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一座零能耗建筑的失败之路

发布时间：

2025-12-04 00:00

一座零能耗建筑的失败之路

法兰克福的“节能住宅+” （Effizienzhaus Plus）是零能耗多层住宅建筑的一次早期尝试。由于技术上出了问题，该项目未达标。

图：HHS Architekten在描述具体问题前，有必要对该建筑进行简介：
“节能住宅+”是德国的示范项目（注1），由HHS Planer + Architekten做建筑设计，EGS-Plan提供能源和电气解决方案，布伦瑞克工业大学建筑与太阳能技术研究所（IGS）开展建筑能耗研究。

图：HHS Architekten建筑面积3170m²，包含17套二至五居室的住宅，套内使用面积1599m²，体形系数0.31，能耗基准面积（An）2407m²（注2）。外墙、楼板、屋面和外窗按被动房标准设计施工，传热系数分别为0.12、0.12、0.13和0.80W/(m²K)。每套住宅都配有阳台及遮阳设施；机械通风系统配有热回收装置，住户也可以通过门窗进行自然通风。

图：HHS Architekten屋顶光伏总功率84.4kWp，由258个327Wp的光伏组件和屋顶边缘处的54个假组件组成。南立面光伏幕墙含46块定制光伏组件，总功率15.28kWp。整个光伏系统设计年发电量85,474kWh，其中自发自用54%，余电上网。系统中还配备59.4kWh的磷酸铁锂电池储能。储能与光伏采用直流耦合（注3）的方式接入逆变器直流侧。

方案图：schneider-schumacher.com不含光伏发电的建筑终端能耗设计值为61950kWh，包括暖通、热水、通风、照明、电梯和住户用电。其中供暖和热水由一台盐水-水热泵提供。该热泵有二个热源：屋顶的太阳能空气集热器和地下的冰水罐。太阳能空气集热器的集热面积72m²，布置在屋顶假组件的下方，作为75%时段的热源。冰水罐位于建筑地下，容积98m³，主要利用水的相变潜热，作为冬季严寒时段的热源。在热泵的用户侧有二组管网，中温管网用于地暖，高温管网用于生活热水和新风加热。

图：Fraunhofer IBP按照设计，建筑终端能耗-10kWh/(m²a)，建筑一次能耗（相当于我国近零能耗建筑标准中的建筑能耗综合值）-31kWh/(m²a)，符合零能耗建筑的标准，富余的电能可用于电动汽车充电或出售给电网。

图：Oliver Rosebrock出乎意料的是，该建筑投入使用两年间，一次能耗始终大于零。究其原因，虽然光伏系统发电量达到了设计要求，但是建筑的耗电量比设计方案高一倍！

数据：Oliver Rosebrock et. al.；图：郑直主要问题就是屋顶的太阳能空气集热器！

大型太阳能空气集热器（其它案例），图：Grammer Solar太阳能空气集热器与太阳能热水器相似，主要区别在于用空气作为传热的介质。在本案例中，安装在假组件下方的太阳能空气集热器始终没有达到预期的效果，由于该装置产热量过低，导致冰水罐从2015年11月起就成为热泵的主要热源，到1月份时罐中水已经完全凝固成冰，无法为热泵继续提供足够的热量。在2016年1月，施工方临时安装了一台燃油取暖装置，并对热泵、中温管网和太阳能空气集热器进行了升级改造。然而到了2016/17年冬季，类似现象再次发生，为此施工方在高温管网中永久性地安装了一台电加热器。上述燃油取暖装置和电加热器显著增加了建筑的能耗。这套太阳能空气集热器不仅造成了冬季取暖问题，而且在夏季也无法独立为热泵提供足够的热量，导致热泵一直低效运行（COP~2）。居民使用热水需要自行加热（2016年）或依靠上述电加热器（2017年），进一步增加了能耗。该太阳能空气集热器的价格之高也令人咋舌。按IGS在项目结题报告中给出的数据，其单价高达745欧元/m²，远高于屋顶光伏系统（当时价格约400欧元/m²）。从那以后，在德语区的近零能耗建筑中很少再见到太阳能空气集热器。

屋顶光伏（橙色）和光伏幕墙（红色）各月份的发电量，资料: IGS，图：Oliver Rosebrock
注1：同一时期的另一个零能耗多层住宅建筑的示范项目是法兰克福的Aktiv-Stadthaus，参与方也包括HHS，EGS和IGS。参见屋顶光伏图鉴（51）条形建筑屋顶光伏。该项目用附近污水管中的高温污水作为热泵的热源，基本实现了零能耗目标。

注2：能耗基准面积An是德国建筑规程中计算单位面积能耗时所用的面积，对于层高在2.5~3米的建筑，An=0.32×Ve，其中Ve为建筑供暖体积。对于层高hg大于3或小于2.5米的建筑，An=(1/hg-0.04)×Ve。

注3：有关光伏-储能的直流耦合与交流耦合方式，参见选交流耦合，还是选直流耦合？各种储能系统的优缺点全面对比