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世界地球日 | 我们一起了解节能减排技术,与地球和谐相处
时间:2020-04-29 来源:澳门葡萄京官方老平台 分享:

世界地球日 | 我们一起了解节能减排技术,与地球和谐相处


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疫情之下

人类从未如此需要珍惜我们的地球


4.22 世界地球日

让我们的绿色建筑专家来讲讲

我们能从专业角度为地球做些什么



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赵昕

中国建筑设计研究院绿色设计研究中心主任

中国建筑学会建筑给水排水研究分会秘书长

澳门葡萄京官方老平台建筑节水专业委员会副主任委员/秘书长

德国DGNB Auditor,美国LEED AP BD+C


“绿色”的主要原则是节约资源、提高效率和降低影响,其中最普遍的关注点是节约能源降低废水、废气和废物的不利影响


一直以来,绿色建筑因为高昂投资和不稳定效果而受诟病,常常被认为是华而不实的概念。但随着技术进步和经济发展,技术的性价比正在趋向合理,人们也越来越关注建筑物的运行维护成本,使一些新技术的社会接受度逐渐提高,被动房系统分布式能源分散式污水处理低影响开发等技术已逐渐进入到实用阶段。


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绿色=节约能源+降低排放


节约能源方面的研究主要包括两部分:减少传统化石能源用量可再生能源替代应用。我们所说的零能耗、低能耗、节能建筑都指的是一次能源的节约,也就是化石能源的节约,可以采用可再生能源替代化石能源的方法来降低化石能源的使用。


其实只要建筑在运行就一定会发生能耗,所以从这个角度来说是不可能有零能耗建筑的,超低能耗建筑是指建筑本身的运行能耗极低,这个能源消耗包括各种能源。我们可以通过一系列的被动式方法将建筑运行的采暖、空调和照明能耗降到最低,可以使用节能灯和电器将电力消耗降到最低;当建筑能耗降低到可以用可再生能源完全供给时,就是零能耗建筑当建筑中的可再生能源供给量超过建筑运行的消耗量时就出现了正能量建筑。尽管这些概念和设想很早就提出了,但因为其成本的高昂和技术的瓶颈很难变成现实。


降低排放方面的研究主要以建筑物运行的不同排放物类型为不同研究方向,大致分为以下几个方向:废气的排放污废水的排放垃圾(固体废弃物)的排放。其中废气的排放主要以减量为主,因其接受体是大气,所以不用专门的收集管线和设施。污废水的排放必须通过管网收集和处理设施处理,达到无害化标准后排放到自然水体或重新应用。垃圾的收集和处理因为其收集、运输和处理的困难和潜在的危害更加直接是目前难度最大的部分。


人们提出的零排放建筑概念,是指无限地减少建筑运行的污染物和能源排放直至为零的活动。可以利用清洁生产,3RReduce,Reuse,Recycle)及生态产业等技术,实现对自然资源的完全循环利用,从而不给大气,水体和土壤遗留任何废弃物。零排放比零能耗更加难以做到,对于废气可以尽量降低其中的有害物质实现无害化,先进的污水水处理工艺和回用措施使污水零排放的性价比逐渐趋向合理,但建筑运行产生的垃圾很难就地处理,这需要垃圾收集策略和技术的进一步发展和创新。


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节能,开源节流两手抓




01

被动房系统



我们认为,超低能耗建筑概念是指不论是否采用可再生能源,建筑物本身的运行能耗要低,这个概念与被动房比较相近。


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▲ 被动房技术特点




德国的被动房体系通过30多年的研究和实践,总结出从设计、施工、产品、材料到运行的全生命周期解决方案,其性能可以在夏季和冬季保证一个舒适的室内环境,而无需传统的供热系统的建筑物。被动房的性能要求完全量化,在中欧气候条件下其性能指标如下:


采暖制冷能耗 居住空间的采暖能耗不超过15 kWh/(m2a),采暖热指标不超过10 W/m2;在有制冷要求的地区,制冷能耗的限值与采暖匹配,可以有一定的除湿补偿。


