瑞典零能耗建筑推動零能耗建筑領(lǐng)域的發(fā)展

“創(chuàng)新使命” （Mission Innovation，簡稱MI）是2015年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第21此締約方會議發(fā)起的清潔能源領(lǐng)域全球多邊合作機(jī)制。目前24個國家和歐盟共同加入。由各國能源領(lǐng)域部長作為最高領(lǐng)導(dǎo)層。

受國家科技部國際合作司委托，中國科學(xué)院電工研究所成立了“創(chuàng)新使命”中方秘書處，并搭建微信公眾號宣傳平臺，擴(kuò)大MI在國內(nèi)的影響力。

中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱電工所）于1958年籌建、1963年在北京正式成立，迄今已有60余年的歷史。作為電氣科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的國家科研機(jī)構(gòu)，在我國能源技術(shù)與電氣科學(xué)領(lǐng)域具有重要地位。

電工所總體定位于電能生產(chǎn)、輸配和高效利用與檢測領(lǐng)域戰(zhàn)略高新技術(shù)和電氣科學(xué)前沿交叉研究，在促進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型及相關(guān)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等方面起骨干引領(lǐng)和核心支撐作用。主要研究方向為可再生能源發(fā)電、電力設(shè)備新技術(shù)、電網(wǎng)技術(shù)、電力電子與電能變換、超導(dǎo)與新材料應(yīng)用、生物電磁學(xué)與電磁探測等。建所以來，擁有高水平科研團(tuán)隊，取得成果頗豐，與美國、俄羅斯、德國、法國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞以及“一帶一路”沿線等30多個國家和地區(qū)建立了廣泛的科技合作和交流。

電工所與清華社科能源轉(zhuǎn)型研究中心就“創(chuàng)新使命＂ 第二階段（MI2．0）實施工作達(dá)成合作共識。清華能源轉(zhuǎn)型中心將積極支持創(chuàng)新使命中方秘書處的工作，同時中科院電工所也將積極配合“每人一千瓦光伏”倡議的相關(guān)工作。雙方將開展合作研究，聯(lián)合進(jìn)行成果的宣傳推廣。本篇文章由清華大學(xué)能源轉(zhuǎn)型與社會發(fā)展研究中心“每人一千瓦光伏”團(tuán)隊撰寫，建筑節(jié)能也是“創(chuàng)新使命”框架下重點關(guān)注領(lǐng)域之一。

中科院電工所可再生能源系統(tǒng)發(fā)電研究部主任王一波和清華大學(xué)社科學(xué)院能源轉(zhuǎn)型與社會發(fā)展研究中心常務(wù)副主任何繼江合影

瑞典零能耗建筑

目錄

一、國內(nèi)建筑能耗與碳排放

二、瑞典零能耗建筑考察

三、瑞典零能耗建筑小結(jié)

四、對中國零能耗建筑之路的啟發(fā)與建議

一、國內(nèi)建筑能耗與碳排放

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗統(tǒng)計專委會制作的2000年至2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全國能耗的20．6％由建筑能耗占據(jù)，其中公共建筑與城鎮(zhèn)居建均占據(jù)38％，建筑碳排放占全國能源碳排放的19．4％。為了有效實現(xiàn)我國碳排放目標(biāo)，建筑領(lǐng)域亦應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，推動2060年碳中和進(jìn)展。

零能耗建筑將能源效率和可再生能源的生產(chǎn)結(jié)合起來，僅消耗指定時間段內(nèi)可再生資源在現(xiàn)場產(chǎn)生的能源。實現(xiàn)零能耗是一個雄心勃勃但越來越可實現(xiàn)的目標(biāo)，在國際上很多發(fā)達(dá)國家市場中都在不斷發(fā)展，私人商業(yè)地產(chǎn)所有者對開發(fā)零能耗建筑以實現(xiàn)其公司目標(biāo)的興趣日益濃厚。

二、瑞典零能耗建筑考察

（一） 哥德堡Hans－Olof房屋

1． 建筑情況概覽

這幢房子的獨持性在于它是一座離網(wǎng)的零能耗建筑。它依靠22kW的光伏系統(tǒng)實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。在解決電，熱，熱水的同時，還可以給電動汽車充電。其技術(shù)組成包括光伏發(fā)電、太陽能集熱、鉛酸電池，制氫，儲氫，燃料電池，熱水儲存，熱泵，地板輻射供暖，電動汽車充電設(shè)施等。

