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德國海德堡列車新城被動房城區(qū)規(guī)劃建設研究(下)2019-02-20 10:12來源:綠色建筑研習社作者:盧求 德國可持續(xù)建筑委員會(DGNB)國際部董事、五合國際副總
![]() 本文為德國可持續(xù)建筑委員會(DGNB)國際部董事、五合國際副總盧求先生原創(chuàng)、版權(quán)所有。作者授權(quán)綠色建筑研習社微信公眾號發(fā)表此文。全文轉(zhuǎn)載或部分引用請注明作者姓名和文章名稱,文章標題及內(nèi)容不得擅自修改,侵權(quán)須承擔法律責任。論文發(fā)表事宜請聯(lián)系作者:luqiu@www5a.com。 導讀:德國海德堡列車新城是世界上已建成最大的被動房項目,該項目不僅在被動房領(lǐng)域獲得世界矚目,在可持續(xù)城市規(guī)劃開發(fā)、海綿城市建設等方面也取得突出成就。 盧求先生是德國可持續(xù)建筑及被動房領(lǐng)域知名的專家,在研讀大量資料、多次現(xiàn)場考察的基礎上撰寫完成本文。 論文分上、下兩篇,上篇為海德堡列車新城規(guī)劃建設研究,包括城市空間規(guī)劃、交通規(guī)劃、能源規(guī)劃、被動房建設、海綿城市建設、動植物保護等內(nèi)容。 下篇為列車新城被動房城區(qū)能耗研究,較詳細地分析了海德堡列車新城被動房城區(qū)2014、2015年運行能耗監(jiān)測報告,對其工作方法、能耗數(shù)據(jù)、報告結(jié)論等進行了研究解讀。 下篇 海德堡列車新城被動房城區(qū) 能耗分析研究 圖1 海德堡老橋及老城。盧求攝 受海德堡市政府委托,德國被動房研究院(PHI)對海德堡列車新城被動房城區(qū)建成入住的七個地塊的建筑在2014、2015年期間的建筑運行能耗情況進行了分析研究,于2017年公布了《海德堡列車新城被動房居住建筑能耗監(jiān)測報告(Energie-Monitoring von Wohngebaeuden im Passivhaus-StadtteilHeidelberg-Bahnstadt 2016)》。(海德堡列車新城項目規(guī)劃與建設整體背景情況見本論文上篇。)
海德堡列車新城項目從城市建設規(guī)劃方面要求116公頃用地之內(nèi)所有建設項目按照被動房標準進行設計建設。開發(fā)企業(yè)提交項目建設審批文件時,須提供按照德國被動房研究院PHPP能耗模擬軟件完成的計算文件,證明新建建筑采暖能耗小于15kwh/m2年,才能通過審批。 施工過程中,還有一套質(zhì)量監(jiān)督保證機制,努力保證被動房技術(shù)措施能夠保質(zhì)保量、得以落實,力爭建筑的采暖的實際能耗小于15kwh/m2年。對運行能耗情況分析研究,旨在檢驗海德堡列車新城被動房建筑實際能耗情況,是否達到上述目標。 研究報告顯示,海德堡列車新城已經(jīng)入住的7個地塊(包括約1400套住宅及學生公寓,總面積近90000平米)的建筑實際采暖能耗平均值,2014年為14,9 kWh/(m2年),2015年為16.4 kWh/(m2年),該數(shù)值約為德國同類現(xiàn)存多層、集中供暖居住建筑(包含新建和既有建筑)采暖能耗平均值112 kWh/m2年(該數(shù)據(jù)來源為Techem 2013統(tǒng)計數(shù)字)的1/8。 2015年的采暖能耗值稍高,是因為2015年冬天氣溫較2014年低、且太陽輻射量較少導致。 上述7個地塊的熱能終端能耗量(Endenergie)(包括采暖、生活熱水、換熱站損失、管道損失、地下車庫坡道加熱等)2014年為55 kWh/(m2年) 和2015年為53 kWh/(m2年),比德國同類多層、集中供暖居住建筑減少約2/3, 意味著業(yè)主可以節(jié)約2/3的采暖和生活熱水費用。 