电气设备能耗 所有设备的一次能源消耗不超过120 kWh/(m2a),包括的设备有采暖设备、热水设备及其它用电设施。


气密性的要求 在室内外压差50Pa的条件下,每小时的换气次数不得超过0.6次 。


热舒适度要求 在全部居住空间内,一年内不超过10%的时间温度超过25摄氏度。


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▲ 被动房的建筑能耗数据 kWh/(m2a)


被动房系统其实综合了保温材料、高气密低传热门窗、高效热回收、防冷热桥施工做法等多种绿色建筑技术,是被动式绿色建筑技术的集成。


被动房因为提高性能带来的增量成本较多,但随着技术的进步一直处在不断下降的过程中,在德国被动式房屋的增量成本从最初的50000欧元下降到了6000-15000欧元一个单位,最初Kranichstein Passive House一个单位的面积是156m2,以现在的汇率计算,单位平米的增量成本是2733元人民币,随着德国及欧洲建筑能耗标准的不断提高和被动式房屋产业化的发展,单位平米的增量成本可以下降到了318-795元人民币。在我国被动房因为其建筑材料设备依赖进口,而且对该技术掌握不充分所以还必须依赖德国技术支持,导致其增量成本可能高于德国本土;但随着相关产品的国产化和技术本地化,该技术的成本将迅速降低。如果在被动房的基础上进一步降低综合能耗,合理采用可再生能源,实现零能耗甚至正能量建筑将不再是梦想。


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▲ 被动房技术特点


02

可再生能源


可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源,具有取之不尽,用之不竭的特点,主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、潮汐能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。可再生能源中最普及和方便,并且适合建筑物就地利用的就是太阳能,太阳能中最便于利用的就是光伏发电。目前我国政府正在大力推动分布式光伏发电的发展。


分布式光伏发电,特指在用户场地附近建设,运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网(并网),且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。一般太阳能光伏电池组件的转换效率为17%左右,主要分为三种:单晶硅光伏、多晶硅光伏和薄膜式光伏。


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▲ 分布式光伏发电


目前可再生能源应用的最大问题都在于其造价高,效率低,全年运行的保证率低,而且输出不稳定,所以仍然需要传统能源作为主导,这使得我们在建筑中使用可再生能源时只能增加投资,而起在运行费用中节省的部分与之相比完全是九牛一毛。超低能耗建筑因其能耗非常小,有可能完全由可再生能源作为其主导能源,而将传统能源的存量降低到最小甚至将其取消。如果能在采用可再生能源的同时,大幅下降传统能源的投资,可再生能源的应用将获得新的平衡点。另外在我国分布式发电可以并网的新形势下,可再生能源可以通过电网来调节其产能,不仅可以在闲时获得收益,而且有效地避免了产能时无用能需求,用能时无能可用的尴尬局面。


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减排 :废气+废水+废物+雨水


减排方面比节能方面复杂,各种废气、废水和废物的排放和处理系统相对比较独立,有些排放又比较综合。


01

废气减排



建筑运行中产生的废气主要是为了获得热量燃烧所产生的废气,不同的燃料燃烧产生不同地有害气体,不同的燃烧技术也产生不同的有害气体。因为煤炭燃烧产生烟气和有害气体较多,大多数关注环保的国家都禁止在城市中直接使用煤炭作为燃料,逐渐将燃煤设备改造为燃气设备。燃气设备的排放比燃煤设备洁净很多,但是仍然有大量的碳和有害气体排放,我们一方面通过节能减少燃气的消耗量来减少废气排放,另一方面通过燃烧技术的发展减少烟气中的有害物质含量。随着高效洁净燃烧技术的发展,新型的燃烧设备排放总量和有害物质含量都在不断下降,但如果通过可再生能源完全替代化石能源,建筑就不存在燃烧废气的排放问题了


