可再生能源为建筑超低能耗“赋能”

文-本刊记者-陈向国 刘京佳

超低能耗建筑是建筑未来的发展趋势和推动碳达峰、碳中和的重要方式之一。近年来，北京市把大力推广超低能耗建筑作为建筑领域节能减碳的重要内容，通过政策宣讲、技术推广、调研培训、标准引领、精准施策、示范奖励、强化监督等多措并举，使得超低能耗建筑已达到一定规模，类型涵盖城镇居住建筑、公共建筑、农宅等，取得了良好的示范效应。

近日,由北京节能环保中心、节能与环保杂志社和北京能源学会共同举办的“超低能耗建筑技术助力北京碳中和可再生能源专场暨第31期北京市绿色发展及碳达峰碳中和大宣讲”，多位专业技术人员的分享，就是一场专业技术经验交流、推广活动。

在实现建筑超低能耗过程中，太阳能、地热能等可再生能源技术的应用发挥越来越大的作用——可再生能源“赋能”建筑超低能耗。可再生能源对建筑节能降碳作用的发挥离不开光伏组件建筑一体化（BIPV）。BIPV近些年来迅速成为建筑行业的新赛道。为进一步了解相关情况，本刊采访了光伏组件建筑一体化企业英利集团旗下保定嘉盛光电科技股份有限公司（简称“英利嘉盛”）总经理张翼飞，将他的看法与“北京市绿色发展及碳达峰、碳中和大宣讲”专业技术人员的观点结合，深探可再生能源“赋能”建筑超低能耗之效。

“太阳能”“地热能”等让建筑更低能耗

从华清荣益建造运行的北京城市副中心智慧能源保障中心及英豪阳光北京大兴区大辛庄中学冬季供暖改造项目的运行来看，太阳能、地热能的充分有效利用是实现建筑本身、运行过程中节能降碳的有效途径。

国内能源行业首个“近零能耗”建筑

国内能源行业首个“近零能耗”建筑是北京城市副中心智慧能源保障中心（通州河东5号调峰热源工程配套辅助楼）。该中心面积5200平方米，集客服、应急抢修、调度功能于一体。“该项目可再生能源利用率达73%；建筑本体节能率达80%。单位建筑二氧化碳排放量从三步节能建筑的每年每平米78千克降低至4千克。”华清荣益技术主管孙志亮介绍说。据悉，该建筑已经取得近零建筑认证、绿建三星建筑认证、超低能耗建筑认证。

孙志亮说，之所以取得这样的成绩，是因为该建筑采取了“被动优先+主动优化+可再生能源辅助”的技术体系。

“本项目从两方面实现该建筑节能降碳。一是从围护结构、屋面系统、地面保温系统、遮阳系统等方面完善建筑主体结构热工性能技术升级；二是从低能耗楼宇设备、暖通空调系统、楼宇智慧运维管理系统、智能微电网系统关联耦合实现按需供能的超低能耗调度系统。”在可再生能源利用方面，孙志亮介绍说，“项目总冷负荷340千瓦，总热负荷240千瓦。基于本项目近零能耗目标和示范效益，充分考虑项目基础条件和业主意向，对本项目冷热源系统配置方案进行论证。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，能源系统设置时遵循的原则为供暖空调冷源与热源应根据建筑物规模、用途、建设地点的能源条件、结构、价格以及国家节能减排和环保政策的相关规定等，通过综合论证确定。”

在论证的基础上，该智慧能源保障中心冷源、热源需求供给如下：

冷源。地源热泵制冷量164千瓦，供回水温度16/21℃；空气源热泵制冷量6 7千瓦，供回水温度16/21℃；蓄冷罐13 0 m³，蓄热量1200千瓦时。热源。地源热泵制热量174千瓦，供回水温度33/38℃；空气源热泵制冷量69千瓦，供回水温度33/38℃；蓄热罐130m³，蓄热量1200千瓦时。“可再生能源的利用有力支撑了该项目超低能耗建筑目标的实现。”孙志亮强调说。

