德国绿色建筑节能、产能与蓄能一体化设计
时间：2020-06-02作者：王静 杜鹏
【转载】来自：探索发现195/2020/5
引言
1973年和1979年的两次全球能源危机，促使有识之士意识到建筑产业需要走上可持续发展的道路，上世纪80年代可持续建筑应运而生。目前人类社会依旧以化石燃料作为主要的能源消耗，能源资源短缺和环境日益破坏将是人类在21世纪面临的两大挑战。
自1973年起，德国便开始逐渐重视建筑可持续发展工作。1977年，德国政府出台了首部关于建筑节能的相关法案—《保温条例》。法案对新建筑物的隔热、通风、空调、供暖以及能源系统等做出相关规定。1999年，德国政府实施生态税改革，一方面提高化石能源价格另一方面大力发展可再生能源，并且推出一系列市场财税激励计划。2002年，德国政府颁布实施了《能源节约条例》，逐步建立了建筑的能源认证证书系统。
2013年，德国《节能法》发布施行，要求新的公共建筑要从2019年开始达到近零能耗标准的规定。近零能耗建筑是指建筑物节能性能较高，大部分的能源消耗来自建筑自身生产的可再生能源，其强调利用建筑的被动式设计手法与主动式技术策略，极大程度降低建筑有关制冷供暖的能源需求量，达到建筑能耗目标值的降低。从2021年起，德国和欧洲其他地区将强制性执行零能耗建筑标准，新建建筑必须利用可再生能源来达到近零能耗建筑标准。相应的，德国可再生能源产业也在不断发展完善，2012年德国光伏太阳能利用量占能源总消耗量的1.5，生物质能占有可再生能源超过8%的份额。
节能技术作为实现绿色建筑的有效途径，能够最大程度提升化石能源使用效率，大规模推广可再生能源应用，使得绿色建筑从用能单元变成产能基地。正如《第三次工业革命》书中所畅想的未来世界能源转型全球每一栋建筑都将转换为小型能源，收集利用适合当地的可再生能源单栋建筑或者城市中的基础公共设施利用新型蓄能技术，储存可再生能源151。在建筑物迈向近零能耗的方向上，绿色建筑发展将从单一的节能技术逐步拓展到产能技术，做到节能、产能、蓄能相互协调统一，这是未来绿色建筑以及区域能源系统的发展方向。展览会。2007年，德国提出产能型建筑研究计划，研究不同技术的产能建筑建设标准与相应技。2010年，德国斯图加特Leonberg产能别墅建成，建筑利用太阳能发电发热技术，产生的电量能远大于建筑物的总能源需求，每年发电余量达到11054kw/h，除了满足业主的电动汽车充电外，剩余发电量通过智能管理网络并入国家电网（2011年，由德国政府资助的第一个产能型建筑试点项目在柏林完工，试验了不同节能技术和相应的产能与能源监测系统。2013年，德国BIQ生物智能住皂楼旧toIntelligentQuotient，以下简称BIQ住皂楼正式建成，坐落在汉堡IBA实验区，是德国节能、产能与蓄能一体化的建筑典范。
1、BIQ住宅楼—德国节能、产能与蓄能一体化建筑典范
20世纪80年代以来，绿色建筑从节能到产能发展的理论与实践不断完善，在不排斥使用电网供电情况下，大力提倡使用本地区丰富的可再生能源”'01990年，德国弗莱堡市(Freiburg)沃邦(Vauban)社区建成，社区内约170个被动式节能房屋和70个产能输出房屋，利用太阳能来供热供电成为该区大多数居民的建房准则lal。沃邦社区是第一次将被动式建筑节能技术及太阳能光伏发电技术相结合，社区产生的多余电量被并入国家电网。2000年，弗莱堡市开展了全世界规模最大、影响力最广泛的太阳能技术
1.1 德国汉堡IBA实验区—探索解决气候、社会与环境问题
