今年冬天，華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院羅勇強博士像往常一樣撕下貼在門(mén)上的水電費單，打開(kāi)手機繳納費用。
“冬季要支付暖氣費，夏季空調耗電量大，電費也比較高昂。為了住得舒服，實(shí)在太不容易了！”他希望，有朝一日，建筑房屋擁有自己的“思想”，不依靠這些制冷、供暖設置就能夠自動(dòng)化地調節溫度，從而大大減少建筑供電的能耗。
幸運的是，他的夢(mèng)想在不久的將來(lái)就會(huì )實(shí)現。
多年來(lái)，羅勇強專(zhuān)攻于建筑領(lǐng)域的節能研究。近日他所在的團隊研發(fā)了一套可根據需求智能調節溫度的零能耗新型光伏熱電墻體系統，相關(guān)成果發(fā)表于《應用能源》。
“在全球變暖亟須節能減排的大趨勢下，發(fā)展近零能耗乃至零能耗建筑是必然選擇。”羅勇強說(shuō)。
給建筑“穿衣服”
能夠住在冬暖夏涼的房子里，是每位居民的夢(mèng)想，而決定溫度的關(guān)鍵在于墻體的設計。
“就像人冬天怕冷要穿棉襖、夏天穿得清涼一樣，建筑也不例外。”論文作者羅勇強向《中國科學(xué)報》打了一個(gè)形象的比喻。
通常而言，建筑設計師會(huì )根據不同地域特點(diǎn)設計墻體的厚度。比如，北方地區氣候寒冷，建筑墻體就會(huì )設計得偏厚實(shí)，以提高保溫效果。南方地區則相反，為了排出熱量，墻體就會(huì )設計得更加輕薄。
不過(guò)，建筑一旦建成之后，其墻體的熱性能就會(huì )固定，很難根據一年四季的氣候情況而隨機變化，難以滿(mǎn)足人們的居住需求。
“夏天室外炎熱，熱量透過(guò)墻體傳到室內導致同步炎熱，所以我們需要打開(kāi)空調把室內熱量排出。而到了冬天，室內的熱量又會(huì )源源不斷地從墻體向外流失，所以我們需要打開(kāi)供暖設施補充損失的熱量。”他介紹，為了居住舒適，建筑內部往往配有制冷供熱設施，而這會(huì )造成大量的能耗。
有沒(méi)有一種辦法能讓建筑可以自行根據外界溫度添加或脫掉“衣服”？羅勇強陷入了沉思。
芯片也有“兩面派”
為了常年保持室內舒適的溫度，羅勇強團隊設計了一款光伏熱電耦合蓄電池的墻體系統。
熱電系統的運作基于一種輕薄且小巧的半導體芯片，其依靠光伏電池低壓直流電驅動(dòng)。當直流電輸入此半導體芯片時(shí)，系統可發(fā)揮“兩面派”的特質(zhì)。
通俗來(lái)說(shuō)，到了夏天，安裝在墻體里的芯片朝向室內的一面制冷，背面制熱。到了冬天，將電流方向逆轉，則可實(shí)現室內制熱的效果。
通往成功的道路是曲折的。很快，羅勇強就面臨著(zhù)一個(gè)不可避免的難題——由于該系統依靠光伏充電，所以晚上沒(méi)有太陽(yáng)，墻體就無(wú)法工作。
有沒(méi)有辦法可以解決？他將目光投向了蓄電池。
“其實(shí)白天的時(shí)候，太陽(yáng)能發(fā)的電是綽綽有余的。比如夏天，用于冷卻墻體的電力非常充足，為何不能把多余的電量?jì)Υ嫫饋?lái)？這樣，白天我只需采用光伏產(chǎn)生的一小部分電力用于冷卻墻體，多余的電先讓蓄電池幫忙‘保管一下’。在晚上沒(méi)有太陽(yáng)的時(shí)候，我再把電從蓄電池里面取出來(lái)，輸送給熱電芯片。最終通過(guò)控制算法，讓芯片在夏天幫我們冷卻墻體，在冬天的晚上繼續加熱墻體，實(shí)現‘一年四季24小時(shí)’的墻體熱流控制。”
羅勇強表示，如此一來(lái)，無(wú)論夏天、冬天還是白天、晚上，都能將墻體控制在適宜的溫度內。“而且，如果能夠讓墻體溫度和室內溫度保持一致，就不會(huì )出現熱傳遞和熱損失。”