太阳能跨季节储热+地源热泵系统解决方案

“太阳能跨季节储热+地源热泵系统是结合我国北方地区用热特点，将太阳能光热技术、浅层地源热技术和土壤储热技术有效融合的一种新型清洁采暖解决方案，很好地达到土壤的冷热平衡，从而保证了系统的稳定与安全，可有效解决我国大部分地区农村城市的采暖问题。该系统解决方案具有无排放、节能、环保的特点，可有效解决我国北方地区新型城镇化建设和新农村建设的采暖问题。”英豪阳光技术总工曹瑞堂介绍说。

据悉，该系统可实现冬季采暖、夏季制冷、日常生活热水三大功能。曹瑞堂说，“利用土壤储热，实现太阳能资源跨季节储存。充分利用太阳能资源存储于土壤中用于冬季采暖，平衡土壤热量运行过程中无任何排放，不会产生粉尘、氮氧化合物污染。即使在夏季，产生的热量也将得到储存，不会产生‘热岛效应’。”除此之外，还有两项优点。“一是运行稳定，运行费用低。跨季节储热技术不仅实现了系统长期稳定运行，而且长期运行后，随着太阳能储存的热量逐渐增加，系统运行费用将逐渐减少，逐渐实现全太阳能供暖。二是自动运行，管理方便。由于本系统为全自动智能控制，故系统本身自行管理，末端自动温控，可实现室内温度恒定，不会因外界环境变化造成室内温度大幅变动。本技术入选《北京市2018年节能低碳技术推荐目录》，荣获北京市科学技术奖三等奖、河北省建设行业科学技术进步奖一等奖。”曹瑞堂说。

应用实效如何？曹瑞堂以北京大兴区大辛庄中学冬季供暖改造项目为例予以说明。据介绍，大辛庄中学位于大兴区礼贤镇，总建筑面积3631平方米，包括教室、办公室、会议室、活动室等。本项目于2015年改造完成并投入使用。 改造前，业主提出三项要求。一是保证效果，冬季室内温度达到北京市采暖标准18℃。二是节能减排，系统运行不能产生排放。三是系统安全、静音，不能影响正常上课。

“改造前，该建筑用小型燃煤暖气锅炉带暖气片采暖，专人值守操作——一人同时值守13个锅炉，夏季室内安装电风扇降温，全校集中生活热水供应。年用煤量为36吨/炉，且会出现需要热量的时候温度低，如早晨、阴雪降温天；同时，校园煤烟严重。室内温度在10℃左右。改造后，校园中用于冬季采暖的煤堆和锅炉房、用于夏季制冷的空调室外机、房顶用洗浴的太阳能单机均被新的集成系统取代。校园环境变得整洁、卫生。更重要的是，二氧化碳、碳氧化物、硫化物、粉尘零排放。也就是说，本项目用跨季节储热技术完全代替采暖燃煤一项，即每平方米采暖面积每年可减少燃煤消耗100千克，即减排二氧化碳260千克，完全避免使用燃煤采暖导致的PM2.5污染。该校学校每年共可减排二氧化碳545吨、二氧化硫1.8吨、氮氧化物1.5吨。”曹瑞堂介绍说，“改造前，使用燃煤每平米50元到53元，且不含人工费用，室温8~12℃；改造后，16~25元，室内全天恒温21~22℃。跨季节储热技术是目前解决新农村、公共建筑采暖问题最佳的清洁能源供暖方案。”

光伏绿色建材助力建筑超低能耗

“一方面，光伏绿色建材首先是建材，需要同时满足光伏行业和建筑行业两个行业的标准和要求。另一方面，在发电效率和减排效果方面，随着国内光伏技术的发展，光伏绿色建材的转换效率和发电量也在不断提升。”张翼飞对记者说。的确，近些年，光伏行业不能与建筑融为一体的难题已经被破解——英利嘉盛等企业走到了前列。得能瓦技术也取得了突破。