上述地塊居住建筑戶內(nèi)的平均用電量為17.9 kWh/(m2年),分擔公共區(qū)域用電量為8.6 kWh/(m2年),上述用電量包含新風設備用電量。這一用電量相比德國同類建筑也是相當節(jié)省的。 海德堡列車新城的這1400套住宅(含學生公寓),總面積近90000平米的被動房能耗數(shù)據(jù)由于樣本數(shù)量較大,完全具有統(tǒng)計學意義,說明不同的設施師、施工企業(yè),按照被動房技術(shù)標準設計建造的建筑完全能夠達到被動房的節(jié)能目標,而且它們已經(jīng)達到德國和歐盟規(guī)定的2021年要求達到的近零能耗建筑標準。 此外入住2-3年的住戶普遍反映,建筑冬暖夏涼,對室內(nèi)空氣質(zhì)量也表示滿意,天氣好時可以開窗通風,由于有新風系統(tǒng),天氣不好時、特別是冬天夜晚關(guān)閉所有窗戶睡覺也有舒適充足的新鮮空氣。 圖3 海德堡列車新城被動房。盧求攝
3 單一地塊能耗研究方法的分析與解讀 在上一節(jié)“2.2.1能耗數(shù)據(jù)結(jié)果綜述”所引用的數(shù)據(jù),特別是建筑總能耗量是具有統(tǒng)計學意義、令人信服的。被動房技術(shù)體系確實能夠在保證、甚至提高舒適性的前提下大幅度降低運行能耗。 在對該報告進行進一步分析與研究過程中,可以發(fā)現(xiàn)許多細節(jié),對于我們?nèi)胬斫獗粍臃考夹g(shù)體系、 客觀權(quán)衡各種技術(shù)的優(yōu)劣與投資取向、正確設計和建設被動房有重要參考意義。 本次研究工作由PHI與海德堡市政局合作完成、并得到歐盟相關(guān)機構(gòu)的資助。能耗研究的對象是海德堡列車新城建成入住的七個地塊的建筑(包含5個居住地塊834套住宅、2個學生公寓地塊564套公寓,共89675平米采暖面積),分析研究的基礎數(shù)據(jù)是海德堡市政局提供的2014、2015年的采暖能耗及2015年的用電能耗。 圖4 列車新城2014年航拍圖,能耗研究的7個地塊就在照片中。資料來源:海德堡城建局
列車新城的居住建筑(含學生公寓)都是按被動房標準建設,擁有集中或分戶式新風系統(tǒng)和采暖設施。采暖熱源通過集中式市政供熱管線輸送到每家住戶。每個地塊(含2-5棟多層居住建筑、100多戶住宅)只有一個市政集中供熱管道和計量表。 圖5 列車新城Z6地塊能源系統(tǒng)前期方案設計圖。每個地塊(含2-5棟多層居住建筑、100多戶住宅)只有一個市政集中供熱管道和計量表。資料來源:海德堡城建局
【筆者注:供熱管道進入地塊建筑地下室換熱站之后,制備不同溫度的采暖(地暖用水、散熱器用水)和生活熱水。下一級熱耗計量設施是住戶內(nèi)部采暖和生活熱水用量計量表。但各戶采暖能耗表讀數(shù)除以各戶使用面積并不是住宅每平米采暖能耗,因為管線傳輸損失等能耗沒有考慮進去?!?/span> 海德堡市政局提供的是地塊總表每月耗熱量的讀數(shù)。而地塊熱力總表耗熱量的讀數(shù)是該地塊每月的總耗熱量,包括:
從地塊總表月度耗熱量讀數(shù)不能直接分解出上述各分項能耗量,PHI是如何確定住宅采暖能耗的呢?計算方法如下: 圖6 列車新城其中一個地塊城市集中供暖每月熱耗情況,換算成單位采暖面積年熱耗量 被動房由于保溫和熱惰性能非常好,夏天不會出現(xiàn)采暖能耗,將夏季(6-9月)每月的熱耗平均值作為無采暖的基本熱耗值,如圖06某一地塊夏季基本能耗為3.72kWh/(m2月),圖中綠框上線對應的能耗數(shù)值。圖06中綠框以上的能耗為采暖能耗量。