| 标题 | 从建筑节能到建筑能源 |
| 范文 | 班广生 最近参加了一些研讨会，谈一下自己的心得。首先从建筑节能技术的发展和手段说起，自2009年开始，我开始进入太阳能光伏领域，BIPV也好，BAPV也好，甚至出现了BHPV。光伏在我国的大量应用已经是5个年头了。我有两件事要提醒大家：一、我们的门窗幕墙行业节能是从2000年，即住建部《民用建筑节能管理规定》出台以来，到现在是15个年头；二、从2009年开始国家以补贴政策推广太阳能应用，到现在也有5个年头；不知大家注意到没有，2014年国家给的分布式能源的指标是8G。我粗算了一下，8个G的产量是5600万平方米。要在建筑上实现5600万平米，包括立面、屋顶，任何什么地方。5600万平米换算成人民币，若按每瓦10块钱，建筑光伏要高于集中式电站，有的12、13块，有的8块、9块钱不一。我们平均按每瓦10块钱投资算，就是800个亿。这800个亿的市场非常大。这个市场，无论从国家支持的力度，还是从市场上现在反映的程度都很激烈，怎样面对这个市场？我就这几年的实践，谈一下体会。希望引起大家讨论。 建筑节能和新能源 说到建筑节能和新能源，先让我们回顾一下建筑节能技术的发展和手段。在以90年代建筑为基准的情况下，我们开始用了三步走的节能政策：即50%、30%、30%，这是第一阶段。不管是公共建筑，还是居住建筑，我们在80年代到90年代的基础上作为一个基础，节能50%，余量50%。第二阶段是在原来遗留下来50%的基础上，再以3×5=15，再加上50，65%是这么来的。在65%的基础上，我们再乘30%，大概有20%的余量，所以现在有的地方又提高了30%，也就达到了75%的这种说法。有的地方达到80%，节能是这么一个过程。2005年，国家出台了公共建设第一个节能标准，当时号称21世纪的节能标准。节能建筑，准确的说是从国标50189出现开始的。也就是2005年出现了绿色建筑评价标准。到2012年，出台了被动式太阳能建筑标准。这两个是我们行业的技术基础，现在概念多了。包括零能耗，低能耗，微能耗，还有气候房，气象屋等概念。意大利，荷兰，包括一些发达国家，都已经慢慢的进入国内。真正有技术依据的，我们国家一个是节能标准，一个是绿建标准，一个是被动式太阳能建筑标准。 建筑节能的方向，我们现在走到哪儿了，这是个不容忽视的问题。现在很多地方都把指标提的很高，有1.5的K值，说要达到同德国一样的国家水平。我们这个历史走的挺快。就咱们国家的历史上能够自己生产玻璃，比欧洲落后了一千年，门窗技术在上世纪90年代时，落后了德国50年，建筑节能指标，国外从50年代开始搞，我国从上世纪末开始，经过20多年的努力，已经把这个时间距离缩短到15年左右，我们技术指标提升很快，发展也很快。中国确实在发展。我们知道一些概念，包括零能耗。其实最早的LEED认证是美国的一个民间团体的认证机构，只是一个认证，引进了零能耗概念。现在好多建筑在搞LEED认证，并在培训、推广。在这个认证里，强调了新能源的引用，强调了外在能源，即非化石能源以外的能源在建筑效能里的比较和比重。 我们节能的目标到底在哪儿？是把K值无限提高？我们时常碰到这样的问题，从原来的4.6、3.2、2.8，到2.5、2.0，直至现在到了1.5，下一步还要提高到哪儿？是0、无限、极限？我前几天参加了一个课题的审核会，里面就提出0.8、0.7的门窗。甚至还有个别厂家提出0.2的，我就不明白了，0.2是什么意思？所以指标无限趋近，是不是产品的K值数值越小越好，我以为出路不在这儿。看看零能耗的建筑构成形式便知，建筑能耗一般只计算在正常使用条件下的采暖，通风，空气调节和照能所消耗的总能量。不包括生产和经营型的能量消耗，而零能耗建筑几乎可以不用任何常规能源做基础， 如果我们现在做的很多建筑的能耗，能是收支相抵的零能耗建筑，这就很不容易了。也就是产能和耗能的方程式左右平衡下来是零，吸收产生的能源和建筑消耗的能源之和是零，就是很高的境界了。