光伏绿色建材不断更新迭代

回顾我国BIPV的发展历程，我国最早的晶硅光伏绿色建材诞生于2007年。当时国内首个BIPV项目——保定电谷国际酒店要应用一批能发电的玻璃代替传统玻璃，为此诞生了我国首块晶硅全玻光伏发电玻璃。

保定电谷国际酒店

自此之后一段时间内，由于市场不明朗，光伏绿色建材进入市场拓展的瓶颈期，但相关企业的技术研发并没有停止。据张翼飞介绍，2007年以来，我国的光伏绿色建材在外观、技术路线等方面经历了12次更新迭代。2019年，全球首款曲面晶硅光伏黛瓦诞生；2020年，国内首款色彩化、纹理化晶硅光伏绿色建材面世，晶硅产品终于突破外观限制，在色彩、纹理、造型等方面实现了巨大突破，既能发电，又能美化建筑，成为新一代“能发电的城市建筑美容师”。“在这个过程中，英利嘉盛的技术研发水平也实现突飞猛进的发展，截至目前，英利嘉盛获得相关专利294项，标准16项，成为首个主编BIPV领域国际标准的中国企业，专利数量、标准数量均位居行业第一。”张翼飞说。

很显然，光伏绿色建材具有双重属性。“光伏绿色建材首先是建材，需要同时满足光伏行业和建筑行业两个行业的标准和要求。”张翼飞表示，截至目前，英利嘉盛的光伏绿色建材——新型晶硅光伏绿色建材已经通过了光伏行业及建筑行业共计超过30项认证和测试，能做到与建筑同寿命。在发电效率和减排效果方面，随着国内光伏技术的发展，光伏绿色建材的转换效率和发电量也在不断提升。以北方地区为例，如果安装在立面，每平方米光伏绿色建材每年可发电145度左右，相当于减排二氧化碳144千克。

“由于这种新型晶硅光伏绿色建材与建筑具备高适配性，且具备优异的发电性能，因此一经推出，就获得市场高度认可，应用在了很多优质项目上。比如，最近刚刚完工、即将投入运营的上海首个零能耗建筑——上海招商璀璨城市零碳展馆，就使用了英利嘉盛最新的青砖系列。张翼飞自豪地说，产品与建筑银白色外观浑然一体，大气协调美观，且兼顾节能及发电效果。此外，英利嘉盛的晶硅光伏绿色建材还用到了全球最高、最大、最智能的零能耗政府建筑——迪拜水电局新总部大楼，亚洲最大高铁站——雄安高铁站，国家级零碳示范村——四川攀枝花混撒拉村，光储直柔示范项目——山西新源智慧运行总部，光伏+汉文化建筑——天汉大剧院等一批国内外优质的超低能耗、甚至零能耗建筑上。截至目前，英利嘉盛的光伏绿色建材累计应用面积超过70万平方米，相当于每年为全球建筑减排二氧化碳近10万吨、降耗5.5%。

“从建筑行业碳中和实现路径来看，光伏绿色建材不但可以有效节能减排，还是调整建筑用能结构的必由之路，是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要一环。随着国家鼓励绿色建材促进建筑品质提升的试点工作进行，相信光伏绿色建材必将从公共建筑走向民用建筑，助力建筑碳中和早日实现。”张翼飞总结说。

瓦得能与得能瓦

得能瓦是北京瓦得能科技有限公司经过4年研发的产品。据该公司董事长王欣荣介绍，得能瓦不仅具有建筑瓦的基本属性，还具备生产热能、提高光伏组件发电效率和给建筑加热和冷却功能，是对建筑材料应用的一项伟大创新。