為此，他建立了熱電墻體的點(diǎn)熱源二維解析傳熱模型、復合墻體狀態(tài)空間模型、光伏電池模型以及蓄電池動(dòng)態(tài)充放電模型，利用光伏熱電墻體實(shí)驗臺驗證了模型的準確性，通過(guò)控制算法實(shí)現了墻體內表面溫度夏季始終不高于室內溫度、冬季始終不低于室內溫度，并且該系統完全由可再生能源驅動(dòng)，不消耗電網(wǎng)電力。
有望降低建筑供電能耗
系統完成后，該團隊很快將其投入測試。結果表明，建筑墻體可保持恒定的設置溫度，全年均能順利運行。隨后，團隊又通過(guò)模擬計算考察系統在北京、武漢、廈門(mén)等十多個(gè)不同地區城市的可行性，發(fā)現該系統對不同的氣候區都具有適應性。
“這就意味著(zhù)建筑墻體全年只要穿這么一件‘衣服’就行了。”羅勇強說(shuō)。
論文通訊作者之一、湖南大學(xué)教授張泠告訴《中國科學(xué)報》，此套系統不僅為傳統墻體的熱性能增加了靈活性，更大的作用還在于降低了建筑供電的能耗。
“很多大型建筑都配有中央空調進(jìn)行調溫，但是墻體如果安裝了我們的光伏熱電系統，就可以大大減少空調的耗能，最終實(shí)現建筑的近零能耗乃至零能耗。”她說(shuō)，目前該系統已申請了發(fā)明專(zhuān)利，并出售給建筑公司使用。
建筑節能邁向“近零能耗”時(shí)代
近些年，我國政府在推進(jìn)節能技術(shù)、可再生能源技術(shù)、綠色建筑等方面采取了相應的措施，對節能減排的重視不言而喻。
9月1日，住房和城鄉建設部發(fā)布了我國首部建筑節能引領(lǐng)性標準《近零能耗建筑技術(shù)標準》GB/T51350-2019（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標準》）。至此，“近零能耗建筑”概念置于聚光燈下。
根據《標準》，近零能耗建筑需要適應氣候特征和場(chǎng)地條件，通過(guò)被動(dòng)式建筑設計更大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)措施更大幅度提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內環(huán)境。
此外，在冬季（夏季）要滿(mǎn)足室內溫度≥20攝氏度（≤26攝氏度）、室內相對濕度≥30%（≤60%）的室內環(huán)境參數約束條件，能耗水平需較現行2016年標準降低65%至75%以上。
“不得不承認，我國在節能減排方面的舉措還是強有力的。”湖南大學(xué)副教授劉忠兵告訴《中國科學(xué)報》，該政策的實(shí)施將對推動(dòng)建筑節能減排、提升建筑室內環(huán)境水平、調整建筑能源消費結構、促進(jìn)建筑節能產(chǎn)業(yè)轉型升級起到重要作用。
記者查閱資料發(fā)現，從1986年至2016年，我國建筑節能經(jīng)歷了“三步走”，即建筑節能比例逐漸達到30%、50%、65%。目前，65%的節能目標已基本普及，部分省、市已經(jīng)全面實(shí)行建筑節能75%的目標。
超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級表現形式。當前，我國建筑領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始了相關(guān)探索，例如清華大學(xué)設計的示范性超低能耗建筑、南京綠色燈塔等。
劉忠兵表示，這些超低排放的綠色建筑不僅有利于節能減排，同時(shí)也有利于優(yōu)化整個(gè)社會(huì )的能源消費結構、促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展等。
張泠分析認為，未來(lái)超低能耗建筑技術(shù)將廣泛應用于單體建筑、民用建筑、公共建筑、多層建筑和高層建筑領(lǐng)域，最終共同構建一個(gè)節能環(huán)?？沙掷m的世界。
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