今年冬天花吟，華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院羅勇強(qiáng)博士像往常一樣撕下貼在門上的水電費(fèi)單，打開手機(jī)繳納費(fèi)用。

“冬季要支付暖氣費(fèi)寥茫，夏季空調(diào)耗電量大遣蚀，電費(fèi)也比較高昂纱耻。為了住得舒服善答，實(shí)在太不容易了!”他希望刺盏，有朝一日缤币，建筑房屋擁有自己的“思想”，不依靠這些制冷旬敞、供暖設(shè)置就能夠自動(dòng)化地調(diào)節(jié)溫度，從而大大減少建筑供電的能耗单葡。

幸運(yùn)的是，他的夢(mèng)想在不久的將來就會(huì)實(shí)現(xiàn)雳梧。

多年來，羅勇強(qiáng)專攻于建筑領(lǐng)域的節(jié)能研究托逝。近日他所在的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套可根據(jù)需求智能調(diào)節(jié)溫度的零能耗新型光伏熱電墻體系統(tǒng)跃旁，相關(guān)成果發(fā)表于《應(yīng)用能源》萤皂。

“在全球變暖亟須節(jié)能減排的大趨勢(shì)下撒穷，發(fā)展近零能耗乃至零能耗建筑是必然選擇。”羅勇強(qiáng)說裆熙。

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)想弛车，而決定溫度的關(guān)鍵在于墻體的設(shè)計(jì)齐媒。

“就像人冬天怕冷要穿棉襖纷跛、夏天穿得清涼一樣喻括，建筑也不例外贫奠。”論文第一作者羅勇強(qiáng)打了一個(gè)形象的比喻唬血。

通常而言唤崭，建筑設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)不同地域特點(diǎn)設(shè)計(jì)墻體的厚度拷恨。比如，北方地區(qū)氣候寒冷漩叶，建筑墻體就會(huì)設(shè)計(jì)得偏厚實(shí)苹衰，以提高保溫效果狞朦。南方地區(qū)則相反棘爱，為了排出熱量，墻體就會(huì)設(shè)計(jì)得更加輕薄澎矗。

不過，建筑一旦建成之后标晤，其墻體的熱性能就會(huì)固定，很難根據(jù)一年四季的氣候情況而隨機(jī)變化蕴轩，難以滿足人們的居住需求芹蟹。

“夏天室外炎熱搁突，熱量透過墻體傳到室內(nèi)導(dǎo)致同步炎熱俘戈，所以我們需要打開空調(diào)把室內(nèi)熱量排出净响。而到了冬天，室內(nèi)的熱量又會(huì)源源不斷地從墻體向外流失喳瓣，所以我們需要打開供暖設(shè)施補(bǔ)充損失的熱量。”他介紹畏陕，為了居住舒適配乓，建筑內(nèi)部往往配有制冷供熱設(shè)施惠毁，而這會(huì)造成大量的能耗犹芹。

有沒有一種辦法能讓建筑可以自行根據(jù)外界溫度添加或脫掉“衣服”?羅勇強(qiáng)陷入了沉思鞠绰。

芯片也有“兩面派”

為了常年保持室內(nèi)舒適的溫度腰埂，羅勇強(qiáng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款光伏熱電耦合蓄電池的墻體系統(tǒng)蜈膨。

熱電系統(tǒng)的運(yùn)作基于一種輕薄且小巧的半導(dǎo)體芯片屿笼，其依靠光伏電池低壓直流電驅(qū)動(dòng)强剥。當(dāng)直流電輸入此半導(dǎo)體芯片時(shí)担擦，系統(tǒng)可發(fā)揮“兩面派”的特質(zhì)。

通俗來說雕残，到了夏天侥丝，安裝在墻體里的芯片朝向室內(nèi)的一面制冷榛湖，背面制熱贬打。到了冬天疤嘴，將電流方向逆轉(zhuǎn)融唬，則可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱的效果住卿。

通往成功的道路是曲折的芋困。很快，羅勇強(qiáng)就面臨著一個(gè)不可避免的難題——由于該系統(tǒng)依靠光伏充電利术，所以晚上沒有太陽，墻體就無法工作低矮。

有沒有辦法可以解決?他將目光投向了蓄電池印叁。

“其實(shí)白天的時(shí)候军掂，太陽能發(fā)的電是綽綽有余的。比如夏天蝗锥，用于冷卻墻體的電力非常充足跃洛，為何不能把多余的電量儲(chǔ)存起來?這樣终议，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汇竭，多余的電先讓蓄電池幫忙‘保管一下’穴张。在晚上沒有太陽的時(shí)候细燎，我再把電從蓄電池里面取出來皂甘，輸送給熱電芯片玻驻。最終通過控制算法，讓芯片在夏天幫我們冷卻墻體励砸，在冬天的晚上繼續(xù)加熱墻體，實(shí)現(xiàn)‘一年四季一天24小時(shí)’的墻體熱流控制招蓝。”