“得能瓦／板是利用高分子材料复合生产的中空屋面瓦和外装饰墙面板，瓦或板面层是共挤的吸热涂层，瓦或板内的介质通过设计的流道采集传递热量（产能），通过换热器实现屋面温度调节（节能）；光伏组件可以直接铺设在该瓦或板上，解决太阳光伏发电系统、太阳热水系统不能建筑一体化的世界难题。得能瓦/板技术系统能与空气源热泵系统有机结合，可形成多能互补清洁能源解决方案。”王欣荣说。

“太阳能光伏光热得能瓦组件利用专业技术把柔性晶硅组件复合在液体流道得能瓦（板）表面；组件发电时背板产生的热量加热流道内的介质，同时起到给光伏电池降温作用，提高光伏组件发电效率；该系统光伏阵列面积约为40平方米，正南朝向坡度为10度，每10块组件形成一个组串，共7串，总装机容量为4.37千瓦，经汇流箱汇流后进入5千瓦逆变器（因系统耦合3P水源热泵，为保证热泵的正常运行采用两台逆变器并机运行模式），输出220伏电源为用电设施供电，自发自用，余电采用8块12V120AH铅酸蓄电池储能，形成离网系统加有市电互补的光伏储能系统。多余的电能也可以用来加热水备用。”王欣荣介绍太阳能光伏光热PVT得能瓦系统工作原理时说。

具体而言，PVT得能瓦系统集热供暖系统是如何实现供暖的呢？

王欣荣介绍：在非供暖季，太阳能光伏光热PVT得能瓦集热水箱与地埋水箱换热蓄热，水源热泵制冷产出的余热与地埋水箱换热。在供暖季，分太阳能得热量充足与否两种情况。太阳能得热量充足时，集热水箱温度达到供热温度要求时，直接供末端采暖。太阳能得热量不足时：一是集热水箱水温大于25℃小于供热温度时，集热水箱与地埋水箱换热，地埋水箱为水源热泵提供热源，加热缓冲水箱中的水供末端采暖；二是集热水箱水温大于12℃小于25℃时，集热水箱为水源热泵提供热源，加热缓冲水箱中的水供末端采暖。当集热水箱小于12℃时，地埋水箱为水源热泵提供热源，加热缓冲水箱中的水供末端采暖。

目前，利用可再生能源节能降碳的途径比较多——趋势是融合、耦合发展。“得能瓦技术系统为复合的、新型建筑材料和现有的清洁可再生能源技术进行整合提供了可能。”王欣荣说。

“新成员”——空气源热泵系统合力降耗减碳

根据住建部发布的国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，2022年4月1日起，空气源热泵系统正式位列全国承认的可再生能源行列。此前，空气源热泵系统已有多年实践应用，但并未纳入全国承认的可再生能源队列，因而享受不到政府的专项财政补贴等的优惠政策。4月1日起，它将和太阳能系统、地源热泵系统一样享受可再生能源的相关政策红利。

北京市支持空气源热泵系统推广应用

北京市从2013年起，正式启动了农村地区“减煤换煤清洁空气”专项行动。截至2018年，北京平原地区基本实现无煤化。数据显示，在北京“煤改清洁能源”的2279个村庄中，实施“煤改电”村庄有1822个，占比80%。而在各煤改电取暖设备中，空气源热泵更受北京煤改电用户青睐。2016年北京“煤改电”19.9万户，其中空气源热泵15.1万户，占总改电户数的75.8%。到了2017年，北京“煤改空气能热泵装机总量就达到30.2万台，市场占比居所有品类之首。2018年北京电采暖用户已突破120万户，空气源热泵采暖用户数60万户以上。空气源热泵之所以更受北京“煤改电”青睐，因为空气源热泵通过“逆卡诺”原理，把空气中低温热能转为高温热能，再给室内供暖。它靠少量电能驱动，不用燃气燃煤，无废气排放，能效比高，与其他电采暖设备相比，更加节能、高效、环保和安全。更重要的是，北京政府对煤改空气源热泵的补贴力度比较大，减轻了居民的费用负担。