IBA组织创建于1901年，至今已有百年历史，是德国经验最丰富的建设机构之一—国际建筑(InternationaleBauausstellun)的简称。截至目前，其在柏林、汉堡、斯图加特等地区完成了多个建筑、景观以及规划项目组织在一定的时间范围内，研究城市生活的各个维度，展示新的生活方式和城市理念，关注解决当前社会、经济、生态和文化问题。
汉堡IBA实验区是近十年来IBA组织正在开展的城市规划项目。实验区的核心概念是融合不同文化背景的人居住在一起，合理而健康地促进城市发展。实验区包括国际化、大都市和应对气候变化3类主题区域截至2013年有超过70个建成项目(图1)，其规划内容包括新建单元住宅1200个多项社会公共服务设施包括8所教育机构，3所托儿所，2所养老院，3座体育场和1座学生宿舍新开放公园与港口面积建设面积71.5hmz新建水道长度2.7km国际花园展总投资超过1250亿欧元。
位于应对气候变化主题区威廉斯堡(Wllhelmsburg)中心区的11栋建筑被称作“建筑展中的建筑展”。这11个实验性项目分别对应水上智能、智慧建材、绿色生态和多功能混合等建筑，是试验解决能源短缺、土地利用不足、极端气候变化、水平面上升等问题的创新建筑。展示会结束后，这11栋建筑被用来为130户人家提供住房和办公功能。
1.2 BIQ住宅楼—世界上第一个以藻类为动力的绿色建筑
BIQ住宅楼坐落在汉堡旧A威廉斯堡中心区，是11栋实验性建筑之一。它是世界首个在住宅楼外墙面使用生物反应技术利用生物质能、以藻类为动力的绿色建筑(图2)，是一座将适应性结构设计与智能发电技术和建筑材料相结合的建筑典范。
BIQ住皂楼于2011年12月开始建造，2013年3月建设完成，占地面积约840m2，总建筑面积约1600m2，建筑层数为5层包括4层标准层与屋顶层，住皂数量15个，住皂单元尺寸在48一122m2之间，总造价约500万欧元(表1)。其依照生物被动式房屋标准制造，已荣获2013年创意之地比赛、2013年德国法莎登特别奖三等奖、2014年应用创新类中集团奖等多个奖项。
2、BIQ住宅楼节能策略—灵活多变的被动式设计策略
建筑通常使用设备进行主动节能，而BIQ住宅楼有一系列被动节能设计策略，包括使用高性能节能外墙、高性能环氧树脂材料内墙，朝向太阳面通过生物反应里面来遮阳采光，采用正方体形态减小建筑形体系数，紧凑灵活的平面布置等。其中基于设计角度而言，紧凑灵活的平面布置是一种简单高效的节能措施，值得我们研究与借鉴。
BIQ住皂楼包括1个复式住皂和14个单元住皂，主入口开在建筑北面，一楼设有多功能厅和建筑服务区，多功能厅有直接对外的入口，方便住户使用，建筑服务区主要用于管理BIQ住皂楼能源系统。住宅平面布局考虑了特殊的室内设计理念充分考虑紧凑布置与灵活可变的特点，一方面紧凑布置可以使得建筑能源消耗减少，提高整个建筑的保温性能另一方面灵活可变，可以适用于不同业主使用，在后期减少不必要的建筑物维修，以实现节能(图3)。
从平面布局来看，BIQ住宅楼的单个房间没有明确的功能分配，在有需要时房间可以胜任不同的功能。房间没有连接在一起或者交错，但是会预留功能接近的中性区域。通过这种流动性的功能平面布局，依靠居民的自身行为决定房间内部的功能布置。公寓房间内都使用功能集成墙，各种功能内置家具都被隐藏在墙壁中，极大节约了平面家具空间。
3、BIQ住宅楼产能策略—高效可控的生物反应立面
