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    零能耗、零排放住宅解决方案探讨

文/陈康生

0前言

零能耗(也称近零能耗)是绿色建筑发展的必然趋势。建筑物与大地、阳光共存,有房子的地方,就有浅层地源和太阳能,把这两种可再生能源组合在同一个体系中,给建筑物提供电能、供暖和制冷、生活热水,实现零能耗、零排放、可持续的生态居住方式,必将改变我们对建筑概念的认识。如图1所示。

1设计思想

浅层地源和太阳能既具有清洁和可再生的优点,同时还具有能量强度相对弱的特点。山洞里冬暖夏凉给我们的启示:山洞是低温差热交换、零能耗的体系。建筑物的水力辐射供暖制冷与山洞的热交换形式类似,因此,低温差热交换是实现净能耗建筑的可靠途径。

实现低温差水力辐射热交换,必须采用精确水力设计和计算方法。洞人设计是以低温差水力辐射热交换为基础,整合可再生能源的设计方法,为实现净能耗建筑提供了解决方案。

一个好的零排放、零能耗建筑解决方案,应当具有广泛的实用性,不应对建筑物外围护结构的保温等级有过高的要求,系统应具有比较低的生命周期成本。

2设计要素

2.1浅层地源的三重性

浅层地源通常指深度200m以内的地层,地层自然温度场的温度在20℃左右。

热源:用低于自然温度场温度值的循环液与地层进行热交换。例如,循环液的温度值是10℃,地源深处的温度值是20℃,此时地层为热源。

冷源:用高于自然温度场的温度值循环液与地层进行热交换。例如,循环液的温度值是30℃,地源深处的温度值是20℃,此时地层为冷源。

蓄热性:当循环液的温度高于地层自然温度场的温度值时,长时间循环,并且超过地层的热扩散能力,地层的温度会上升,当这一过程足够长,地层会以较高的温度值趋于固化,此时地层为蓄热体。反之,循环液的温度低于地层自然温度场的温度值,长时间循环,并且超过地层的热扩散能力,地层的温度会下降,当这一过程足够长,地层会以较低的温度值趋于固化。这时地层为蓄冷体,无论是哪一种情况,都不利于地层温度场自身的热平衡。如果以年为周期,应当让地层吸收和释放的热量在周期内基本相当。使得下一个周期内,地层再作为热源和冷源循环使用。

2.2太阳能的两重性

光电:薄膜电池或晶硅电池可以将太阳能转化为电能。

研究表明

温度:25~30℃,温度上升,输出功率迅速上升。

温度:30~42℃,输出功率降低很少。

温度超过42℃,输出功率下降明显,当温度达到75℃,电池板的输出功率降低40%。这就是为什么在冬季阳光明媚的早晨,太阳能板能够高效率发电,而在阳光强的夏季反而输出功率减少。

维持太阳能板工作温度在30~42℃ 区间,是提高太阳能发电利用率的有效措施。夏季采用辐射制冷的方法,降低太阳能板的工作温度。春、秋两季,发电量超过使用量,多余的电力输送到公共电网,夏、冬两季,电网返还电力,达到全年电力生产和消耗的净平衡。

光热:太阳能电池板在发电的同时,吸收的热量是其发电量的数倍。利用地层的蓄热性,将夏季太阳能热量吸收,将热量输送并且储存于地层中,跨过秋季,进入冬季时用于供暖。这叫太阳能热夏季储存冬季供暖。

2.3热泵

系统配置地源热泵,用于供暖和制冷及提供冬季生活热水。热泵的效率是降低电能耗的关键之一。系统设计中热泵效率COP=5~10,热泵要达到比较高的COP,且不配缓冲水箱,末端必须设置配套的低温差水力系统。

2.4新风系统

在零能耗住宅中,新风系统的主要功能是改善室内空气质量,次要功能是夏季辅助制冷。为了降低新风系统的能耗,通过地源新风埋管,冬季预热新风,夏季预冷新风。

2.5热交换端

光热交换,在太阳能发电板的下面安装水管,夏季水以闭路循环方式吸收太阳能热;在寒冷地区,冬季在循环水中加入防冻液,以维持太阳能板循环水路不结冰。

室内热交换,地板、墙体及顶承担室内供暖制冷的热交换,管网的水力设计必须符合低温差水力设计要求。

地源热交换,可以采用垂直井埋管或水平埋管。

其尺寸大小依据太阳能热负荷和制冷负荷确定。

2.6多源/多负荷混合水力系统

按照水力学原理和计算方法精确设计水力系统。系统的运行控制模块化,主要功能是根据温度测量信号,开启或关闭对应的设备。如图2所示。

系统由五部分组成:地源热泵、太阳能光电光热、辐射供暖制冷、新风及水力配送。冬季供暖,主要换热量来自夏季储存于地源中的热。供暖前期,热泵不运行,地源热泵承担补充加热的作用。分水器的进水温度一般低于30℃,高35℃,进、回温差3~5℃。夏季地板辐射制冷承担主要冷负荷,新风承担次要冷负荷。为避免冷凝,应根据当地气象数据计算低进水温度,进、回温差2~3℃。

新风系统采用地源新风埋管来冬季预热、夏季预冷进入室内的新风,避免室外新风直接进入室内造成负荷大幅度增加。采用地源新风埋管,还可缓解新风机负荷补充过重。

生活热水系统配置生活热水水箱。春、夏、秋三季,采用太阳能加热生活热水;冬季采用热泵生产生活热水,必要时,水箱配置辅助电加热。

3结语

本工程是2012年竣工的超低能耗工程。我们愿与大家共同推进零能耗、零排放住宅产业化,为市场提供完整的生态住宅产品。

 
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