羅勇強(qiáng)表示件策，如此一來，無論夏天巩樟、冬天還是白天仆扰、晚上艰捶，都能將墻體控制在適宜的溫度內(nèi)祟放。“而且伤主，如果能夠讓墻體溫度和室內(nèi)溫度保持一致衡喧，就不會(huì)出現(xiàn)熱傳遞和熱損失玫氢。”

為此帚屉，他建立了熱電墻體的點(diǎn)熱源二維解析傳熱模型漾峡、復(fù)合墻體狀態(tài)空間模型攻旦、光伏電池模型以及蓄電池動(dòng)態(tài)充放電模型生逸，利用光伏熱電墻體實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性牢屋，通過控制算法實(shí)現(xiàn)了墻體內(nèi)表面溫度夏季始終不高于室內(nèi)溫度、冬季始終不低于室內(nèi)溫度烙无，并且該系統(tǒng)完全由可再生能源驅(qū)動(dòng)，不消耗電網(wǎng)電力遍尺。

有望降低建筑供電能耗

系統(tǒng)完成后皱炉，該團(tuán)隊(duì)很快將其投入測(cè)試狮鸭。結(jié)果表明，建筑墻體可保持恒定的設(shè)置溫度多搀，全年均能順利運(yùn)行歧蕉。隨后虾驰，團(tuán)隊(duì)又通過模擬計(jì)算考察系統(tǒng)在北京吼季、武漢伊了、廈門等十多個(gè)不同地區(qū)城市的可行性误反，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)不同的氣候區(qū)都具有適應(yīng)性栅刚。

“這就意味著建筑墻體全年只要穿這么一件‘衣服’就行了奠钾。”羅勇強(qiáng)說嘉栽。

論文通訊作者之一浮两、湖南大學(xué)教授張泠說损螃，此套系統(tǒng)不僅為傳統(tǒng)墻體的熱性能增加了靈活性俩食，最大的作用還在于降低了建筑供電的能耗筹聂。

“很多大型建筑都配有中央空調(diào)進(jìn)行調(diào)溫菊碟，但是墻體如果安裝了我們的光伏熱電系統(tǒng)节芥，就可以大大減少空調(diào)的耗能，最終實(shí)現(xiàn)建筑的近零能耗乃至零能耗逆害。”她說头镊，目前該系統(tǒng)已申請(qǐng)了國家發(fā)明專利忍燥，并出售給建筑公司使用拧晕。

建筑節(jié)能邁向“近零能耗”時(shí)代

近些年梅垄，我國政府在推進(jìn)節(jié)能技術(shù)厂捞、可再生能源技術(shù)、綠色建筑等方面采取了相應(yīng)的措施靡馁，對(duì)節(jié)能減排的重視不言而喻。

9月1日机久，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了我國首部建筑節(jié)能引領(lǐng)性國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51350-2019(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)。至此犯绪，“近零能耗建筑”概念置于聚光燈下。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》骑失，近零能耗建筑需要適應(yīng)氣候特征和場(chǎng)地條件软雹，通過被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖荞扒、空調(diào)丙煞、照明需求窟蝌，通過主動(dòng)技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率钢陨，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境材圈。

此外插驾，在冬季(夏季)要滿足室內(nèi)溫度≥20攝氏度(≤26攝氏度)、室內(nèi)相對(duì)濕度≥30%(≤60%)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)約束條件鹿蜀，能耗水平需較現(xiàn)行2016年標(biāo)準(zhǔn)降低65%至75%以上。

“不得不承認(rèn)服球，我國在節(jié)能減排方面的舉措還是強(qiáng)有力的。”湖南大學(xué)副教授劉忠兵說斩熊，該政策的實(shí)施將對(duì)推動(dòng)建筑節(jié)能減排往枣、提升建筑室內(nèi)環(huán)境水平粉渠、調(diào)整建筑能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)分冈、促進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)起到重要作用霸株。

記者查閱資料發(fā)現(xiàn)雕沉，從1986年至2016年去件，我國建筑節(jié)能經(jīng)歷了“三步走”，即建筑節(jié)能比例逐漸達(dá)到30%尤溜、50%、65%篇惧。目前，65%的節(jié)能目標(biāo)已基本普及蔫婉，部分省鞠撑、市已經(jīng)全面實(shí)行建筑節(jié)能75%的目標(biāo)孕赫。

超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級(jí)表現(xiàn)形式。當(dāng)前肴士，我國建筑領(lǐng)域已經(jīng)開始了相關(guān)探索盔却，例如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的示范性超低能耗建筑、南京綠色燈塔等奖锦。

劉忠兵表示幽七，這些超低排放的綠色建筑不僅有利于節(jié)能減排溅呢，同時(shí)也有利于優(yōu)化整個(gè)社會(huì)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)澡屡、促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展等咐旧。

張泠分析認(rèn)為，未來超低能耗建筑技術(shù)將廣泛應(yīng)用于單體建筑铣墨、民用建筑、公共建筑伊约、多層建筑和高層建筑領(lǐng)域，最終共同構(gòu)建一個(gè)節(jié)能環(huán)甭怕桑可持續(xù)的世界腌逢。