建筑领域常用的产能策略包括地源热泵技术、光伏发电和风力发电技术。地源热泵技术需要较多的土地资源，自身造价较高，维护不方便光伏发电技术在建筑层面的利用对于所在区域太阳辐射量有很高的要求，并且可利用范围有限，在里面使用时不利于建筑的采光风力发电技术对于风环境有较大需求，并且目前在建筑领域应用的技术尚不成熟。
BIQ住宅楼产能策略则是通过利用生物反应立面来提供能源。住宅楼朝向阳光东立面与南立面称为生物反应里面，用于生产生物质和热能。生物反应里面是双层立面，第一层由充满微藻的生物反应器组成，第二层由石膏隔热板组成。第一层里面不仅是建筑外立面装饰结构，也是一种可以产生能量控制光线遮阳的生物表皮。BIQ住宅楼的生物反应里面是一种智能、动态、高效的立面，兼顾遮阳与采光需求，针对不断变化的外部环境，例如变化的温度或照射在建筑材料上的阳光，作出反应并适应。生物反应里面不仅可以产生能源，而且微藻的光合作用可以吸收二氧化碳产生氧气，减少建筑物整个全生命周期的碳排放。
3.1微藻生物反应技术
微藻生物反应技术将光能转化为高品质的生物质和热能，可以现场储存，已经完全融入德国被动房标准建筑的能源理念。现阶段光伏发电的能量转换效率约12%一15%，太阳能光热能量转换效率约60%一65，微藻生物反应技术发电能量转换效率约10%，产热能量转换效率约38%。将太阳能转化生物质能通过微生物藻类(常用绿藻)以生物化学方式进行，微藻类利用太阳光进行光合作用，二氧化碳被分解产生氧气和生物质，转化效率比其他植物更高。微藻每天可以分解两次，使生物量翻两番。微藻的生物量是一种能量来源，1克干生物质含有约23一27kJ的能量。同时，生物质也是化妆品和药品或饲料和食品补充剂的原料。研究表明，如果全部废气都可被排入微藻培养物中，全球变暖潜力值会降低近28%，二氧化碳的减排效果非常显著。微藻生物反应技术挖掘了生物质能在建筑设计领域的运用潜力。
3.2生物反应立面功能与构造
生物反应里面由129个安装在钢架上的半透明中空玻璃板组成(图4)，单个中空玻璃板被称为生物反应器，每个生物反应器尺寸为宽度70cm、高度270cm、厚度8cm。上面上的生物反应器分组排列相互连接形成集群电路。所需的供应管线和排放管线沿着每一组的边缘延伸，或者集成在外壁和生物反应器之间30cm宽的缝隙中(图5)。为了最高效地利用太阳光线，生物反应器外墙正面使用不反光的白色玻璃，其玻璃元件安装在可旋转的垂直轴上，可以跟踪太阳角度旋转。在BIQ住宅中，每32个生物反应器会通过同一个封闭水路连接至中央技术室。
单个生物反应器内充满了水(24升)、微藻(绿藻)和藻类繁殖所需的培养基。二氧化碳作为一种营养物质被植入生物反应器的培养基中，生长中的微藻将其转化为生物质。在单个生物反应器中，下端的超压空气面板将空气引入反应器中，在培养基内部形成气泡，由气泡上升引起的湍流刺激藻类吸收二氧化碳和光。同时，藻类与水混合物由于其快速移动而不断冲洗面板的内表面，达到自我清洁的作用。在光合作用下，生物反应器中的藻类不断繁殖，形成藻类生物质的厚桨，最终会被送到BIQ内部的中央技术室进行收获，并运输到外部沼气工厂用于生产沼气(图6)。生物反应器效率高，维护需求低，所有的管道，例如供应空气以及藻类水溶液的流入和流出，都集成在生物反应里面的底层和侧面结构中。微藻在生物反应里面中的培植不需要额外的土地且不受气候影响。
3.3生物反应立面能效指标
