低品位能源(熱能)驅(qū)動暖通空調(diào)系統(tǒng)方面提出了不少創(chuàng)新性解決方案。SD競賽作品普遍采用了余熱回收技術,主要包括空調(diào)系統(tǒng)余熱回收和太陽能光電板熱回收?？的螤柎髮W(SD2005)采用能量回收通風器,利用硅膠除濕裝置,回收進風和排風中的余熱?？屏_拉多大學(SD2007)通過收集太陽能光電板(PV)發(fā)電過程產(chǎn)生的熱能,為熱水和空調(diào)系統(tǒng)提供能源,同時為PV板系統(tǒng)降溫,從而顯著提高發(fā)電效率。結合太陽能光熱利用技術,很多團隊發(fā)展了高效多源熱泵、吸收式制冷和輻射供暖冷等集成技術,以較低的能耗保證室內(nèi)舒適度。比較突出的是太陽能熱利用與太空輻射制冷集成技術,在SD競賽多個作品得到了應用。太空輻射制冷的原理是利用夜晚的太空輻射低溫(通常比建筑外表面溫度要低很多)來冷卻毛細管中的液體,從而被動式收集冷能。該系統(tǒng)包括集熱(冷)源端、儲能系統(tǒng)、高效多源熱泵和低溫差輻射末端。SDE2010中,天津大學的建筑一體化太空輻射系統(tǒng)源端在白天吸收太陽輻射,獲取的熱量儲存于蓄熱箱或直接用于熱水和供暖;夏季夜晚,向太空輻射長波散熱,并將獲取的冷量儲存于蓄冷箱中或直接用于供冷。羅森海姆應用技術大學的輻射制冷系統(tǒng)利用馬德里夏季晴朗的夜晚收集太空輻射低溫,得到18~20℃的低溫水,通過室內(nèi)的屋頂輻射板末端制冷(圖6)。3.2太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術太陽能光電系統(tǒng)包括光電轉換系統(tǒng)、電力儲存系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。作為最高效的太陽能發(fā)電產(chǎn)品,晶硅電池是SD競賽中采用最廣泛的。此外,薄膜電池更易于與建筑一體化;聚光型電池可實現(xiàn)太陽能光電、光熱高效綜合利用,也分別出現(xiàn)在不同參賽作品中。近年一些作品采用了創(chuàng)新的雙面PV板技術:太陽光透過向光面PV之間的縫隙,經(jīng)屋頂反射在背面的PV電池上。這種技術能提高30%的發(fā)電效率,為建筑接受太陽輻射面積有限的問題提供了一種解決方案。太陽能住宅的微型發(fā)電系統(tǒng)是對大規(guī)模、集中式能源供應系統(tǒng)的補充。在2005年競賽期間,陰雨天氣較多,由此驗證了太陽能建筑的電能儲存技術在極端天氣下的重要性。SD2009和SDE2010競賽,實現(xiàn)了太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術支持,很多團隊采用了蓄電池與并網(wǎng)混合系統(tǒng),使SD競賽作品更具市場推廣意義。SD競賽普遍采用了建筑自動控制技術。在使用方面,實時監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境舒適度和能耗使用狀況,并由能量管理系統(tǒng)做出相應反饋,從而提高建筑運行能效;可視化界面促使建筑使用者參與能源管理,并改善其生活用能習慣。在能源收集方面,不少參賽作品采用了太陽能跟蹤系統(tǒng)。馬德里理工大學(SDE2009)采用了球窩型太陽追蹤系統(tǒng),使得太陽能電池板和光熱收集器跟隨太陽軌跡旋轉,以提高太陽能收集效率。由于SD競賽重視太陽能技術的應用,因此提高PV模組規(guī)模有利于提高競賽成績。然而,近年來競賽宗旨日益強調(diào)綜合可持續(xù)性,采用大功率PV系統(tǒng)未必是最優(yōu)的技術策略。例如,2005年,各參賽作品的PV發(fā)電功率為3kW~11kW,而前4名為4kW~7kW。2009年馬德里理工大學的光電系統(tǒng)額定發(fā)電功率達到14.9kW,是其自身電能消耗的6倍,但最終僅獲得第14名。SDE2010各參賽作品競賽周發(fā)電情況如圖7。