零能耗零排放住宅解决方案

  零能耗零排放住宅解决方案

 ----陈康生 2015.04.07

       摘要

      零能耗(也称净零能耗)是建筑的必然趋势。建筑物与大地和阳光共存，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，给建筑物提供电力、供暖和供冷、生活热水，实现零能耗、零排放、可持续的生态居住，必将改变我们对建筑的概念。
 

      设计思想

      浅层地源和太阳能都具有清洁和可再生的优点，同时具有能量强度相对弱的特点。

      山洞里的冬暖夏凉，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供冷与山洞的热交换形式类似，因此，追求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
 

（1）

      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；系统应当具有比较低的生命周期成本。

      设计要素

      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20ºC左右。

      (1) 热源

      用低于自然温度场的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 10ºC，地源深处的温度值是20ºC，这时地层就是热源。

      (2) 冷源

      用高于自然温度场的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 30ºC，地源深处的温度值是20ºC，这时地层就是冷源。

      (3) 蓄热性

      当循环液的温度高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，地层的温度会上升，当这一过程足够长，地层会以较高的温度值趋于固化。这时地层是蓄热体。

      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。这时地层是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）

       太阳能的两重性

       (1) 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

       1) 温度: 25~30 ºC，温度上升，输出功率迅速上升。

       2) 温度: 30~42 ºC，输出功率降低很少。

       3) 温度超过42 ºC，输出功率下降明显，当温度达到75 ºC，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 ºC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。

       (2) 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，经过秋季，进入冬季时用于供暖。这叫做：太阳能热夏季储存冬季供暖。

 

      （3）

       春夏秋冬四季，可以利用太阳能加热或预加热生活用水。

       热泵

       系统配置地源热泵，用于供暖和供冷，及冬季提供生活热水。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，要热泵达到比较高的COP，且不配缓冲水箱，末端必须配套低温差水力系统。

       新风系统

        在零能耗住宅中，新风的主要功能是改善室内空气质量，次要功能是夏季辅助供冷。

        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。

       热交换端

       光热交换，太阳能板是在发电板的下面，安装水管，夏季以闭路循环水方式吸收太阳能热；在寒冷地区，冬季在循环水中加入防冻液，以维持太阳能板不结冰。

        室内热交换，地板、墙体及顶承担室内供暖供冷的热交换，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供冷负荷确定。

        多源/多负荷混合水力系统

        按照精确水力学原理和计算方法设计水力系统。

        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。

 

 

（4）

        运行模式

        系统由五部分组成：地源热泵、太阳能光电光热、辐射供暖供冷、新风及水力配送

        供暖

       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。分水器的进水温度小于30ºC，最高不高于35ºC。 进、回温差 3~5 ºC。

       供冷

       夏季地板辐射供冷承担主要冷负荷，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最低进水温度。进、回温差 2~3 ºC。

       新风
 

（5）
 

       采用地源新风埋管冬季预热，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的大幅度增加。采用地源新风埋管，使得新风机承担负荷补充的作用。

       生活热水

       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。

       设计参数

       零能耗、零排放，供电、供暖、供冷及生活热水生态住宅设计参数

 

       结束语

       本解决方案参考工程：《天目地源#1工程》，2012年竣工的超低能耗工程。

       本解决方案使用专利(号)：[2013 2 0219715.7] [2013 2 0759860.4] [2014 2 0765601.7]

       本文作者愿意以专利技术成果与致力于零能耗建筑的公司合作，共同推进零能耗、零排放住宅产业化，提供给市场完整的生态住宅产品。
 

（6）