這幢房子的主人，也是這幢房子的設(shè)計者Hans－Olof Nilsson是一名電氣和通信專業(yè)的工程師。曾經(jīng)開辦了一個制冷設(shè)備廠，他從2005年起在瑞典建立一家風(fēng)力發(fā)電公司，后來創(chuàng)辦了一家可再生能源咨詢公司ParkuddenEnergi AB，現(xiàn)在還是Nilsson能源公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。關(guān)于房子的成本，2014年開始建造該幢房子，2015年開始使用。2017年漢斯·奧洛夫（Hans－Olof）曾在一篇報道中提到，“瑞典的一棟典型的高層建筑平均每平方米的價格為32，000 克朗（瑞典克朗，約24，000人民幣），我們的房屋總價為1500萬瑞典克朗，占地500平方米，每平方米價格為30，000 克朗?！??？紤]到整個系統(tǒng)選用優(yōu)質(zhì)材料、PV、光熱板，和大量控制單元、逆變器、水罐等，這個花費其實是很低的。

清華能源轉(zhuǎn)型研究中心常務(wù)副主任何繼江于2018年11月考察

＊以上數(shù)據(jù)均為每年產(chǎn)能數(shù)據(jù)

2． 能源系統(tǒng)三種運行模式

a）有陽光的白天光伏首先滿足房屋負(fù)荷，富余太陽能給電池充電，電池SOC達(dá)到85％時，電解槽開始制氫，制得的氫氣壓縮并以300bar壓力儲存在室外儲罐中。

b）無陽光的黑夜房屋負(fù)荷由電池滿足。

c）冬季（光照時間過短）當(dāng)電池SOC低于30％時，燃料電池啟動給電池充電，產(chǎn)生的熱用于房屋供暖與提供熱水。

房屋能流圖

3． 建筑系統(tǒng)構(gòu)成與實地考察過程

整個向南的屋頂都覆蓋有光伏和光熱板，為房屋提供大部分電能。中間是隔熱板。140平方米的PV產(chǎn)生20 kWp的電力，而20平方米的光熱板則產(chǎn)生13 kW的熱力。垂直的PV（0．8kWp）可以捕獲冬季的低角度太陽能（與水平線夾角12－15度）。西面外墻壁，兩個太陽能電池板捕獲了午后和傍晚的太陽能，產(chǎn)生約2．0 kWp的電力。

Hans－Olof房屋外觀

外墻覆蓋德國制造商Tonality的瓷磚，安裝在垂直的金屬導(dǎo)軌上，與下方的隔熱材料之間留有大約一英寸的空間，以提供充足的通風(fēng)并避免建筑中積聚濕氣，并且這部分自由空間可以輕松隱藏用于安裝例如燈或攝像頭的電纜。此外瓷磚在夏季可提供出色的通風(fēng)和散熱功能，從而減少了對室內(nèi)制冷的需求。并且這種瓷磚打造的外墻是可以免維護(hù)的。

瓷磚外墻

各個部件的連接使用了總共15km的管子和150km的電纜。所有開關(guān)被匯總到地下室的中央開關(guān)面板，而且可以分別單獨編程，并通過KNX系統(tǒng)監(jiān)控。

房屋配有一個55平米的室內(nèi)車庫，房屋可產(chǎn)生足夠電力為兩輛汽車（寶馬i3和雷諾Zoe）每天在此充電。漢斯計劃用豐田燃料電池汽車Mirai來代替他們用于長途旅程的傳統(tǒng)沃爾沃汽車。在當(dāng)前的能源配置下，該房屋每年可產(chǎn)生800－1000Nm?的氫氣，足以驅(qū)動Mirai每年行駛10，000公里。

1） 電氣系統(tǒng)

光伏電源進(jìn)入電源中心，電源中心實現(xiàn)電源分配給電池充電，水電解和房屋內(nèi)部電網(wǎng)。黃色箱盒是逆變器和充電器的組合。當(dāng)有多余的PV電量可用時，它們會為電池充電，而在沒有PV電源可用時，它們會從電池中提取電量供給房屋。電池放置在墻壁的另一側(cè)，每個盒子最大可充電8kW。上方的灰色箱盒是逆變器，滿足了房屋的實時AC電源需求。每個灰色逆變器都與三個黃色箱盒相關(guān)，并包含一個冗余系統(tǒng)。這樣，兩個逆變器都獨立工作，將能量輸送到房屋。紅色箱盒是一個3 kW逆變器，用于將立面光伏面板直接饋入房屋電網(wǎng)三相交流系統(tǒng)的第二階段。