所以零能耗有三种概念。如果能产出能量，它就不是能耗，它就是产能建筑能量。我们控制能耗，把一个建筑从消耗体、消费者变成一个能源的产生者，意义重大。建筑能源的构成，我们右边，基本上是各个能源，可再生能源，左边是不可再生能源。不可再生能源，主要讲的是石油，天然气，煤，这些化石能源，一次性能源。右边可再生能源包含了核能，风能、水能、太阳能、生物质、地热能、垃圾能和地势能等，这都是可再生的。我们现在之前的建筑，几乎依靠的是不可再生能源。 若我们把可再生能源发掘出来为建筑服务，形成新的电力和新的热源，这对建筑至关重要，它是一个平衡。当建筑作为一个消耗体，消耗可再生能源的能量，抵消化石能源的时候，它就赢了。它不仅节能了，还可以自我生存。当我们在公共建筑节能设计标准国标50189，在第四章围护结构里面，第一次分配节能指标的时候，当时根据上世纪90年代初的建筑分析：建筑节能50%的大致构成，围护结构系统北方地区提高35%，南方地区提高到18%；空调采暖系统北方地区提高28%，南方地区提高到22%；照明设备系统北方地区提高到10%，南方地区提高到25%； 北方采暖比例所占很高，近一半。降低采暖能耗主要是围护结构问题，围护结构又分两个部分，一个透明，一个不透明，新的公共建筑节能设计标准改了，一个叫透光部分，一个非透光部分。这个新修编的标准2015年将要执行了，原来的透明部分，造成很多障碍，这使幕墙的概念受到模糊性的限制，特别是玻璃幕墙，那么透光玻璃是有道理的，这个词在术语里的第一条改了。 2013年1月1号执行的国务院转发住建部的一号令，主要内容是要求所有公共建筑必须是绿色建筑。现在的绿色建筑评价标准里边，有新能源利用两个方面的内容：一个是地热，一个是太阳能。太阳能又包含两个方面：一个是光热，一个光电。光热是热水，光电是发电，这是加分项。可以看到，一星级绿建从50到60分总分的时候，可再生能源利用的分数权重最高可得10分，占的很高，占15%。二星级绿建的时候，60到80分总分，可再生能源利用的分数权重占10分，低一点，到100分三星的时候，它占10分，占10%，比例很大。在绿色建筑评价标准里，既有改造的分不同，新建建筑是8分，既有建筑是10分。最近在一个讨论既有建筑改造新能源问题的会议上提出，我们除了面对新建的建筑市场幕墙以外，其改造的工作量也很大，特别是门窗替换，这是要加分的。在节能效率提高里面就是在建筑“外皮”能够利用太阳能的部分，包括玻璃幕墙，外门窗，采光顶，还有实体结构墙体，外墙，还有各类幕墙，透光和非透光都可以用太阳能。那么在采暖制冷上用火力发电还是传统发电，或用其他热源，太阳能单纯的在这几个地方，有我们这个行业有所作为的地方，更多的是可以采用新能源的，甭管是光热还是光伏。 全国既有建筑总量大约450多亿平米，我粗算了一下，其中城镇住宅，农村建筑，工业建筑，公共商业建筑，整个按比例数据统计，城镇住宅最大，占40%。其次是农村建筑，工业建筑占了20%。公共商业建筑占的少，但是耗能大，占了10%。在既有建筑总量中，在外围护结构里，能发电的地方，能利用能源的地方有：屋顶、南立面、西立面和东立面这几个垂直立面，这几个地方如果全算下来，透明部分，大概是30吉瓦的市场，非透明部分大概是340吉瓦的市场。300吉瓦是什么概念？大概3万个亿。这个市场非常大，要干10年或30年。今年的指标是8吉瓦，明年可能会更大，还会持续若干年。目前全国的发电量大概不到6万亿度电，约5万多亿度。 5万亿度电的总量，如果按照我们建筑的用电量，全部完成建筑光伏，能解决50%的电力，且这些电力不用输送，就可满足所在建筑物的本地本身的需求。建筑和发电量，屋顶立面，就是非透光部分，还有透光部分。实际上透光部分有限，坦白讲，门窗不包括在内，因为门窗安装光伏不太现实。主要是玻璃幕墙和采光点。还有非透光的立面，就是墙体，这样就是三个可发电的部位发出的电。 “能值”的引入 能值是什么概念？根据美国著名生态学家H.T.Odum的定义，能值就是生产某种产品，或服务所需的直接或间接投入的某种可用能，因此能值又被称作体现在产品服务中的能量GE。 因为我们现在的建筑面临很多能源，有地热能，有风能，还有太阳能等等，太阳能有热水还有光伏发电和光热发电，还有建筑物所在位置的势能，还有生物质能，能量的形式有多种，但是它的来源，实际上都是太阳能的转化。若把这个能量在一幢建筑中去综合判定，作为一种新型的能量管理的时候，综合让这个建筑能生存下去，或者是创造一个很好的舒适度和工作条件的时候，这个能量需要一个控制，而不能各做各的。现在的市场，因为行业的划分是各做各的，而电力市场又是集中的，因此矛盾很多。下一步在把能量综合判定的时候，需要一个控制手段，一个商业模式。这个技术手段的核心是它的单位要统一，所以提出能值的概念。这是个生态学概念。 能值在其他领域都已引进。建筑系统从四、五年前搞节能时，上海大学有人探讨能值的引入，现在正式提出来。能值即所有的能量，最终都可以变成能源的一个单位的时候，最好的统一基础是太阳能。实际上自然界的各种能量之间具有各自特殊的转换关系，即能值转换率。通过能值转换率，就可以把不同类型的能量，转化为同一量纲的能值，如太阳能能值，借助能量转换成为统一单位的能量，这是个物理基础，否则信息控制，包括能量调节，是没有一个统一的控制手段的。它们分别为地热是地热的单位，风能是风能的单位，太阳能热水是热水的单位，光伏是光伏的单位，这很麻烦。包括热力管网也一样。 在任何生态系统中，任何形式的能，本身都来自太阳能。随着能在系统中的流动，一部分能散失掉了，而同时形成具有较高质量、能量等级的新型式能，通过追溯研究任何一种新型式能，都可以用同一种的能——能值来表示。能值是生态经济学中用来衡量自然支持系统与经济系统的产品与过程的新概念，在此基础上建立的理论和方法可用于度量来自自然系统的“自然资本”和生态服务功能的价值。能值为环境、资源、人类劳务、信息和发展决策的分析评价提供了新尺度。应用能值这一新的科学概念和度量标准及其转换单位—能值转换率，可将生态经济系统内流动和储存的各种不同类别的能量和物质转换为同一标准的能值，进行定量分析研究，对生态系统内的自然资源的利用进行评估，并评估其发展的可持续性，从而对制定经济方针政策提供科学依据。 “微能网”和“微电网” 能值有很好的换算关系，即M=T×B（M：为太阳能值 T：为太阳能值换算率 B：为可用能）按照此公式，所有单位都可以转化。例如，太阳能，风能，雨水势能，地热储存潜能，就是地热能，都可换算成太阳能。这样就带来一个建筑物的能量控制的一个基本的物理量。我们总结一下能值系统分析的步骤。一个是投入与产出、气象、地址参数，要了解一个建筑所在的环境，所处的所有气候和物理条件，然后做一个整个微量系统图，再由各种计算公式变成一个体系图，然后物质能量转换成同一个单量。再根据系统能值，综合系统图，反过来可以反映这个楼的整个的耗能状态的时候，我们就可以进行评价，制定对策和控制。最后形成各路系统，包括RE，REAC，及DJ、DS各种系统。这样系统控制以后，是建筑能耗总的一个控制，这个控制最重要的意义不是对这个建筑本身的控制，而是对外界的接口，即首先要建一个建筑的微能网，然后再跟电网络结合，接微电网，接智能化电网，也就是大家知道的——能源互联网。所以微能网到微电网，分布式能源，实际上就是微能网和微电网的一个基础。微网是由附载和分布式电源组成的独立可控系统，为当地提供电能和热能，是2001年美国威斯康星大学—麦迪逊校区的R.H.Lasseter教授首先提出了微网概念。现在已经是我们教科书上的东西了，很多地方已经开始做，关于智能化电网国家布局布的很多，就是为下一步的互联网做铺垫。 在我国，建筑是社会综合能耗里占能耗的第一大户，比汽车还高。若把这个问题解决了，是对能源互联网的重大贡献，这里有商机。