当然,随着SARS和今年新冠肺炎疫情的发生,我们意识到排水系统排放出的废气也应该进行控制,但这种控制现有技术完全可以解决,只是会增加一些空间和成本。



02

废水减排


建筑的运行不可能不用水,所以我们不能采用替代的方式取消建筑用水,只能采用措施减少或避免废水排放造成的环境污染,同时还可以采用循环回用的方式减少建筑对天然水资源的消耗量。我国推行建筑中水的时间很早,特别是像北京这样的极端缺水的超大规模城市,2001年就颁布了《北京市中水设施建设管理试行办法》要求达到一定规模的建筑物必须采用中水系统。但由于中水回用系统的投资效益较差,大部分项目都采用投资维护成本较低的落后工艺,使建筑中水的整体效果较差,甚至很多业内人士也出言反对在建筑内部设置中水系统。从另一个方面说,以中水回用为基础进而达到建筑污废水的零排放一直是大家的梦想,不断提升的水价也在逐渐改变污水处理回用的投资效益比,从趋势上看建筑中水是未来城市发展必然的选择


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▲ 分散式低碳生态污水处理系统


最先进的污水处理技术和设施使就地处理建筑污水成为可能。就地污水处理设施必须很好地解决污水的气味、操作难度、环境影响及与建筑环境协调,我们研发了一种建筑污水的就地处理装置,命名为分散式低碳生态污水处理系统分散式低碳生态污水处理系统将传统的生物处理系统与动植物生态系统相结合,并将庞大的植物根系设置在反应器内,为水处理需要的动物和微生物提供了一个健康生长的高密度栖息地,所形成的生态系统不仅稳定,且非常有活力,在生物有机体自我合成和吸收太阳能的作用下,使污染物得到最大限度的降解,不仅创造了其独特的审美外观,而且实现良好稳定的处理效果。这种处理系统的特点是采用紧凑高效地生态污水处理工艺,与建筑、景观绿化和园区环境协调融合,甚至可以设置在建筑物内部。在温带和较寒冷气候地区,为了防止寒冷气候的影响,使动植物生态系统全年都可以良好地发挥做用,可能需要为该系统设置一个温室。


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▲ 分散式低碳生态污水处理系统



03

废物减排


垃圾作为固态废弃物,远没有污水这样的流体容易输送和处理。目前最好的垃圾处理方式可能是焚烧,这样做不仅可以把垃圾无害的处理掉,而且有可能提供热力和电力供焚烧设备或其他地方使用。但垃圾焚烧的主要问题有两个:一个是垃圾收集问题,一个是垃圾焚烧的废气问题


垃圾收集问题是一个源头问题,因为垃圾的种类多种多样,不同材料适合于不同的处理方式;欧美日本现行的方法是源头垃圾分类,这种方法主要依靠市民的高度自律和丰富的垃圾分类知识,这样做是想尽量降低垃圾分拣的技术难度和成本,但这实际上是将成本分摊给每个人,社会付出的总成本未必少。但如果垃圾分拣不良或数量不够,垃圾焚烧设备就不能充分高效地工作,一方面影响焚烧效果,另一方面造成成本的增加。


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▲ 朝阳区生活垃圾综合处理厂焚烧中心

设计:中国建筑设计研究院+中国城市建设研究院


垃圾焚烧焚烧设备不仅排放大量的碳,而且因为焚烧的技术原因会排放大量的有害气体,如二恶英等。解决这个问题需要采用更好的焚烧技术,这一点体现了垃圾排放处理的综合排放性。


我们认为在源头对垃圾做简单的分类是可以做到的,如果是应对焚烧只要分成可烧和不可烧两种即可,不可烧的材料如玻璃、金属、石材等。但不能完全依赖源头分类,高效的垃圾分拣系统也是很必要的。因此我们推荐在区域内使用小型的垃圾焚烧设备,这种设备应该技术先进,自动控制,适应能力强,燃烧充分,排放洁净。技术的进步使我们的愿望变成现实,北美和欧洲都出现了这种小型垃圾焚烧处理设备,这些设备在处理垃圾的同时还能产生电力和热能为区域服务。在美国的大学校园里已经有这种设备工作了。


