本刊记者 赵利平
引领低碳时代
——“低供能系统”集成技术与工程应用取得显着成效
本刊记者 赵利平
举世瞩目的哥本哈根会议之后，“低碳”概念铺天盖地而来，如何切实减少能耗和污染，为可持续发展做贡献，已经成为各行各业追求的目标。然而，纵观早已成型的绿色建筑领域，深耕细作者却屈指可数。
作为低碳建筑长期以来的倡导者，中国建筑科学研究院与朗诗集团股份有限公司毫无疑问成了绿色低碳建筑的领跑者，其合作的“低供能系统”集成技术与工程应用取得显着成效，他们共同完成的150万平方米的低能耗、高舒适住宅，规模之大，设计、施工难度之复杂均属国内首创。
时代呼唤“低碳”
目前，我国建筑节能技术与需求差距很大，达到节能标准的经济、适用、可靠的技术体系尚不完善。若用国际水准衡量，问题表现更为突出：多数现有技术比较低级，系统配套差，产业化程度也不高；可再生能源建筑应用缺乏具有独立自主知识产权的核心技术；高效、低能耗、高可靠性的高效供能技术的系统集成化不高如果大幅度提高节能标准要求，现有技术恐怕大都难以支撑。
就整个绿色建筑领域而言，尽管国内外已经出现了较为成功的案例，然而建筑节能集成技术在示范工程中的应用还远未在我国大规模展开，尤其是居住建筑更是一片空白。
事实上，如果把建筑节能系统集成技术应用到示范工程中，一方面可以实际检验技术的可靠性，进而解决建筑设计、技术、产品与应用的协调问题、技术集成等难题，完善相关技术、产品，制、修订相关标准规范；另一方面，可以通过项目成果推广的示范，总结经验，为下一步在全国大面积推广应用提供典型模式，从而引导城镇建筑可持续发展。
时代呼唤“低碳”。中国建筑科学研究院与朗诗集团股份有限公司适时地抓住时机，大胆出手，在居住建筑领域书写了一段颇受瞩目的传奇。
创新才是硬道理
如何才能实现真正的“低碳”？这是每个项目组成员都在思考的问题。当然，答案只有一个——创新。
本着创新精神，项目组开始了大胆地尝试与实践，以理论研究、数学模型分析、实验室研究、现场测试研究、仿真模拟、样板房建设以及大型示范工程建设等相结合的技术手段为研究路线，全面集成了室外取放热系统、能量提升系统、生活热水系统、新风处理系统、辐射顶棚系统、排风能量回收系统六个子系统，着重于研究和解决“低供能系统”中各个子系统之间的优化、匹配、集成等技术难点，着力于通过工程应用进一步完善节能建筑设计、产品、装置与示范工程的协调、优化等系列难题，着眼于发展一套系统的、全面的建筑HVAC高效供能系统技术集成体系，取得了诸多突破性成果。
系统的构建与提出
围护结构体系
围护结构体系节能设计
被动节能设计技术
通过与建筑专业协商、配合，主动合理地利用了居住本身的体形、朝向、材料、构造、空间组织等设计因素来适应该地区气候特点，被动地降低了建筑对HVAC供能系统的依赖。因此，在少增加或不增加造价的基础上在很大程度上可被动实现节能，这种直接向大自然求答案的方式，可以起到四两拨千斤的效果，比起后续采用先进的HVAC设备，充分利用新技术、新材料等主动式设计方法来解决生态问题、能耗问题会更适合我国国情。比如：项目设计过程中提出了按朝向分别考虑设计遮阳形式的想法，有效地解决了夏季建筑防晒的问题；倒置式屋面保温体系与绿色种植屋面的成功应用有效地改善了顶部房间室内热环境效果。
地埋换热器施工照片及地源热泵机房照片
四大系统的设计
辐射顶棚系统设计主要用于承担室内显热负荷，冬季供回水温度为28-26℃的低温热水，保持室内温度在20-22℃，夏季供回水温度为18-20℃的高温冷水，保持室内温度在24-26℃，整个供能季室内温度场非常均匀。由于该系统具有系统惯性大、启动时间长、动态响应慢的特点，控温和调节需要较长时间，故大大减少了机器和水泵的运行时间。此外，交换终端不采用风机盘管，没有机械转动部件，没有噪音，也没有风吹，舒适度非常高。
24h持续置换全新风系统设计为营造高舒适的室内环境，采用了置换新风系统，夏季新风主要承担室内潜热负荷及很小部分的显热负荷。新风冬夏均以比室温低的温度从墙角地面以小于0.3m/s的风速送入室内，在地面蔓延形成新风湖，遇到人体等室内发热体加热后自然上升包裹人体，使人体始终吸入的是新鲜空气，而人体呼出的废气亦随上升气流带走，从卫生间、厨房等顶部的排风口排出室外。置换新风系统让人始终处在健康的新风环境中。
