德国“产能型建筑”发展与技术研究

宋 竹

（重庆市建设技术发展中心 400015）

德国“产能型建筑”发展与技术研究

宋 竹

（重庆市建设技术发展中心 400015）

产能型建筑是指建筑所产生的能量超过其自身运行所消费能量的新型节能建筑，被德国政府列入“未来建筑”研究计划，并资助了多个研究团队建设试点项目，对其进行研究。本文阐述了德国产能型建筑的发展情况，列举了具有典型代表性的柏林产能型住宅案例，并对德国试点项目运用的技术进行了分析，希望对中国产能建筑的发展有所启示。

德国;产能型建筑;技术研究

一、产能型建筑概况

1、背景

近年来，世界各国不断提高建筑能耗的相关要求和标准，欧盟2010年修订的《建筑能效指令》（EPBD）要求欧盟国家在2020年前，所有新建建筑都必须达到近零能耗水平。德国要求 2021年起所有新建建筑达到近零能耗建筑标准，2050年所有存量建筑改造成近零能耗。采用被动房超低能耗建筑技术体系和提升可再生能源使用比例是德国实现上述宏伟目标的主要技术路线。产能型建筑(Energy Plus House) 正是德国交通、建筑和核安全部(BMUB)对“未来建筑”的研究目标之一。

2、定义

产能型建筑是指一年建筑所消耗的一次能源及终端能源均为负值（∑QE∠0kWh/m2a）。也就是建筑所产生的能量超过其自身运行所需要能量，这是一种新的建筑类型。产能型建筑类似于零能耗建筑，但更有优势的是，相较于传统能源（电能、天然气等）能利用可再生能源产生更多的能量。例如通过建筑本身安装的太阳能光伏发电和热泵设备，产生建筑供暖、热水、生活用电、照明等所需的能量。

3、发展现状

最早的产能型建筑是2000年在弗莱堡太阳小区建成的产能型住宅小区，建筑均为2-3层，是第一次将当时最先进的被动式建筑节能技术及太阳能光伏发电技术相结合，光伏板产生的电量超过居民所需，多余的电量并入了国家电网，具大学研究人员统计，小区每年平均产生多余电量为36kWh/m2。

2007年，德国交通、建筑和核安全部(BMUB)提出“产能型建筑”——未来建筑研究计划，意在研究不同功能产能建筑的技术、成果转化以及居住和公共建筑的建设标准。产能型建筑和电动汽车相结合是本次计划的一项特别研究。

在德国政府的支持下，达姆斯达特大学推出的产能建筑首次在世界展露手脚，并赢得 2007年美国华盛顿州举行的“太阳能十项竞赛”，这个建筑是一个功能齐全的轻质结构建筑。2011年，在柏林建起了另一栋示范建筑，这是一个产能型建筑结合电动汽车的项目，研究人员在这个项目中运用了更多的建筑节能技术及智能技术。2012年3月，研究团队将一栋拥有40年历史的既有建筑改造成为产能型建筑，而在当地，仅在莱茵美因河地区就有类似的建筑1-1.2万栋，因此这个项目采用的技术在当地有相当大的应用潜力，这个建筑也将作为其他改造项目的样板。

二、产能型建筑案例

由德国环保、建设及城市发展部（BMVBS）修建的第一个“产能型建筑和电动汽车”试点项目位于柏林夏洛特堡地区（见图1），项目基地与柏林艺术大学相对，紧邻柏林动物园。该项目于2011年建筑完工，研究人员试验了不同节能技术和设备在不同功能下的性能。完工后的头3个月（2011年12月-2012年2月）该项目作为展示建筑开放参观，为采集更真实的研究数据，2012年3月，一个4口之家开始了长达15个月的体验入住，2013年6月，建筑又被重新改建成为展示建筑向公众开放。

图1 德国政府资助的第一栋产能型建筑

1、建筑设计

该项目建筑面积187m2，上下两层。建筑体型设计紧凑，其目的一是为减少围护结构的热量流失，二是缩短设备管线距离。一层功能为起居室和厨房，二层为卧室。为了方便建筑使用功能的调整以及可拆卸，整个建筑均为模块化设计，建筑材料也采用了可回收的绿色建材，建筑基础采用预应力混凝土条形基础和桩基础。建筑的所有设备均集中在“能源核心”，位于一层紧邻街道的展示橱窗内，室外便是电动汽车停车及充电场所，公众可以通过橱窗内的监测数据随时了解建筑能耗情况。

2、围护结构

建筑围护结构均为装配式轻质结构，地面、屋面、外墙、内隔墙均采用木结构复合保温板。建筑西立面和东立面的全玻璃幕墙采用了钢柱支撑屋顶结构。木结构复合保温板是由纸浆纤维做成的高效保温材料填充，外墙传热系数仅 0.11，另外附加一层麻纤维板有着很好的隔音效果。大面积的玻璃幕墙为3层中空玻璃，由氩气填充，传热系数为0.7。玻璃幕墙外安装了铝百叶活动外遮阳。