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▲ 朝阳区生活垃圾综合处理厂焚烧中心

设计:中国建筑设计研究院+中国城市建设研究院


废弃物能源气化系统在焚烧垃圾的同时还可用于生产清洁的可再生热能和电能。这种系统使用低成本的本地废弃物(如垃圾和落叶、秸秆等生物质废弃物)作为燃料,通过先进的气化系统将其变成可燃气体进行燃烧,同时还能满足最严格的排放要求。


04

雨水减排


低影响开发(LID), 是一种强调通过源头分散的小型控制设施,维持和保护场地自然水文功能、有效缓解不透水面积增加造成的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重的城市雨水管理理念。低影响开发主要通过生物滞留设施、屋顶绿化、植被浅沟、雨水利用等措施来维持开发前原有水文条件,控制径流污染,减少污染排放,实现开发区域可持续水循环。


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▲ 吉林漫江生态旅游综合开发 海绵城市设计


低影响开发概念主要是对于场地雨水控制提出要求,其主要有两方面内容:一方面是控制基地范围内雨水排放的总量,一方面是控制雨水排放的水质。一地的降雨量不是一个稳定的数量,受时间、空间和气候影响较大。低影响开发控制的是不高于2年重现期的年平均降雨量,在这个降雨强度下所形成的雨水总量有可能做到全部控制。这种全部控制其实是概念上的控制,所以基本不可能做到零排放,比如如果按照2年重现期来设置雨水的控制措施,在遇到2年以上重现期的雨水时一定会出现外排,但这样的降雨有可能在全年只有几场,其超出必须外排的部分相对于全年降雨来说所占比例很少。美国LEED标准的3.0版中对低影响开发的要求是控制不超过2年重现期的85%的雨水总量可以调蓄滞留,在这85%中的80%的水量必须做水质控制处理后才能排放;到了V4.0版,需要控制水量和水质的比例都上升到95%。


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▲ 中央文化经济管理干部学院 海绵城市改造


因为雨水不可能完全的零排放,所以市政雨水排水设施是比不可少的。但是在一个建筑区域中,依靠地形、管网和措施综合后形成的雨水调蓄和控制能力可能会远超于2年重现期。尽管我们应该将市政雨水管道的重现期加大以保证排水安全,但不能不考虑合理的经济性而依靠管网设施应付极限天气造成的洪水。从这个角度来讲,低影响开发的目的是减轻内涝而不是解决内涝,更加不是防洪。在做区域规划时要给本区域的防涝等级设定一个目标,同时报区域内的不同地块设定不同的防涝目标,允许在出现超过整体防涝等级时部分区域发生积水而保证其他更重要的区域。这样整个建筑区域对外部排水的要求将降低很多,在雨水排放方面获得更多的自我调节能力。


我国现在大力推行的“海绵城市”就是结合低影响开发理念的一种城市发展模式。


科学技术和经济水平的不断发展是人类文明进步的基础,经过几十年的发展,被动房系统分布式能源分散式污水处理低影响开发等具体技术的实践证明,绿色和可持续概念已经逐渐地从理论和思想化为值得应用的产品和技术。可以预见,我国城镇区域开发建设和建筑形态也将在绿色技术实践不断深入的基础上发生重大转变。



 中国院绿色技术的努力

期待和您一起,与地球更加和谐相处



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01 青岛德国企业中心(75,000m2)

中国绿色建筑三星级设计标识 

德国绿色建筑DGNB铂金级认证 


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02 中国华电集团公司办公楼(250,000m2)

中国绿色建筑三星级设计标识 

美国绿色建筑LEED金级认证 


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03 中国建筑设计研究院创新楼(41,400m2)

按照中国绿色建筑三星级认证标准设计


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04 北京亦城财富中心(151,000m2)

按照绿色建筑LEED-CS金级认证标准设计


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05 海口市民游客中心(29,800m2)

按照中国绿色建筑三星级认证标准设计


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06 八达岭太阳能热发电站吸热塔(2,500m2)



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