光伏的逆變器及控制系統(tǒng)

電池采用容量為144 kWh的鉛酸電池，足以讓房子整整運行5天，包括熱量，但不包括電動汽車充電。當(dāng)電池SOC達(dá)到85％時，來自PV的電能通過電解水產(chǎn)氫。當(dāng)SOC低于30％時（例如，在陰天之后，PV產(chǎn)量低），燃料電池會使用氫氣為它們充電。這類電池是密封的，不會像普通鉛酸電池那樣在電池上積聚氣體或有害涂層。

鉛酸電池系統(tǒng)

2） 氫能系統(tǒng)

電解制氫設(shè)備最開始使用的是來自GreenHydrogen的堿性電解槽，每小時產(chǎn)生2Nm?的氫氣。生產(chǎn)和存儲1Nm?的氫（熱量能量為3．3 kWh）需要5．5 kWh。要生產(chǎn)1立方米的氫氣，需要1升純凈的去離子水。生產(chǎn)和存儲1Nm?氫氣所需的5．5 kWh中的0．5kWh將其壓縮到300 bar。這些氫氣在供燃料電池使用時，將產(chǎn)生1．5 kWh的電能和1．5 kWh的熱量。燃料電池產(chǎn)生的熱量會送到房屋的整個供暖系統(tǒng)中。

后來，GreenHydrogen推出了更高效的PEM類型電解槽，Hans－Olof隨機(jī)也進(jìn)行了更新。并且采用了更加高效的金屬氫化物壓縮機(jī)系統(tǒng)。電解槽的年產(chǎn)量約為3，000Nm?的氫氣。房屋將使用2，000－2，200Nm?來滿足房間取暖，熱水以及通風(fēng)，洗滌，烹飪和照明等家庭電力需求，電動汽車的充電當(dāng)然也包括在內(nèi)。估計800－1000Nm?的盈余，Hans－Olof計劃將其用于豐田Mirai（氫燃料電池－電動汽車），這可供其行駛約10，000公里，電解過程中產(chǎn)生的氧氣被排放到外部空氣中。

氫氣存儲放到室外地下，并用厚厚的水泥板蓋住。氫氣罐的總?cè)莘e是12立方，壓力是300bars。未來這些氫氣罐能夠儲存3600Nm3的氫氣，能夠支持房屋和燃料汽車的需求。

氫氣罐外觀

氫燃料電池來自瑞典燃料電池制造商PowerCell，它是專門為該房屋定制開發(fā)的。這是一項互惠互利的項目， PowerCell公司對燃料電池進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以從這個項目中獲得大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。目前采用的這款燃料電池是Powercell公司新一代產(chǎn)品，命名PS－5，它提供大約5 kW的電能和5 kW的熱能輸出。

3） 電力控制與監(jiān)控

Hans－Olof通過主配電盤可以對房屋內(nèi)所有開關(guān)和主插頭進(jìn)行控制、計量和編程。整個房子采用滿足KNX標(biāo)準(zhǔn)（KNX是被正式批準(zhǔn)的住宅和樓宇控制領(lǐng)域的開放式國際標(biāo)準(zhǔn)）的產(chǎn)品，構(gòu)建了智能集成建筑控制系統(tǒng)。發(fā)生故障時，系統(tǒng)將切換到備用逆變器系統(tǒng)中。房屋中總共有7個配電盤，安裝了67個永久性的能源監(jiān)測器來記錄了所有用電量。房屋總共有14個卡姆魯普公司（Kamstrup）生產(chǎn)的能量監(jiān)控器，用來記錄房屋水和供暖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。此外，還記錄了來自氣象站10個不同參數(shù)。Hans－Olof積累了所有這些數(shù)據(jù)，用于在進(jìn)行能源預(yù)測和能源設(shè)計過程中模擬能源流動和消耗方式，這樣他可以為那些希望像他一樣離網(wǎng)的人們提供這樣的設(shè)計。

主配電盤

交流電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)由呂勒奧工業(yè)大學(xué)在線監(jiān)控。研究人員監(jiān)視光伏發(fā)電，房屋總的能源消耗，交流頻率，交流電壓和其他幾個參數(shù)。除了評估生產(chǎn)、消耗和交流質(zhì)量波動帶來的影響，監(jiān)控可以幫助系統(tǒng)實現(xiàn)能源流的切換控制，主要包括在夏季節(jié)白天／黑夜／陰天使用電池供電，在冬季采用氫能支撐運行。