圖6顯示列車新城中某一地塊全年能耗為67.9 kWh/(m2年),基本能耗(不含采暖能耗)為3.72 kWh/(m2月)x12個月= 44.6 kWh/(m2年)。 二者相減可以得到采暖能耗近似值為23.3 kWh/(m2年)。 但采用這種簡化計算方法不夠準確,會導致對供暖能耗量的過高估算,需要進行一下修正,具體如下: 德國居住建筑夏季生活熱水能耗量比冬季低。同類建筑精細能耗監(jiān)測結(jié)果顯示冬季生活用水能耗較上述數(shù)值高大約1-2 kWh/(m2年)(筆者注:德國上班族習慣每天早晨洗澡,不論冬夏,冬季由于自來水溫度較低,加熱到適宜洗澡的水溫需要較多的能量。廚房用熱水情況類似)。對德國路德維希港市一棟市政集中供暖多層住宅(12套住宅)能耗情況的詳細評估顯示,冬季生活用熱水較夏季生活用熱水能耗高約10%。對法蘭克福一棟19套住宅項目能耗評估顯示,冬季生活用熱水較夏季生活用熱水能耗高約29%。本項目評估該項選用修正系數(shù)10%。 集中地下車庫入口坡道加熱裝置冬季能耗情況類似項目數(shù)據(jù)顯示為0.1-0.3 kWh/(m2年)。 在其他被動房項目能耗監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn),在5月份常常由于誤操作現(xiàn)象導致采暖設備開啟,甚至導致室內(nèi)溫度過熱的情況發(fā)生,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示這一現(xiàn)象導致夏季采暖能耗數(shù)值在0.4-1.2 kWh/(m2年)之間,本項目取該項修正值0.7 kWh/(m2年)。 圖7 海德堡列車新城被動房。盧求攝
熱水分配管線傳輸過程中的熱損失量同管道外保溫情況、以及溫差成正向相關(guān)關(guān)系。市政熱力提供的熱水溫度長年基本不變,冬季埋在土壤下部和地下室內(nèi)走向的熱水分配管線的熱損失量較夏季大,因為冬季土壤溫度和地下室室溫較夏季低。 為獲得基本數(shù)據(jù),對本項目一個典型地塊進行了研究,考慮到熱水分配管線在土壤下、和地下室走向的長度、管線保溫情況、冬夏季溫差等因素,計算出冬季熱水分配管線較夏季熱損失多出1800 kWh/年,相當于0.2 kWh/(m2年)。簡單起見,其他地塊也按此數(shù)值計算。 考慮到上述修正因素,基本能耗(不含采暖能耗)值應增加2.9-3.7 kWh/(m2年)。這樣更接近實際情況,該地塊修正后的采暖能耗值應為: 23.3kWh/(m2年)– 3.3 kWh/(m2年) = 20.0 kWh/(m2年). 4 多個地塊能耗數(shù)據(jù)的研究方法與結(jié)論的分析解讀 圖8 顯示的是所研究的地塊2014、2015年城市集中供暖管線耗熱量讀表數(shù)值換算到年平米能耗的數(shù)值。城市集中供暖管線耗熱量讀表數(shù)值包含(如上述)采暖、生活熱水、管線損失等能耗。
考慮到供暖面積因素之后的加權(quán)平均值為2014年54.6 kWh/(m2年),2015年為53.2 kWh/(m2年),2015年的平均值略低是因為這一年BS-05地塊加入研究范圍,而這一地塊的能耗數(shù)值較低。 除BS-05地塊外,其余地塊2015年能耗都略高于2014年,這是由于是因為2015年冬天氣溫較2014年低、且太陽輻射量較少導致。