3、建筑技术方案

通过两个源头获得建筑能源：一是通过屋面以及南向外墙安装的太阳能光伏板发电；二是一台空气源和水源热泵，确保冬天能从基地外界获得必要的热源。建筑内的高效蓄电池可以将多余的电量储存起来以备不时之需或者给电动汽车充电，富余的电量还可以并入公共电网来换取补贴。通过创新的技术和智能管理系统，锂电池可以同时兼具电量存储和输出的功能。机械通风器可以保持室内较好的空气质量，每个房间的窗户也可通过人工开窗进行换气。排出的空气通过热交换机将热量进行回收，加热新风，建筑的照明全部使用LED灯。建筑进行了智能家居设计，居住者可以通过智能控制系统对灯光、外遮阳等进行调节，也可以通过“能源核心”控制各种设备。

4、研究数据

根据公开监测数据显示，预计光伏板产电量为 16625kWh，实际产电量为13306，比预计低20%，原因是受天气和地理因素影响。实际用电量为12400kWh，比预计高出 75%，用电量最大的设备是热泵，预计使用 2217kWh，实际使用5865kWh,原因是入住家庭暖气使用温度比预计高，以及计划外的开窗换气以及家用电器的用电量也比平常估值高出很多。

三、产能型建筑技术分析

产能型建筑主要采取 3个基本技术措施，一是尽量提高建筑节能率，二是将建筑能耗降到最低，三是利用可再生能源作为消费能源。

1、提高建筑节能率

德国要求产能型建筑节能措施必须遵守德国2009建筑节能法规。在进行建筑设计时，建筑体型要紧凑，建筑四周不应有建筑物和植物的遮挡，建筑朝向要合理，要合理控制窗墙面积比（南面可适当加大开窗比例，北面尽量避免开窗），屋面和墙面要留有安装太阳能光伏板的位置，建筑围护结构要尽量将保温隔热性和气密性做到最佳。

图2 产能型建筑试点项目围护结构传热系数对比图

2、最小化建筑能耗

产能型建筑是个综合性系统工程，为了实现自给自足的目标，在降低家用电器、照明以及供暖等能耗的同时，还要通过智能管理系统合理分配和控制储能的使用量。因此产能型建筑要求所有家用电器应达到最高能效等级，照明采用 LED灯或者节能灯，新风系统通过热交换器对室内空气热量进行回收，在储能设备上安装智能管理系统，以实现各种电器的电量使用及温度控制。

3、利用可再生能源

充分利用可再生能源，例如采用太阳能光伏、风力发电技术，水源、空气源、地源热泵技术，太阳能热水，自然采光，新风热回收系统等。通过智能管理系统进行管理，将日照较强的时候产生的电量储存在中央储存器里面，在夜间和光照较少的时候存储器自动提供电能，富余的电量可以并入公共电网来换取补贴。

以下为一个试点项目能耗数据对比分析：

表1 产能型建筑年耗电量及产电量对比表

注:本案例为一栋120m2的独栋住宅，拥有60 m2太阳能光伏板，通过空气源或者水源热泵（包括新风系统和太阳能加热系统）提供暖气。

4、存在的问题及建议

产能型建筑在运行过程中受太阳光照因素影响较大，因此建筑所处的地区、朝向以及是否适合安装太阳能光伏板都是对产能型建筑的约束因素。在德国，因富余电量并入公共电网补贴价格波动较大，造成有些使用者情愿将富余电量更多地留下来自己使用，或者在生活中对室内温度的不科学设置，造成不必要的能源浪费。因此产能型建筑应安装智能控制系统，以及在设计环节制定能源使用规律计划表并在运行中通过能耗监测系统进行实施监控，才能将设计理论值更好地在实践中推行。此外，为降低建筑的全周期耗能指数，新建产能型建筑也应提倡采用自然、可循环使用的建筑材料。

四、结语

迄今，德国政府资助开发单位建设了35个试点项目，多个研究团队长期对这些试点项目进行跟踪并采集数据，项目运行数据也实时在网上进行共享，独栋、联排、多层住宅均为数据监测的对象。目前德国正着力开展既有建筑改造以及学校建筑的产能型建筑标准的研究，以便更广范地推广实施产能建筑，使更多的建筑成为自给自足的小型能源站，以达到减少一级能源消耗，保护自然环境的目的。产能型建筑是未来建筑节能减排的重要途径，必将在我国新型城镇化的进程中扮演重要角色。

[1]夏冰,陈易.德国产能型住宅设计案例解析与思考[J]. 住宅科技,2014,12: 33-38.

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1007-6344（2016）08-0108-02