BIQ住宅楼生物反应里面有着高效的能源指标(表2)。200m2集成生物反应里面每年(以300天计算)提供能源10500kW/h，其中包括4500kW/h电能和6000kW/h热能，多于家庭平均年用电量3500kW/h。单由生物反应立面提供的热能可以满足四个公寓的需求，BIQ住宅楼每年可以减少2.5吨二氧化碳排放。以尚德电力有限公司单晶硅6英寸光伏产品来对比，产品尺寸为宽度992mm，高度1650mm，厚度35mm，发电功率为290W，光电转换效率为17%，以每天有限太阳光照时间6小时计算，200w太阳能光电板每年(以300天计算)可提供能源10800kW"/h。从提供的可再生能源量来看，BIQ住皂楼的生物反应里面与无锡尚德太阳能电力有限公司太阳能光伏产品基本一致，但是传统的单晶硅太阳能光伏产品不透光，只能用于屋顶或者其他建筑物不需要采光的地方，如果是可透光的太阳能光伏立面，其发电效率将进一步降低，而BIQ住皂楼生物反应里面本身可以透光，可推广性更强。
4、BIQ住宅楼蓄能策略—全面系统的能源管理
BIQ住宅楼蓄能策略是将太阳能、地热能以及生物反应器外墙生物质能的生产汇集在一个循环中系统中如果产生的能量超过需求量，BIQ分利用可再生能源，减少二氧化碳的排放，与立面综合设计同时具备隔音、隔热、防寒保温以及动态遮阳等功能，可以在我国绿色建筑上推广利用在蓄能策略上，BIQ住皂楼通过建筑物管理系统全面协调能源系统，将建筑产生的多余能量通过地下缓存交换器进行储存或送入区域供热供电网络中。
借鉴BIQ住宅楼生物全面的能源系统与先进的绿色理念，对于推动我国绿色建筑节能减碳事业的发展有重要意义。同时，要适应当地条件、结合地方特点与气候环境来使用新理念与技术，才能实现建筑的绿色节能。住宅楼可以暂时将能量存储以备后用，或将其送入当地供热供电网络。
BIQ住宅楼有全面的能源概念，在保持化石燃料不变的情况下充分利用可再生能源发电和供热，生物反应里面中微藻将光能转化为生物质和热能。生物质被运输到沼气厂形成甲烷，并最终以热能和电能的形式返回建筑中使用，效率达到80(图7)，微藻所需的二氧化碳由燃料电池产生。此外，外墙通过吸收未被藻类利用的光线来用于住宅热水和加热需求，或者将热量通过能量中心分离，储存在地下缓存交换器(充满盐水80m深的洞)或送入区域供热网络中。
BIQ住宅建筑物管理系统是其所有能源管理与分配的中心，能管理所有生物反应器，包括控制藻类细胞密度和培养基中的温度，转换和分配不同类型的能源，确保不同类型和电流的能源在一起工作。
结语
德国BIQ住宅楼的成功表明在建筑物迈向近零能耗的方向上，绿色建筑发展将从单一节能技术逐步拓展到产能技术，做到节能、产能、蓄能相互协调统一，展示了在城市发展中如何在建筑层面运用新型能源利用方式降低环境污染。
在节能方面，BIQ住宅楼有一系列被动式节能策略，包括使用高性能节能外墙、减小建筑形体系数、紧凑灵活的平面布置等，而紧凑灵活的平面布置作为一种低级高效的措施值得我们当代建筑师借鉴。在产能方面，BIQ住宅楼所利用的微藻生物反应技术有高效的能源转化效率，能充
分利用可再生能源，减少二氧化碳的排放，与立面综合设计同时具备隔音、隔热、防寒保温以及动态遮阳等功能，可以在我国绿色建筑上推广利用在蓄能策略上，BIQ住宅楼通过建筑物管理系统全面协调能源系统，将建筑产生的多余能量通过地下缓存交换器进行储存或送入区域供热供电网络中。
借鉴BIQ住宅楼生物全面的能源系统与先进的绿色理念，对于推动我国绿色建筑节能减碳事业的发展有重要意义。同时，要适应当地条件、结合地方特点与气候环境来使用新理念与技术，才能实现建筑的绿色节能。