按照上述方法,計算每一地塊夏季(6-9月)基本能耗值,總是選取夏季熱水能耗的平均值。之后按照上述方法進行修正計算,計算得出的修正值在2.8-3.7 kWh/(m2年),并對每一地塊的基本能耗值進行相應修正。這種修正只是調(diào)整了地塊內(nèi)部不同領(lǐng)域的熱耗分配,并沒改變地塊的總熱耗量。 圖10 為2014各地塊市政集中供暖能耗情況。根據(jù)第3節(jié)的計算方法,藍色為各地塊2014年建筑終端熱耗量(Endenergie),紅色為生活熱水+管線損失和熱水存儲器損失能耗量,綠色為采暖能耗量。虛線標示地塊是2014年經(jīng)過1-3個月之后才住滿的地塊(部分入住地塊)。 圖11 為2015各地塊市政集中供暖能耗情況。根據(jù)第3節(jié)的計算方法,藍色為各地塊2015年建筑終端熱耗量(Endenergie),紅色為生活熱水+管線損失和熱水存儲器損失能耗量,綠色為采暖能耗量。2015年新增了BS-05地塊的數(shù)據(jù)。 根據(jù)PHI提供數(shù)據(jù),按照德國建筑節(jié)能條例EnEV規(guī)定的計算方法得出的建筑使用面積AN比按照被動房規(guī)定的方法計算得出的建筑采暖面積要大一些。在本項目中,這一差值范圍在25-34%,取中間值28%。 圖12 為2015各地塊市政集中供暖能耗情況。藍色為各地塊2015年建筑終端熱耗量(Endenergie),紅色為生活熱水+管線損失和熱水存儲器損失能耗量,綠色為采暖能耗量。但建筑面積不是按照被動房采暖面積計算、而是按照德國建筑節(jié)能條例EnEV建筑使用面積計算,因此每平方米建筑能耗值更低一些。這一數(shù)值可以與其他項目能耗數(shù)據(jù)更好進行比較,在PHI的報告中沒有再做進一步研究討論。
分析數(shù)據(jù)可以看出,不同地塊的城市集中供熱總能耗和采暖能耗所占比例數(shù)據(jù)差別較大,而2014年及2015年每個地塊自身能耗情況、及能耗比例大體維持不變。PHI認為導致這樣的結(jié)果的原因可能是:
由于每個地塊的住戶數(shù)量超過100戶,個別住戶個人因素導致的過高或過低的能耗對整個地塊平均能耗數(shù)值影響較微小,因此不同地塊建筑能耗的差別,應該是建筑本身(建筑設備系統(tǒng)和建筑為圍護結(jié)構(gòu))造成的。 對比PHI在法蘭克福等地其他被動房住宅項目的能耗情況研究,海德堡列車新城住宅建筑分項能耗能情況與其他項目非常接近,這類建筑采暖能耗占市政集中供熱總消耗量的33%。在列車新城項目中,采暖能耗2014年占20%-36%,2015年占22%-38%。 PHI認為本項目的中輸配管線和熱水存儲器熱還有優(yōu)化空間,特別是那兩個總能耗較高、在70 kWh/(m2年)左右的地塊。 圖13 海德堡列車新城被動房。盧求攝 圖14 2015年地塊生活熱水、管線損失及熱水儲水器能耗(不含采暖能耗)
2015年地塊生活熱水、管線損失及熱水儲水器能耗值在19-48kWh/(m2年),考慮到面積因素的加權(quán)平均值為36.7kWh/(m2年)。
設計和模擬計算邊界條件、與房屋建成后實際氣候情況和使用條件不可能完全一樣。因此被動房設計采暖能耗為15 kWh/(m2年),實際運行能耗不可能正好是15 kWh/(m2年)。 通常情況下,被動房的冬季的室內(nèi)設計溫度為20oC,當住宅冬季室內(nèi)溫度為21 oC時,采暖能耗一般增加15%,相對比例數(shù)值看起來較大,實際冬季室內(nèi)溫度每增加1 oC對應能耗增加值約為2 kWh/(m2年)。 根據(jù)PHI對其他被動房建筑使用及能耗情況監(jiān)測數(shù)據(jù),被動房住宅用戶冬季室內(nèi)溫度平均設定在21.5oC,意味著實際采暖能耗比設計溫度為20 oC時的計算能耗值多3 kWh/(m2年)。 圖15 列車新城 2014、2015年 各研究地塊單位面積建筑采暖能耗情況。紅色為2014年數(shù)據(jù)。橙色為2015年數(shù)據(jù)。紅色虛線為2014年單位面積建筑采暖平均能耗值14.9kWh/(m2年),橙色虛線為2015年單位面積建筑采暖平均能耗值16.4 kWh/(m2年)。
