从穿“棉袄”的房子到没有“烟火气”的厨房,零碳建筑长什么样?

Makeable 从可再生能源、电力改造、能源效率提升、材料与能源替代、行为改变和 CCUS 六大气候创新的重点路径出发,深入探索“双碳”背景下中国建筑全生命周期的零碳转型之路。本文为此系列第三篇,点击文末链接阅读更多。

2020年,中国第一栋获得“近零能耗”标识的民宅“零舍”诞生。此后,相关新闻被屡屡刷屏。这栋位于北京大兴乡村的房屋利用气密与保温策略,无需空调也可常年保持舒适的室内温度,再结合光伏发电技术,建筑运行所需能耗的80%都可“自产自用”

零舍主人、天津大学建筑学院教授任军说:“从事建筑设计,从没放弃过对大自然的探索,第一要保护好它,第二就是琢磨怎么向它‘借力’,别浪费自然的能量。”

©️ Archdaily

零舍向自然“借力”的超低能耗模式实际上离我们并不那么遥远,在建筑界,它也有一个名字叫做“被动房”——而除了被动房之外,建筑运行环节还有许多低碳高效的创新绿色建筑技术值得我们关注

1.光伏建筑:五彩的玻璃幕墙,竟然还可以发电

建筑用能的可再生能源化改造针对的是建筑用能的源头排放,是建筑运行“碳中和”的基础。在建筑领域,太阳能、风能、地热能和空气热能等均是常见的可再生能源来源,而考虑到能源利用的成本、配置的灵活性和与建筑结构结合难度等因素,太阳能光伏发电脱颖而出,成为减排最有力的建筑可再生能源。

国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》提出,“到2025年,城镇建筑可再生能源替代率达到8%,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%”。在大比例使用光伏的情境下,建筑运行碳排放相较基准建筑可下降68.5%

随着近年来我国建筑节能技术的推进,BIPV 的普及率越来越高。BIPV 全称光伏建筑一体化(Building-integrated photovoltaics),与在建筑屋顶与外墙加装太阳能板的传统模式不同,BIPV 中的光伏组件本身就是建筑结构的一部分,例如门窗、幕墙或屋顶,这既能提高建筑的美观性,又能节省建筑材料。

然而,BIPV 的优势也恰恰导致了其在推广过程中所面临的挑战。由于已有的建筑一般未考虑潜在建筑光伏安装的可能性,这增加了 BIPV 的改造难度;此外,BIPV 组件既需要具备普通光伏系统的发电性能,还应满足防水性、安全性、牢固性和美观性等方面的要求

BIPV 的各种组合方式 ©️ PURE Project

BIPV 可以利用一栋建筑表面任何易受阳光照射的部位。一种常见的 BIPV 模式是使光伏组件与玻璃窗或幕墙相结合,既能发电也能发挥遮阳的作用。澳大利亚上市企业 ClearVue Technologies 与荷兰初创公司 eLstar Dynamics 于2021年成立合资企业,旨在研发一款能够集成能源生产和照明控制双重功能的智能玻璃窗,该产品通过光伏产生的部分电力来操作玻璃的自主着色层,无需百叶窗或其它遮阳部件就能轻松地控制建筑物内的光照水平。

来自德国的 Glasscon 注重于提升光伏组件的美观性,其研发的彩色光伏玻璃遮阳系统使建筑师不再需要担心光伏建筑外观的沉闷。

©️ GLASSCON

除此之外,BIPV 也有其它各种结合方式。例如特斯拉推出的 Solar Roof 太阳能屋顶,直接用光伏电池片替代瓦片,其使用寿命比普通屋顶更长,强度更是标准屋顶瓦片的三倍以上,可应对各种天气状况。

Solar Roof ©️Tesla

在全世界都在推动光伏发电的背景下,对于光伏的需求也不再仅是单纯的数量提升,还有对更高效率的追求。当前市场上常见的光伏电池类型为晶硅电池,而随着另一种高性能材料——钙钛矿的兴起,预计在不久的将来,光伏发电市场将会全面洗牌。