4） 供暖與供水

此部分包括房子的一些中央供暖和儲熱組件。三個1000升的水箱，在鋪好的車道和院子下存儲35°C的水，用于室外冰雪融化系統(tǒng)。塑料管應(yīng)在鋪好的表面下方10厘米處拉出。冬季，溫水循環(huán)加熱上述表面并融化所有冰雪。該系統(tǒng)不會一直運行，只要在有積雪或冰時，運行一段時間就足夠。大水箱前面的膨脹容器將容納系統(tǒng)中的所有超壓。兩個400升水箱為家庭提供50°C的水（每周將其加熱至65°C一次，以消除潛在的軍團(tuán)桿菌細(xì)菌）。

13 kW的地源熱泵來自Viessmann。從地表以下180米處延伸的兩個地?zé)徙@孔中收集能量，夏季通過中央通風(fēng)單元為房屋降溫，從11月到2月，燃料電池產(chǎn)生的熱量不足，熱泵將給房間供暖（地板供暖）和熱水。它還為車道／院子的冰雪融化系統(tǒng)加熱3，000升35°C的水。

500升帶凈水器的儲備水箱。如果公共供水中斷，該家庭仍可用水3天，其中包括電解水的需求。然而夏季時，每天依靠太陽能發(fā)電的氫氣數(shù)量巨大，供水中斷可能意味著損失數(shù)十Nm?的氫氣。

4． 潛在市場

宜家高層管理人員來漢斯家的房屋學(xué)習(xí)更多關(guān)于如何建造離網(wǎng)房屋的信息。漢斯－奧洛夫用非常吸引人的造價建造了這種質(zhì)量和性能的房屋，這一事實無疑引起了整個瑞典的好奇，不僅宜家這種房屋行業(yè)感興趣，大型能源公司更加如此。由于后者的興趣，瑞典的一家大型公用事業(yè)公司和電力供應(yīng)商目前正在開發(fā)Hans－Olof房屋的2．0版本。

（二） 瓦格達(dá)社區(qū)改造

2020年5月15日瑞典西南部的一個小鎮(zhèn)瓦格達(dá)通過使用光伏組件，儲能蓄電池和氫燃料電池的組合，滿足六個公寓樓（共172套公寓）的公共負(fù)荷。這將是世界上第一個能源自給自足的住宅綜合體，標(biāo)志著我們朝更可持續(xù)的公共住房邁出了關(guān)鍵的一步。

此前，該社區(qū)一棟Backg?rdsgatan建筑物的價值為700萬瑞典克朗，而年度能源購買（AEP）達(dá)到每平方米140 kWh。裝修后，它的價值升至4，700萬瑞典克朗，每平方米AEP為25 kWh。在添加離網(wǎng)能源系統(tǒng)后，該建筑物的價值為5500萬瑞典克朗，按每平方米AEP 4 kWh的水平計算（目標(biāo)為0 kWh）。

清華能源轉(zhuǎn)型研究中心常務(wù)副主任何繼江考察瑞典瓦格達(dá)社區(qū)

光伏板共占地3000平米，每棟建筑約500平米太陽能電池板面積，這些房屋還配備有熱泵和排氣通風(fēng)裝置，氫氣的需求量約為10000 Nm3／建筑物，壓縮至300 bar儲存。每棟樓燃料電池為5kW。熱泵，電池和燃料電池放置在鍍鋅房屋上的技術(shù)棚中。這種解決方案不僅為城市智能城市和住宅提供許多優(yōu)勢，也為偏遠(yuǎn)社區(qū)和地區(qū)提供許多優(yōu)勢。其優(yōu)勢包括

零碳能源，零有害排放或副產(chǎn)品

長期存儲和對需求的靈活響應(yīng)

即使在變化和極端的天氣條件下，電力可靠性高

偏遠(yuǎn)地區(qū)，關(guān)鍵醫(yī)療機(jī)構(gòu)和行業(yè)可靠發(fā)電

運維護(hù)成本低

安靜運行，低噪音污染

四、瑞典零能耗建筑小結(jié)