分布式能源，在我们行业里少一些，在电力行业里已很普遍。就是分散式的，因为它需要面积，需要太阳能的受光面，所以在城市里这种面积很少。因为一兆相当于一个足球场，约7千平米左右才能发一兆瓦的电。城市里没那么大的地方去安装那么多电池板，所以分布式能源，在城市集中地，是一个无可奈何中做的一种能源方式。若在西北荒漠化地带，有很大的集中地面电站，可充分发挥其作用。 在微能网的构成中，若把产能，运能，用能这三件事解决了，整个能量控制的思路就明白了。分布式的微能源，有多种多样，有燃气轮机，有柴油发电机是独立的，风力发电，光热光伏，沼气利用新浪能发电，生物质能等等。这个能量是近距离使用，无需大规模的高压输电。任何能量，通过运输都会有损耗，距离越长，损耗越大。这些能源经过一个能量管理系统，进入输配电，再进入消费用户负载，形成一个智能的微电网，实际上它的前期就是微能网。刚才讲了DJ，DS，REC，这都是在微能网和微电网中的概念。把其加起来，便形成分布式能源网的一个系统。就建筑节能来说，首先要建的是微能利用，把微能的各种东西控制起来。在传统建筑电力消耗里，按最大的冷热用电负荷确定能源的供给是有问题的。一个楼的能源用能，每平米有多少伏安？每平米有多少燃气，每平米有多少供热，是这么来计算的。所以多种能源的转化和控制，也就是开始处理能源信号的时候，是建立在能值判定和控制系统的基础上实现的。如果做不到这一点，下一步这个能值判定和控制系统是不可能建立的。 分布式发电，叫做DG，此类能源具有多种不同特质：光伏、风电、燃机，还包括多种能源的价格，燃气价格，峰谷电价，发电上网价格，另有就地的负荷特性，即耗能的，不同时间对电、冷、热的不同需求；：特殊情况下电网对微网的积极响应，便把一个框架给建起来了，再者是它的运行控制。正常运行：光伏、风电等功率输出有一定的间隙性。太阳能最大的毛病就是它的间隙性发电，即电力行业所讲的“垃圾电”，太阳出来，9至下午 4点发电，之后就没电了。这种间歇性，给控制带来一些难度，在故障情况下，有一些孤岛效应。比如德国曾经出现百年不遇的日全食，全国电网一下子下来了，仅五分钟，还没来得及应急反映，太阳又出来了。突发情况下，孤岛效应来不及处理是它的特点。 微网的数量和高渗透率，是个很好的例子。我们建房子是以人为核心来盖的。按城镇、居住、商业等来规划，基本没有考虑“电力渗透”。所以它的高渗透率和数量是完全没有问题的。问题是目前无线的能量传递有问题，仅仅可以解决利用无线能量传递给手机充电，现在全世界都在攻关无线能量传递问题，尚未解决。有线的能源传输和能量传输是没有任何问题的。它有很高的密度，数量密度和渗透性。完成保护系统层次，这就是电网的安全性，微能网也有此问题。微能网将来建起来，并不是直接上网交互，而是邻居之间交互，所以也有安全性问题。交给智能化电网来完成，更多是低压配置，也就是0.4千伏，还有35到10千伏，还有110的高配压。微能网强调的只是在单体建筑本身或相邻或区域内建筑之间分配和循环，如果要上到高压，就是输配电了，目前国家规划了12条特高压输电。从建筑和分布式能源看，只需有一个好的接入接口就可以。分布式电网的控制结构图，以建筑为核心，有传统发电，有可再生能源发电，围绕这个建筑转时，会有一个中央能量管理部或中央能量控制器来处理这个能量。 在设计绿色能源运营网或区域规划时，必须底下的产业联合起来才行，单一的建筑是做不到的。拿绿色能源农业集成的网络示意图来说，在新经济系统的五大支柱里，能源互联网是重要的基础，是可再生能源的平台。我们总结一下，节能、健康住宅、绿色建筑、生态建筑，低碳建筑、可持续发展建筑，微能网、智能化电网，到最后还有农业互联网，所以节能的目标很清楚，不是仅仅追求传热系数趋于零那么无理智，而是要把能源和其它的要素结合起来，交互起来。我们节能，可以产生能源。现在做的幕墙门窗，气密性，K值，更多的导致是控制。当我们能产生电源的时候，我们设计的观念可能就变了。