采用高度綜合(被動式結合主動式技術和采用高效的設備等)的系統(tǒng)才能設計、建造出最生態(tài)的太陽能建筑。SDE2010中,巴黎高等科技大學采用了聚光型電池,其裝機容量僅為2kW(輔之以2.9kW的單晶硅PV),通過高達20%的發(fā)電效率滿足了用電需求,在收支平衡的基礎上略有盈余。同時產(chǎn)生的熱能可以用于家庭熱水制備,或者儲存至PCM中。其聚光發(fā)電系統(tǒng)的能量返還時間僅為0.87年,光熱系統(tǒng)的能量返還時間僅為0.17年。該作品“適度、高效和可再生”的技術策略最終使其獲得“可持續(xù)性”單項獎第一名(圖8)。3.3各類建筑表皮和建筑材料通過建筑一體化設計,把太陽能光熱、光電裝置與建筑構件結合,是提高太陽能建筑美學價值從而促進其市場化的重要方面。在第一屆競賽中,模仿常規(guī)住宅形式的作品居多,太陽能接收器作為“不美觀的技術裝置”被刻意隱藏。而到SDE2010,太陽能表皮技術已經(jīng)作為一種表現(xiàn)形式在大多數(shù)建筑中得到了體現(xiàn)。晶硅和薄膜光電板、太陽能真空管和其他新型材料都成為立面刻意表現(xiàn)的元素。這些表皮設計強調(diào)技術與建筑的結合,以達成美觀、高效和節(jié)能的效果。達姆施達特大學(SD2007)將遮陽百葉與PV板合一,并通過自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)其角度,獲得最佳的遮陽和太陽能收集效果。馬德里理工大學(SD2007)和維吉尼亞理工(SDE2010)設計了結合PV電池的可移動外墻面,既增加太陽能發(fā)電面積,又可作為附加保溫和遮陽。加泰羅尼亞建筑學院(SDE2010)將可彎曲的PV板與三維曲面的建筑表皮完美結合,打破了光伏建筑一體化(BIPV)在非線性建筑中應用的局限性。在SDE2010競賽中,新一代兼具功能和美觀的PV技術得以應用。海瑞拉主教大學將晶硅電池與建筑立面劃分的模數(shù)完美結合。羅森海姆應用技術大學利用薄膜電池的透明性與玻璃幕墻一體化設計。斯圖加特應用技術大學采用新型無框多晶硅電池營造出美麗的立面效果:黑色單晶硅模組,安裝在屋頂以最大化接受太陽輻射;金色和青銅色的多晶硅電池,安裝在墻面,形成梯度的“像素化”效果。4陽能技術在居住建筑中應用模數(shù)化設計有利于工業(yè)化建造。SD競賽是展示太陽能技術在居住建筑中應用的舞臺。因此“工業(yè)化與市場性”是其中一項重要考核內(nèi)容,要求采用模數(shù)設計和工業(yè)化建造手段,為用戶提供有吸引力的建筑。4.1sd競賽作品的可移動性很多SD競賽團隊與建造行業(yè)密切配合,設計建造了高度預制化與模數(shù)化的木結構或鋼結構體系,并結合建筑設備系統(tǒng)、家具和內(nèi)部裝飾進行整體化設計,大大縮短了現(xiàn)場建造時間(圖9)。模數(shù)化設計也有利于提高室內(nèi)空間的靈活性和使用效率。羅森海姆應用技術大學的作品(SDE2010)設計了可折疊的家具系統(tǒng):起居室通過折疊沙發(fā)床可用作客人房;餐桌伸展可容納多達8人聚餐,而折疊后可擴大起居室,作為小電影廳;臥室床收起時可作為書房,隔墻全部折疊可獲得擴大的流動起居空間(圖10)。SD競賽所有作品必須具有可移動性,因此,模塊尺寸的設計要考慮運輸和組裝的方便。早在SD2002,德克薩斯大學就將臥室、起居室和輔助空間(廚房和衛(wèi)生間)分成3個模塊建造,而輔助空間則被設計成拖車的一部分。2005年卡特里娜颶風的襲擊,體現(xiàn)了SD競賽作品的可移動性在災民安置方面的作用,從而強調(diào)了在這方面進行深入研究的重要性。SDE2010中,弗吉尼亞科技大學方案的出發(fā)點就是創(chuàng)造一個完全符合低平板半掛拖車尺度的移動住宅,因此無需裝箱、加高等額外花費,通過常規(guī)運輸方式實現(xiàn)住宅的可移動性。4.2模塊化住宅設計工業(yè)化設計和建造的另一個優(yōu)勢是住宅的可擴展性。