钙钛矿材料由波兰初创企业 Saule Technologies 的创始人、物理学家 Olga Malinkiewicz 发明,钙钛矿光伏电池是继晶体硅电池、薄膜电池之后的第三代光伏电池,其利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料,具有结构简单、成本低等优点,仅经过短短十余年的研发,其光电转化效率已经可以与发展了数十年的晶硅电池相匹敌,在未来还有巨大的上升空间。作为轻质柔性电池的钙钛矿尤其适用于 BIPV 组件。

©️ EnergyTrend

中国企业在钙钛矿光伏领域走在前列,杭州纤纳光电科技已在浙江衢州正式投产钙钛矿生产线,标志着钙钛矿光伏电池技术从研发走向量产,推进该项技术的大规模工业化应用。创立于2018年的极电光能在63.98平方厘米的钙钛矿光伏组件上,实现了20.5%的光电转换效率,打破了大面积钙钛矿组件效率的全球纪录。

2.被动房:无需空调,室内也能四季如春?

被动房起源于上世纪80年代的德国,其名称中的“被动”二字指的是无需空调暖气等“主动”供暖设备,仅靠建筑本身的保温性能就能够在室内常年维持适宜的温度。文章开头所提到的“零舍”便是如此,在北方气温接近冰点的夜晚,零舍的室内温度也仅会下降两度,而这还是在没有任何外部供暖的情况下实现的。

被动房并非一种特定的建造方式,而是一项性能标准——相比普通建筑,被动房的能耗可降低70%左右,因此被动房有时也被称为“超低能耗建筑”。近年来,全国各地都陆续出台了建造超低能耗建筑的优惠政策,其将会成为建筑行业的重要发展方向。

被动房的五大技术要点
 ©️ Passive House Institute China

要想建造性能良好的被动房,最主要的技术手段是提高建筑围护结构的保温性能,这给各种高性能建材提供了大显身手的舞台。

气凝胶是一种密度仅为空气六分之一的高性能材料,是世界上最轻的固体,它具有极高的孔隙率,能够有效降低材料热传导,因此有着极佳的隔热性能。材料巨头巴斯夫研发的 SLENTEX 创新气凝胶材料,导热率大大低于普通隔热材料,使其广泛适用于建筑业的保温隔热应用,并已经在日本的被动房项目中作为外墙保温材料使用。

SLENTEX 材料有超强的隔热性能 ©️ Enviroform-insulation

相变材料是一种能够在很小的温度范围内蓄存、释放大量的潜热,具有温度变化小,蓄能密度大的特点的绿色建材。苏州磐际科技专注于相变材料建筑热储能的研发,其系统方案能实现冬季采暖节能率38%,夏季制冷节能率35%,大量减少了建筑能源消耗和碳排放。

(点击🔗 《从AI充电到建筑储能:科技创新如何推动中国“碳中和”变革?》了解更多)

相变材料可在室温过高或过低时调整,使其维持在适宜的范围

通过高性能的保温材料和完备的气密设计,被动房的外围护结构就像一个密封的保温瓶。这时,新风系统保证了室内外空气的交换流通,让居住者无需开窗通风也能呼吸新鲜空气。新风系统既决定了居住者的体验,其本身的能耗也影响了房屋的节能性能,因此这一环节也可通过利用可再生能源进行节能增效。

例如建筑和高性能材料企业圣戈班的 PAM ELixair 系统,这是一套浅层地热能的智能新风系统,新鲜空气通过进风口被吸入特殊设计的球墨铸铁管道,并与浅层土壤进行热交换,然后由出风口引入室内。该系统在夏季使空气经土壤预冷后引入室内,在冬季则使空气预热后流入。在实际应用中,该系统的节能率可达65%。

PAM ELixair 浅层地热智能新风系统 ©️ 圣戈班

3.电气化:让厨房少些“烟火气”

能源供给侧正在向绿色电力转变,因此建筑电气化也是建筑部门脱碳的必经之路。深圳建筑科学研究院于2020年出版的《建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径》报告显示,截至2017年,我国建筑用电量占全社会用电量的 26%,建筑电气化率48%。报告进一步指出,若要实现碳中和或巴黎协定的1.5°C温控目标,2050年建筑电气化率应超过90%。

电气化情境下,2050减排效果显著 ©️ 深圳建筑科学研究院

从建筑耗能的用途来看,制冷、照明、家电已经实现了100%电气化,供暖和炊事则是推进电气化的两大难点。我国北方集中供暖地区在较长一段时间内都在使用燃煤供暖,这种高耗能、高排放的供暖模式情况自2017年推行“煤改气”、“煤改电”以来有所改观,亦推动了建筑部门的电气化进程。