被動房建筑,由于采暖能耗值很低,因而個別地塊、個別住宅實測能耗值高于或低于平均值50%以上屬正?,F(xiàn)象,在其他被動房項目上的實測數(shù)據(jù)也印證了這一現(xiàn)象。這同時也說明,單套住宅的能耗數(shù)據(jù)、無論高低,都不具有普遍意義,只有較大數(shù)量的住宅能耗數(shù)據(jù),才具有說服力。 PHI得到海德堡市政局提供的、2015年上述8個地塊中6個地塊1200多塊智能電表的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含住宅及學生公寓的電表、公共區(qū)域及地下車庫電表2015年每月的數(shù)據(jù)。出于保護隱私考慮,電表數(shù)據(jù)只精確到電表所在建筑或單元門號的信息,無法對應到某一住戶的用電數(shù)據(jù)。 圖16 列車新城城區(qū)中使用的智能電表。資料來源:PHI 上述電表對應33棟建筑或建筑單元,將每個單元的用電值除以該部分的建筑面積(被動房采暖面),可以計算出單位面積用電情況。除去建筑底層有少量咖啡、面包店、發(fā)廊、銀行小型營業(yè)部等用房以外,其余面積全部為居住功能。 計算得出住戶用電情況(不含公共部分用電)為11.5-20.4 kWh/(m2年),面積加權(quán)平均值為17.9 kWh/(m2年)。 公共部分用電(包括樓梯間、地下室、室外照明,水泵、集中新風、電梯用電等)由公共部分電表計量,不同建筑樓棟之間數(shù)值差別很大。聯(lián)排式住宅的公共用電數(shù)值最少,原因是聯(lián)排式住宅的新風、庭院照明是通過戶內(nèi)電表計量,同時也沒有電梯耗電。 公共部分用電量在0.7-15.4 kWh/(m2年),由于原始數(shù)據(jù)不精確,無法進一步細化分析。 圖17 2015年列車新城 33棟建筑或建筑單元住宅用電(不含公共部分用電、聯(lián)排住宅包含新風設備用電) 圖18 2015年列車新城 33棟建筑或建筑單元單位面積用電(含住宅內(nèi)部及公共區(qū)域用電,但不含地下車庫用電),考慮到建筑面積因素的加權(quán)平均值為26.3 kWh/(m2年)。相比住宅內(nèi)部用電.公共部分單位建筑面積平均用電量增加8.4 kWh/(m2年)
地下車庫用電 只有5個地塊上建筑地下車庫用電(地下車庫的照明、通風、門閘等)有單獨電表記錄的數(shù)據(jù),另一地塊地下車庫用電量數(shù)據(jù)缺失。為了使車庫用電量方便與其他用電量比較,建筑面積也采用所在建筑或建筑單元采暖面積。 圖19 2015年列車新城5個地塊地下車庫用電量量平均到單位居住采暖面積的數(shù)值。數(shù)值分布在1.6-4.7 kWh/(m2年)之間。 考慮到面積因素的加權(quán)平均值為3.3 kWh/(m2年) 德國能源與水資源聯(lián)合會(BDEW)2013年的一份報告中給出了德國家庭平均用電情況數(shù)據(jù)(不含電熱水器、及電采暖設備用電),結(jié)合德國聯(lián)邦統(tǒng)計局[DESATIS]2013年居住建筑面積數(shù)據(jù)(3及3戶以上集合住宅),得出1人戶用電量為29.4 kWh/(m2年)、4人戶用電量為43.9 kWh/(m2年) 圖20 列車新城建筑用電量情況與德國住宅平均用電量比較。橫軸為每戶人數(shù)(列車新城項目缺少每戶人員數(shù)據(jù),取均值),縱軸為單位建筑面積用電量。紅色粗虛線為列車新城平均戶內(nèi)用電量17.9 kWh/(m2年),黃色虛線為包含公共區(qū)域的用電量26.3 kWh/(m2年)。綠點分別為德國住宅平均用電量情況,從左到右分別是1人戶到5人戶住宅,用電量在29.4 kWh/(m2年) – 43.9 kWh/(m2年)之間,德國住宅新風能耗大體在4kWh/(m2年)左右。集中式新風比此數(shù)值略高,戶式新風比此數(shù)值略低。 列車新城建筑、即使包含新風和公共區(qū)域、用電量整體較低,原因主要有3方面:
同時對每月用電數(shù)據(jù)分析可以看出,夏季比冬季用電量減少15.6%??赡艿脑蚴嵌拘枰^多的照明用電,冬季呆在住宅室內(nèi)時間長、家用電器用(電腦、電視)電量增加。 圖21 海德堡列車新城被動房。盧求攝 6 列車新城能耗情況研究報告結(jié)論探討與啟示 1)海德堡列車新城被動房城區(qū)能耗實測數(shù)據(jù)研究結(jié)果顯示,已經(jīng)入住的7個地塊(包括約1400套住宅及學生公寓,總面積近90000平米)的建筑實際采暖能耗平均值,2014年為14,9 kWh/m2年,2015年為16.4 kWh/m2年,達到被動房采暖能耗的設計標準要求,對比2013年德國現(xiàn)存同類建筑(150萬套集合住宅能耗數(shù)據(jù),含新建和既有建筑)平均采暖能耗量112 kWh/m2年,節(jié)能87%。相對于德國現(xiàn)行新建建筑節(jié)能條例EnEV2014所要求的采暖能耗指標約60 kWh/m2年,節(jié)能75%。
2)在其他被動房住宅項目冬季實測室內(nèi)溫度平均值為21.5oC,比被動房室內(nèi)設計溫度20 oC高1.5 oC、能耗相應增加3 kWh/(m2年),考慮到這一因素,海德堡列車新城被動房城區(qū)建設可以說達到并超過了被動房采暖能耗的設計標準要求。
3)由于實測的數(shù)據(jù)有限(只有地塊城市集中供熱表每月讀數(shù)、且該數(shù)據(jù)包含采暖、生活熱水、管線熱損失),上述單位采暖面積能耗是在參考其他項目實測數(shù)據(jù)基礎上、計算得出的。此次能耗數(shù)據(jù)研究只是初步分析(Minimal monitoring),結(jié)果并不精確。
4)相對來說,這7(8)個地塊單位面積平均熱耗量(含采暖、生活熱水、管線熱損失)2014年為55 kWh/m2年 和2015年為53 kWh/m2年是非常可靠、準確的數(shù)據(jù)。計算得出其采暖能耗在15 kWh/(m2年)左右,而生活熱水及管線損失熱耗量平均值為36.7kWh/(m2年),超過被動房采暖能耗的2.4倍,因此在這一領(lǐng)域也是被動式建筑節(jié)能的重點。筆者認為,如果采用高品質(zhì)的太陽能熱水系統(tǒng),并放棄集中供暖系統(tǒng)(不會產(chǎn)生戶外管線熱損失),建筑能耗還有可能大幅降低。
5)其他被動房實測數(shù)據(jù)顯示,新風能耗平均為4 kWh/(m2年),考慮到這個因素,列車新城被動房整體能耗也是非常低的,同時保證了全年室內(nèi)健康新風,明顯提高了住宅的健康舒適度。列車新城即使按采暖加新風總能耗15+4 =19 kWh/(m2年),相比德國現(xiàn)行EnEV2014節(jié)能條例所要求的采暖能耗指標也節(jié)能約68%。
6)列車新城是按照被動房標準建設的項目,但為保證特殊氣候條件下的舒適度要求,也安裝了常規(guī)采暖設施(地暖或散熱器),近期采用城市燃煤集中供熱,中期將轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)(木屑)燃燒供熱。
7)雖然PHI得到的實測數(shù)據(jù)相當有限和模糊,但德國工程師運用客觀、簡便的方法,層層剝離、剔除掉干擾因素,得出基本令人信服的結(jié)論,其工作方法有啟發(fā)性。
參考文獻:
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