SD競賽的面積限制使得參賽作品絕大多數(shù)為獨立式單層小住宅。通過模塊化設計,可以將原型在水平、垂直方向擴展,根據(jù)城市中心、郊區(qū)、和鄉(xiāng)村住宅的不同人口和密度要求,組合成不同規(guī)模的住宅(圖11)。在SDE2010中,諾丁漢大學首次突破了獨立式住宅形式,設計了一個標準兩層聯(lián)排住宅片段,探討了此種住宅在有限的面寬下高效利用太陽能的技術集成,及其在城市環(huán)境中的可實施性問題。4.3sd競賽建筑現(xiàn)狀及前景由于對性能和發(fā)電量要求很高,因此很多團隊普遍采用昂貴的高端技術。針對這一問題,SDE2010中一些團隊開始探索低價高效的解決方案。維吉尼亞理工的研究表明,在保證零能耗的前提下,采用適宜技術,減少昂貴的高技術裝置,可以降低造價達40%。而SD競賽建筑原型幾乎沒有運行能耗的支出,也增加了其市場可行性。西班牙加泰羅尼亞理工大學的LOW3方案,以低能耗、低環(huán)境影響和低造價為宗旨,盡管其顯著成本低于SDE2010作品的平均值,仍憑借適宜的太陽能技術策略、獨特的建筑空間和形式在建筑設計單項中得到了最高成績。此外,SD競賽作品高度開放的預制建筑體系,使其能夠在基本結構和外圍護體系基礎上,根據(jù)顧客的需求定制不同的建筑外墻飾面板、遮陽板、室內(nèi)設施、家具和內(nèi)裝飾,從而滿足不同目標人群的個性化需求。5“低能”建筑的設計理念天津大學在SDE2010競賽的參賽作品——“Sunflower”是第一個入圍并成功參加太陽能十項全能競賽的亞洲作品,其設計理念是創(chuàng)造一個整合適宜性太陽能技術與中國傳統(tǒng)建筑美學,并具有市場推廣可能性的住宅建筑原型。5.1“太陽房”的布局中國傳統(tǒng)居住建筑的空間特色是以庭院為核心布置一系列內(nèi)向空間?！癝unflower”太陽房基本采用東西對稱式布局,中央設置一個微型庭院,周圍環(huán)繞著主要的生活空間,形成一個頗具古典意味的空間序列(圖12)。中國傳統(tǒng)風格的木格柵,將起居空間或分隔或連通,可適應不同的使用要求,達到空間利用的最大靈活性。5.2自然光照的原則“Sunflower”太陽房在設計建造中遵循“適宜技術”的原則,首先充分利用被動式策略,優(yōu)化建筑的熱工性能,促進自然采光通風;在此基礎上,采用相對低價高效的太陽能主動利用技術,結合能量儲存和自動控制技術,達到零能耗甚至正能源的要求。5.2.1保溫板外圍護結構該建筑平面采用緊湊的矩形,最大限度地減少冬季熱損失。中庭成為一個可控的室內(nèi)外環(huán)境的緩沖空間,夏季提供遮陽并促進自然通風;冬季白天成為太陽房,晚上提供保溫。作為一個采光井,中庭能夠為周圍的空間提供柔和的自然采光,從而極大地減少了照明用電和室內(nèi)光環(huán)境舒適性?！癝unflower”選擇了21cm厚的結構保溫板(SIPs)作為承重和保溫一體的外圍護結構(K值為0.18);外門窗采用3層Low-e、中空和真空玻璃加木框(K值約為0.8),天窗則采用K值達1.1的Velux產(chǎn)品,使這座太陽房具有良好的保溫隔熱性能。5.2.2太陽能輻射板輔助發(fā)電“Sunflower”采用太陽能電、熱聯(lián)合系統(tǒng)。屋面獲得太陽輻射較多,采用國內(nèi)效率最高(18.9%)的單晶硅PV電池;輻射量較少的外墻面則選用性價比較高的多晶硅PV電池。整個光電系統(tǒng)在競賽期間共發(fā)電346kWh,除滿足自身所需電力154kWh外,還向電網(wǎng)輸送192kWh電量。光熱系統(tǒng)采用天津大學的專利技術“建筑一體化太陽能輻射板”,通過綜合利用太陽能和太空低溫及空氣源,滿足冬季采暖和夏季制冷要求,并與真空管集熱器一起提供生活熱水。屋頂PV電池板下設輻射板,既能降低PV板溫度,提高發(fā)電效率,同時收集余熱用于熱水和空調(diào)(圖13)。該建筑在太陽能技術與建筑一體化設計方面提出了創(chuàng)造