基于瑞典自身獨特地理位置，處于北半球高緯度地區(qū)，會有極晝極夜現(xiàn)象，選擇氫能作為儲能方式，來實現(xiàn)跨季節(jié)長時間儲能是很符合零能耗建筑需求的。通過對于瑞典零能耗建筑的實地考察可以看出，無論是改造還是新建，其技術(shù)路線均是采取光伏發(fā)電，電池儲能，電解水制氫，地源熱泵，氫瓶儲能和燃料電池。而且作為試點項目，它們接待大批世界各地來訪者，ZERO SUN項目甚至有自己網(wǎng)站來供公眾實時監(jiān)控，了解項目信息，這都增大本國內(nèi)與國際對零能耗建筑的接受度，推動零能耗建筑領(lǐng)域的發(fā)展。

五、對中國零能耗建筑之路的啟發(fā)與建議

低能耗建筑已成為國際建筑節(jié)能發(fā)展新趨勢，我國也積極開展國際合作，參照國外指標(biāo)及技術(shù)體系建造了一批超低能耗建筑工程。但是節(jié)能建筑發(fā)展的最終目標(biāo)可以說應(yīng)該是零能耗建筑，國際上一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)從零能耗建筑理論階段進(jìn)入示范項目階段，甚至已經(jīng)開始尋找實現(xiàn)商業(yè)化的可能，而我國對零能耗建筑的探索還亟待深入。

實現(xiàn)零能耗建筑首先要保證建筑的節(jié)能性，通過墻體和門窗的隔熱技術(shù)實現(xiàn)超低能耗建筑。對建筑內(nèi)使用的電熱氫能源完全由風(fēng)、光、地?zé)岬瓤稍偕茉垂┙o，采用儲電、儲熱、儲氫的方式平衡可再生能源供能與負(fù)荷用能簡的時間不匹配。

基于瑞典零能耗建筑給出以下建議

1． 對國際零能耗示范建筑進(jìn)行匯總分析，整理出零能耗建筑典型模式，對適用場景、技術(shù)路線、經(jīng)濟(jì)性等方面深入考察研究與總結(jié)。

2． 明確國家零能耗建筑定義。國家零能耗建筑定義的廣泛接受度，是政府、各組織及私人實體各界努力認(rèn)識、共同努力激勵零能耗建筑事業(yè)的基礎(chǔ)。

3． 建造零能耗建筑工程示范項目。借鑒國際已有典型案例經(jīng)驗，從小型住宅著手，到大型社區(qū)及綜合性建筑，逐步在實踐中探討零能耗技術(shù)路線與商業(yè)化潛力。

4． 在建立試點項目時，需要制定可衡量目標(biāo)（如一組能源績效目標(biāo)），借鑒國際零能耗及相關(guān)建筑設(shè)計指南，制定在實現(xiàn)能源目標(biāo)的前提下成本控制的策略。

5． 對試點項目長期監(jiān)控和跟蹤，收集整理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)產(chǎn)能與消耗進(jìn)行評估，分析建筑內(nèi)行為（如切換運行模式時）對內(nèi)部電網(wǎng)質(zhì)量波動帶來的影響，以便后續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，對整體進(jìn)行簡化，提高大規(guī)模商業(yè)化可行性。

6． 項目數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控界面實現(xiàn)可視化，如制作成公眾可以瀏覽的網(wǎng)頁，（具體形式參見瑞典ZERO SUN項目），增強(qiáng)公共對能源轉(zhuǎn)型參與度，從而提高公眾接受度，也可以引起能源公司或地產(chǎn)公司等相關(guān)企業(yè)對此的興趣，對零能耗建筑的推廣有很重要的作用。

7． 編撰項目指導(dǎo)準(zhǔn)則，制定技術(shù)手冊、設(shè)計指南與國家行業(yè)規(guī)范。從本土化的試點項目與國際前沿項目中吸取經(jīng)驗。

8． 進(jìn)行零能耗區(qū)總體規(guī)劃，探討能源規(guī)劃面臨的障礙，學(xué)習(xí)解決這些障礙的先驅(qū)地區(qū)的思路，結(jié)合自身情況，因地制宜，考慮是否可大規(guī)模復(fù)制。

9． 增強(qiáng)對零能耗建筑領(lǐng)域人才培養(yǎng)，為邁向未來建筑目標(biāo)做準(zhǔn)備．

10． 國家制定對應(yīng)扶持政策，獎勵機(jī)制。

本文研究團(tuán)隊

清華大學(xué)能源轉(zhuǎn)型與社會發(fā)展研究中心氫能團(tuán)隊

本文研究與撰稿

王薇－德國柏林工業(yè)大學(xué)，

楊子龍－中國科學(xué)院電工研究所，

何繼江－清華大學(xué)社科能源轉(zhuǎn)型研究中心