排风能量回收系统设计置换新风系统主要用于以下两个方面：去除室内的CO2和水蒸气。送风量需满足居住人的呼吸卫生要求和防止顶板结露需要。新风量不宜过大，以降低新风处理的能源消耗。经过对该建筑物全年的动态能耗分析发现：因为外围护保温的加强，建筑传热能耗大大地降低，而新风的处理能耗占建筑物总能耗的60－70%。因此，如何减少新风能耗是十分重要的。本工程采用了排风能量回收装置。能量回收率可达70%以上，运行测试结果表明：能量回收装置起到了很好的节能效果。
生活热水免费制取系统一个良好的节能系统仅仅利用冷量或热量是不够的，应讲究冷、热兼用。生活热水系统的设置在夏季实际上是冷凝热回收的一种有效手段，也是减少能量损失，平衡地下热场的有效途径。热水加热系统中因为热泵机组造价和空调负荷与热水加热负荷时间上的不统一，设计中在系统中加装了蓄热装置，以提高系统的可靠性和初投资的经济性。
三项成功实践
大型浅层地热能的成功应用
项目组负责人袁东立教授介绍，地源热泵技术虽然较为成熟，但在大型项目中应用需解决以下三大难题：1)工程造价；2)地下土壤热堆积效应；3)水力平衡。首先，经过详细分析计算后，本项目采用了混凝土桩基埋管＋垂直埋管的联合换热形式,合理地降低了工程造价。其次，通过深入研究地温供冷、热空调系统应用于示范工程的适应性以及地下能量堆积效应和地温变化特性，成功地提出了平衡补偿源头能量的混合式热泵系统和冷凝热回收制备生活热水系统，并成功应用于工程实际，实现对示范工程的源头能量补偿技术及方法的综合评价和优化设计。此外，因本项目地下换热器环路数量多，如何保证各环路间的水力平衡是设计的难点，也是降低地埋管循环泵功耗的重要途径。经优化设计后，最终采用两级分集水器，二级分集水器置于各栋楼专设的窗井内，一级分集水器置于地源热泵机房内。而且，本项目组除了对每个孔进行水力计算外，在埋管形式上做了一些调整，如：将阻力较小、离分集水器较近的孔采用W型，较远的采用单U型来实现自平衡，并对其根据阻力大小进行分组，效果甚好。
优化、匹配、集成、协调难题的成功解决
150万平米大型示范工程的成功实践和应用
用事实说话
节能效益显着、舒适效果明显本项目研究背景明确，实用性强，创新性突出，效益显着。其中，“南京朗诗·国际街区B1、B2地块项目”已经成功交付近四年，整个系统运行平稳，节能监测系统显示，在最冷月1月及最热月7月，单位面积运行费约3.0元/m2，全年运行费用（涵盖夏季制冷、冬季供热、全年生活热水）共计24.78元/m2，如不含生活热水系统，HVAC全年运行费用（涵盖夏季制冷、冬季供热）仅为18.56元/m2，与常规空调相比，单位面积耗电量和运行费用均可节省60%以上，节能效果非常显着，室内舒适性效果明显。
科技成果评估、鉴定2007年5月16日，建设部科技发展促进中心在北京主持召开了《“低供能系统”集成技术研究与工程应用》科技成果评估会。评估委员会听取了课题组的研究工作报告，审查了相关文件，并向课题组进行了质询，经过认真讨论，评估委员会一致认为：该项研究工作在工程应用中引入了“低供能系统”的新型理念，在关键技术、技术集成和系统管理方面均取得了重大创新，技术难度和工程复杂程度较大，总体技术水平、主要性能参数、技术指标和经济指标达到国际先进水平，具有积极的学术意义和应用价值。
国家级质量监督检验中心权威测试2007年7月27日，示范工程在连续运行了一个夏季和一个冬季后，经国家空调设备质量监督检验中心权威测试，天棚热泵机组平均COP＝5.17，新风热泵机组平均COP＝4.76，系统整体能效为3.07，典型房间的客厅和书房的舒适度PMV－PPD评价指标均在舒适范围之内，卧室舒适度PMV－PPD评价指标为稍凉快。为了解“低供能系统”在连续稳定运行数年后的具体使用效果，2010年1月，经国家空调设备质量监督检验中心再次复测，天棚热泵机组平均COP＝5.24，新风热泵机组平均COP＝4.52，系统整体能效为3.17，继续保持在高效运行范围之内，节能效果持续明显。