《2018年北京市农村地区村庄冬季清洁取暖工作方案》规定，“实施‘煤改电’项目，可选择使用空气源热泵等清洁能源取暖设备，改造方式可以选择单户改造或集中改造。对使用空气源热泵、非整村安装地源热泵取暖的，市财政按照采暖面积每平方米100元的标准进行补贴。”北京各区县根据实际予以落实，比如，延庆区在《2019年农村地区村庄冬季取暖工作实施方案》明确空气源热泵补贴政策。市级财政按住户采暖面积每平方米100元进行补贴，每户最高不超过1.2万元；区级财政在市级财政补贴后，按设备型号中标价格据实补贴，最高补贴1.2万元。

据了解，2021年底，北京市发展改革委批复2021年第二批“煤改电”工程资金申请报告，涉及昌平区果庄村、王庄村东庄2个村共794户。改造结合实际地理地貌，共新装、更换柱上变压器15台，新装电表794台，新建电缆井2座，架设绝缘线约50.5千米，敷设电缆约22千米，新立电杆239基，近800户山区居民家里用上了空气源热泵取暖，告别了往年燃煤取暖的诸多不便。实施清洁取暖改造后，乡村环境和居民生活品质获得了整体提升。

下一步，北京市发展改革委将继续支持山区居民煤改清洁能源，进一步优化用能结构。

分布式能源站是空气源热泵应用核心技术路径

四季沐歌技术部经理范惠捷介绍说，空气源热泵系统主要应用于家用、商用、水产畜牧养殖、种植领域，75%的功用是供暖，因而要“聚焦75%采暖市场，抓住规模性，而建设运营分布式能源站是其核心技术路径。”建设一个能源站产品占30%，系统设计占40%，安装运维占30%。“一个好的能源站三部分都需要做好。”

范惠捷对空气源热泵系统设计方法与技巧做了详细讲解，并给出了各阶段的核心要点。

第一，项目勘察阶段。

一定要关注原有变压器归属及电费挂钩的问题，归属不同，价格不同，关乎运行费用；运营年限和许可涉及到投入和产出的差值利润问题；供暖管网质量、分布、责任划分涉及到运行费用的问题；旧改项目，需要与之前运行缴费情况进行数据分析，套内面积还是建筑面积；政府承诺保底政策，如缴费率保底等，要签入协议，不足该如何补偿；能源价格需要明确水费、电费、燃气费等。

在项目勘察阶段，机组放置位置选择应得到足够的重视。不要将能源站选择放置在非供暖建筑周围空地上；居民建筑低于50米的情况下，应注意降噪；注意放置位置的使用年限和费用归集问题，要有书面资料；若放置屋顶，需要考虑隔振、降噪和承重、电力等问题。

第二，设计阶段。

一是要关注总费用。能源选择上考虑采用耦合设计，让生命周期投资最低；设计尽量用软件精准核算，有条件的自行开发，无条件的可直接购买。

二是噪音解决方案。总的要求是满足国家标准。系统级别的降噪建议采用先预算、后设计和实施的方式精准降噪；降噪预算金额一般控制在3~8元/平方米；除设备降噪外（如热泵、水泵），还需要关注系统降噪的问题；最好的降噪方式是远离人群。

三是架空问题。空气源热泵布置需要考虑间距及高度问题，保证设备运行的通气量，避免多列出现结霜、冷岛等问题。

第三，运营阶段。

对于用户偷水问题，需要在系统控制方面可查可控，加强循环水的不可用性；供热和停热可控，避免不必要的运行费用支出；设备一定要有机房和围挡，机房无人要上锁，注重安全和避免不必要的损失；房间设计标准温度18℃，用户需求不一致，要在 20℃以上方可；运营是可以赚钱的，一定要与社区物业公司处理好关系。

“通过系统级设计、智能控制和专业运维，可以做到更有效的节能，在配合合理情况下，一个系统节能空间在15%~20%。”范惠捷，用实例证明了空气源热泵耦合能源站对建筑节能降耗的明显功效。