0前言

　　零能耗（也称近零能耗）是绿色建筑发展的必然趋势。建筑物与大地、阳光共存，有房子的地方，就有浅层地源和太阳能，把这两种可再生能源组合在同一个体系中，给建筑物提供电能、供暖和制冷、生活热水，实现零能耗、零排放、可持续的生态居住方式，必将改变我们对建筑概念的认识。如图1所示。

　　1设计思想

　　浅层地源和太阳能既具有清洁和可再生的优点，同时还具有能量强度相对弱的特点。山洞里冬暖夏凉给我们的启示：山洞是低温差热交换、零能耗的体系。建筑物的水力辐射供暖制冷与山洞的热交换形式类似，因此，低温差热交换是实现净能耗建筑的可靠途径。

　　实现低温差水力辐射热交换，必须采用精确水力设计和计算方法。洞人设计是以低温差水力辐射热交换为基础，整合可再生能源的设计方法，为实现净能耗建筑提供了解决方案。

　　一个好的零排放、零能耗建筑解决方案，应当具有广泛的实用性，不应对建筑物外围护结构的保温等级有过高的要求，系统应具有比较低的生命周期成本。

　　2设计要素

　　2.1浅层地源的三重性

　　浅层地源通常指深度200m以内的地层，地层自然温度场的温度在20℃左右。

　　热源：用低于自然温度场温度值的循环液与地层进行热交换。例如，循环液的温度值是10℃，地源深处的温度值是20℃，此时地层为热源。

　　冷源：用高于自然温度场的温度值循环液与地层进行热交换。例如，循环液的温度值是30℃，地源深处的温度值是20℃，此时地层为冷源。

　　蓄热性：当循环液的温度高于地层自然温度场的温度值时，长时间循环，并且超过地层的热扩散能力，地层的温度会上升，当这一过程足够长，地层会以较高的温度值趋于固化，此时地层为蓄热体。反之，循环液的温度低于地层自然温度场的温度值，长时间循环，并且超过地层的热扩散能力，地层的温度会下降，当这一过程足够长，地层会以较低的温度值趋于固化。这时地层为蓄冷体，无论是哪一种情况，都不利于地层温度场自身的热平衡。如果以年为周期，应当让地层吸收和释放的热量在周期内基本相当。使得下一个周期内，地层再作为热源和冷源循环使用。

　　2.2太阳能的两重性

　　光电：薄膜电池或晶硅电池可以将太阳能转化为电能。

　　研究表明

　　温度：25~30℃，温度上升，输出功率迅速上升。

　　温度：30~42℃，输出功率降低很少。

　　温度超过42℃，输出功率下降明显，当温度达到75℃，电池板的输出功率降低40%。这就是为什么在冬季阳光明媚的早晨，太阳能板能够高效率发电，而在阳光强的夏季反而输出功率减少。

　　维持太阳能板工作温度在30~42℃ 区间，是提高太阳能发电利用率的有效措施。夏季采用辐射制冷的方法，降低太阳能板的工作温度。春、秋两季，发电量超过使用量，多余的电力输送到公共电网，夏、冬两季，电网返还电力，达到全年电力生产和消耗的净平衡。

　　光热：太阳能电池板在发电的同时，吸收的热量是其发电量的数倍。利用地层的蓄热性，将夏季太阳能热量吸收，将热量输送并且储存于地层中，跨过秋季，进入冬季时用于供暖。这叫太阳能热夏季储存冬季供暖。

　　2.3热泵

　　系统配置地源热泵，用于供暖和制冷及提供冬季生活热水。热泵的效率是降低电能耗的关键之一。系统设计中热泵效率COP=5~10，热泵要达到比较高的COP，且不配缓冲水箱，末端必须设置配套的低温差水力系统。

　　2.4新风系统

　　在零能耗住宅中，新风系统的主要功能是改善室内空气质量，次要功能是夏季辅助制冷。为了降低新风系统的能耗，通过地源新风埋管，冬季预热新风，夏季预冷新风。

　　2.5热交换端

　　光热交换，在太阳能发电板的下面安装水管，夏季水以闭路循环方式吸收太阳能热；在寒冷地区，冬季在循环水中加入防冻液，以维持太阳能板循环水路不结冰。

　　室内热交换，地板、墙体及顶承担室内供暖制冷的热交换，管网的水力设计必须符合低温差水力设计要求。

　　地源热交换，可以采用垂直井埋管或水平埋管。

　　其尺寸大小依据太阳能热负荷和制冷负荷确定。

　　2.6多源/多负荷混合水力系统

　　按照水力学原理和计算方法精确设计水力系统。系统的运行控制模块化，主要功能是根据温度测量信号，开启或关闭对应的设备。如图2所示。

　　系统由五部分组成：地源热泵、太阳能光电光热、辐射供暖制冷、新风及水力配送。冬季供暖，主要换热量来自夏季储存于地源中的热。供暖前期，热泵不运行，地源热泵承担补充加热的作用。分水器的进水温度一般低于30℃，最高35℃，进、回温差3~5℃。夏季地板辐射制冷承担主要冷负荷，新风承担次要冷负荷。为避免冷凝，应根据当地气象数据计算最低进水温度，进、回温差2~3℃。

　　新风系统采用地源新风埋管来冬季预热、夏季预冷进入室内的新风，避免室外新风直接进入室内造成负荷大幅度增加。采用地源新风埋管，还可缓解新风机负荷补充过重。

　　生活热水系统配置生活热水水箱。春、夏、秋三季，采用太阳能加热生活热水；冬季采用热泵生产生活热水，必要时，水箱配置辅助电加热。

　　3结语

　　本工程是2012年竣工的超低能耗工程。我们愿与大家共同推进零能耗、零排放住宅产业化，为市场提供完整的生态住宅产品。（文/陈康生）