住户的实际调查与反映通过对朗诗国际街区住户的实际调查发现，将近有100%的用户在使用过程中得到了如下结论：节能性较好，优于常规空调系统，符合国家相关节能环保政策；舒适性较好，恒温、恒湿、恒氧，感觉舒服；使用费用较低，乐于接受。此外，从住户的资料分析来看，有73%的购房者选择朗诗国际街区的原因是它的“居住舒适度”，而其它的原因就很分散了。因此可以得到很明确的结论，技术含量对住房的销售起到了十分积极的推动作用。
长期合作团队的培养与练就本项目实施过程中，集合了科研、设计、施工、材料供应、检测、调试等多个团队，进而保证了“低供能系统”的成功应用和示范工程的实际质量，最终建立起了一支长期合作伙伴关系的项目团队来完成后续的示范工程项目建设。
随时施工、随时检测“低供能系统”在工程应用中，做到了随时施工，随时检测实际效果。基本上做到了每施工完一个子系统或一个环节便进行相关效果的测试和确认，尤其对相关子系统的协调环节，真正意义上保证了示范工程的实际效果。
系统集成技术的升级应用在示范工程的建设规划中，充分兼顾了节能、生态、环保等诸多因素。在工程的建设中通过成熟的、规范化的成套技术，来提高工程质量，缩短建设周期，提高住宅的舒适性、适用性、耐久性，从而达到提高住宅居住功能的目的。同时，对后续的建设方案也在不断地完善，从多个机房的设计方案到目前采用的集中式供能等各个环节进行了攻关。本项目提出的“低供能系统”在示范工程中的每一次应用，都使建设费用下降，节能效果增加。
示范效应的扩展与延续截至目前，已完成12项近150万平方米的大型示范工程设计和建设工作，所有工程进展情况一切良好。其中“南京朗诗·国际街区B1、B2、B3地块项目”、“无锡朗诗·国际公园B1地块项目”以及“苏州朗诗·国际街区地块项目”运行正常；“无锡朗诗·国际公园B2地块项目”、“杭州朗诗·国际街区地块项目”以及“常州朗诗·国际街区地块项目”施工完毕，系统正在调试运行中；“苏州朗诗·嘉业地块项目”、“上海朗诗·长宁地块项目”、“上海朗诗·绿岛地块项目”，“上海朗诗·南翔地块项目”以及“南京朗诗·板桥地块项目”正在按照节能设计图纸施工过程中。“低供能系统”集成技术体系研究成果成功应用，将提高我国建筑节能决策的科学化水平，将代表和引领节能型、舒适的居住小区的建设方向。
社会效益显着，产业化前景巨大“低供能系统”集成技术的成功应用，不仅大幅度的提升了居住小区自身的品质，为入住的业主带来了舒适的居住环境和恒温、恒湿、恒氧的感受。其次，因整个项目集成采用多项先进技术，环保效果显着，通过本项目的实施，节约了大量的煤炭能源和电力消耗量，大大降低二氧化碳、二氧化硫、粉尘、氮氧化物和有害气体的排放，减少了空气污染，减少了温室效应。因此，综合来看，项目的收益者囊括了入住的业主、开发商乃至整个社会，这样的项目也将代表和引领节能型、舒适的居住小区的建设方向。该项成果如在全国各地推广应用，可以大大缓解我国城市发展对能源供应的巨大压力，缓解国际上要求的各项污染物减排对我国经济与社会发展的压力，具有巨大的社会经济效益和产业化前景。只要认真规划设计好系统中各个环节、优化匹配好各个子系统、协调处理好系统集成技术中的难点问题，对于大范围、大面积开展该系统的工程应用是指日可待的。至此，我们不难看出，作为一种新型的系统形式和设计理念，“低供能系统”从本质上实现了节能降耗，大大减少了对常规能源的依赖，是在保证室内环境健康、舒适基础上的一种真正意义上的节能系统，将为全面优化我国能源结构、节约能源、提高能源利用效率，促进和扶持我国可再生能源利用的产业链，进而实现人、建筑与自然环境的和谐共生及城镇的可持续发展提供技术保障。我们期待，“低供能系统”能够遍地开花！科
项目组负责人：
袁东立 1954年生，教授级高级工程师，中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院节能技术推广室主任，国际地源热泵协会会员，中国建筑学会会员，中国制冷学会会员。长期从事建筑节能与新能源利用的研究推广工作，在热泵及蓄能技术、高效供能系统集成应用、能源规划等方面，取得了一定创新性研究成果。