这里有三个原则：一、现在节能是节指标，控制消费的能量，当能够产生能量时，一定要追求产能最大化。即把热用的最大，光用的最大，电发的最大，一定要有一个追求最大功率原则。二、即采即用原则，这种电，即时发出来一定要马上用掉。如果不用掉，储存起来就有损耗，输送也有损耗，所以即采即用最好。一个建筑本身发电并用掉，这是最佳效率。三、差异化交易原则，当用不了能的时候，或缺能的时候要交互，交互时设备要看电网，看其它的建筑，如商场、写字楼，住宅等，不同业态的建筑，其用电的状态是不一样的。这样就有了交易，有了价值，有了交往的这种联系。所以不能单一看一个建筑的能耗，要跟相邻的建筑联合起来看。这是能源互联网最基本的几个原则和元素。 关于建筑一体化，有的业主一说做太阳能光伏发电，就BIPV，BAPV。请不要陷入BIPV、BAPV的概念里去，这是2009年3月住建部的建筑光伏补贴文件里正式出现的，这个概念是从国外引进的。当时批补贴是按照BIPV还是BAPV来批，标准是不一样的。BIPV高，BAPV低，即与建筑结合紧密的补贴多，结合不紧的“安装”上去的补贴少，为了拿补贴，大家都冲紧密型的报。现在谁也说不清，哪个叫紧密型的哪个叫非紧密型的。其实无论何种方式，和建筑有机的结合就可以了。将来在做建筑光伏的时候，如何通过各种的连接方式是关键。原则有限，方法无限，这个连接方式解决了，受力解决了，其它的就好办了，谈不上什么紧密型，松散型，什么复合型，这个意义不大。因为现在是市场经济，已经是电价拉动，把国家下的补贴改成电价拉动，这完全符合国际潮流，那个概念已经过去了。 现在要大家注意的是，电池组件和电热组件，到我们这个行业里面不能简单上墙，一定要变成建筑构件，满足我们建筑的物理性能指标和我们建筑合理的要求。如果单纯把一个电池组件安装在建筑上，其后果不堪设想，现在有的地方已经出现这样的事情，有坍塌的，有着火的，非常危险。所以要符合我们的建筑构件要求，跟我们的玻璃一样，一定要变成我们建筑用的玻璃，满足建筑物理性能要求，才能去作为建筑材料用到建筑上。现在这块市场是一个比较乱象纷争的市场，特别是我们做建筑围护结构的，做幕墙门窗的，一定要注意，要满足建筑构件的物理能以后，才可以上去。比如光伏遮阳，就是很好的东西。我现在一直在说，建筑承受阳光部分最好的是屋顶，就是建筑屋面，这个光伏转化率是最大的。其次是立面，主要是西立面和南立面。而立面里头最好的就是遮阳，因为建筑遮阳跟阳光有最好的亲和性，太阳能很骄气，发电就是发电，转化率是多少就是多少。遮阳是跟太阳最好的一个吻合，所以它发电也比较高。因此在屋顶，在遮阳方面，发电是有意义的。在垂直立面，大家要慎重考虑一下，因为不是所有光能到的地方，装上太阳板就可以发电，电是要统一的。它是串联的，有一个地方薄弱了，其他的地方都薄弱。滴一滴鸟屎，这一溜线路全有问题，所以它比较脆弱，还是要从整体的面去做。另外，这个市场的价格现在急剧下降。从2009年的光伏组件24块钱一瓦，现在降到4块钱不足，目标可能在2块8到3块钱。如果按照常规的太阳能报价的话，大概就是一平方米到一千多块钱出头。其实我们的幕墙也就是一千块钱左右，加上太阳能，应该是加五六百。所以这个市场的价格下来以后，我们大家想想会不会有市场？而且现在还有降的趋势。 分布式光伏发电系统是一种手段，不是目标。我们做建筑的首先要考虑到消费者，我们从建筑能源的消费者，要变成能源的产生者，要注意发电，分布式发电，光热也好，将来的生物质能也好，下一步势能的电源也要进到我们建筑里头。这样，建筑本身可以解决80%以上的“自我解决的能源”，建筑就成为既是能源的消费者，也是能源的生产者，而电网就是补充了，这个意义重大。所以建筑光伏只是手段，不是目标。 [文章标识码] C [文章编号] 1671-3362 （2015） 03-0052-04 |
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