清洁供暖可与智慧建筑相结合,例如北京嘉洁能公司的碳纤维智慧供热解决方案,通过碳纤维发热丝使得电热转化率高达 99.9%;电采暖系统采用室内末端+智能控制系统,具有强大的数据记录及分析功能;末端温控器可按时间、温度条件自动启停加热控制室温。

用碳纤维发热丝供暖 ©️ 嘉洁能

针对建筑的用能特点,也可打造相适应的节能产品。相对民用供暖项目,商场、办公楼等商业建筑项目的日供暖时长更短,且商业建筑采用工商用电价格机制,用电峰谷价差大。商业建筑因此非常适合采用蓄热供暖技术。

天津的 SM 广场作为全亚洲最大的单体商业建筑,采用了上海筑能环境科技的相变谷电储热系统,该系统在夜晚电价较低时通过谷电储热锅炉储存能量,留至需要用能时释放,通过这种“削峰填谷”的方式一年节约供暖费近1500万元,该项目改造总计投资4000多万元,收回项目一次投资仅需两三年时间。

住宅与公共建筑的炊事电气化从技术层面来说难度不大,却因受制于我国的用户使用和中式餐饮烹饪习惯而进展缓慢。这一难题在政策的推进下逐渐得到改观。去年6月,江苏省发布了全国首个餐饮场所“瓶改电”省级支持政策——《关于鼓励餐饮场所推广“瓶改电”的工作意见》,鼓励餐饮场所推广“全电厨房”。商用级“全电厨房”相比明火厨房可显著提升厨房安全系数,同时电磁灶的加热效率比传统燃气灶高出两倍,使用能成本节约20%至45%,平均减少碳排放30%以上。

“全电厨房”相比明火厨房更安全也更节能 ©️ 中国新闻网

本文介绍了可持续能源改造、被动房和电气化改造等目前在政策层面大力推广的技术路径,这些路径也将是推动建筑碳中和的主流方向。另一方面,建筑运行部分的耗能始终和普通人的日常生活息息相关,作为建筑的使用者,我们所能够做的是改变行为习惯,使用更高效的节能电器,拥抱更绿色的生活方式,在生活中与宏大的碳中和目标相向而行

至此,我们已经探索了建筑价值链的上游建材生产制造(🔗《2050年的人类将如何“搬砖”?》),中游建筑施工(🔗《没有垃圾的建筑世界,你能想象吗》)与下游建筑运行(本文)中的创新技术路径。我们坚信,创新是驱动任何行业可持续转型的源动力,作为我国碳排放量最大的部门,建筑行业的转型必将为创新提供广阔的舞台。

头图来源:特斯拉官网

参考资料:

近零能耗建筑备受期待. 2022-01-13. 中国能源报. Available at: http://www.cnenergynews.cn/huanbao/2022/01/13/detail_20220113115686.html

智能玻璃初创公司加速构建集成光伏技术. 2021-07-02. 物联之家. Available at: https://www.iothome.com/tech/jianzhu/2021/0702/11751.html

Solar Roof. Tesla. Available at: https://www.tesla.com/solarroof

钙钛矿太阳能电池是第三代产品,国内技术瓶颈不断突破. 2021-09-22. 太阳能光伏网. Available at: https://solar.ofweek.com/2021-09/ART-260018-8420-30526303.html

中国企业投产钙钛矿光伏电池生产线. 2020-08-10. 人民网. Available at:  http://energy.people.com.cn/n1/2020/0810/c71661-31816282.html

[专访] 极电光能总裁于振瑞:三年后钙钛矿光伏产品能和晶硅直接竞争. 2021-10-18. 界面新闻. Available at:

https://m.jiemian.com/article/6704293.html

深圳建筑科学研究院, 2020. 建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径.

2020年碳中和深度研究报告. 2021-03-11. 国际能源网. Available at: 

https://www.in-en.com/finance/html/energy-2245987.shtml

江苏:推动建设“全电厨房”助力传统餐饮绿色转型. 2022-01-04. 新华网. Available at: http://www.news.cn/2022-01/04/c_1128231684.html

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