低能耗標準建造實驗室可行嗎？

  在設計節能型建筑時，常常要求采用“被動式”建筑標準。但其中一些標準和邊界條件在實驗室建筑設計中缺不能起到應有的作用。按照被動式的低能耗標準建造實驗室是否是經濟之舉?本文對此給予了詳細解答。

　　圖1. 實驗室建筑中也需要對能源消耗進行優化。

　　實驗室工作的特殊要求往往會使以需求為主導的被動式低能耗建筑標準難以貫徹落實，同時還會提高建筑成本。被動式房屋建筑的隔熱標準甚至會帶來適得其反的作用。將被動式房屋建筑與實驗室房屋建筑比較后，我們清楚地發現：貫徹被動式建筑標準不一定能夠帶來高節能效果，反而在不采取其他措施的情況下也能達到節能特性值的要求。也就是說：貫徹落實被動式建筑標準的可行性存在很大的局限性。

　　被動式房屋建筑的概念通常是指：采取特殊的高效隔熱措施，僅通過加熱或冷卻新鮮氣流就能在室內形成舒適的溫度環境(如圖2所示)的建筑物。在這類建筑物中，無需采用傳統建筑技術的主動式供熱方式為建筑物內部供暖。為了準確地評估建筑物是否能夠滿足被動式建筑要求，人們制定了達到被動式房屋建筑的要求、具體目標以及限制條件，并以此作為房屋建筑設計工作的指導。

　　圖2. 被動式住宅剖視圖。

　　上述標準是在住宅建筑技術標準基礎上延伸而來的，描述了室內涼爽的溫帶氣候環境：每平方米面積供熱需求為15千瓦小時/年(kWh/m2a)和最大一次性能源需求為120kWh/m2a。需要說明的是：一次性能源是從天然能源載體或者天然資源中獲取的能源。為了使用、存儲和運輸這種一次性能源，首先必須將其轉換成二次能源，例如轉換成熱能。而在能源轉換過程中不可避免會出現能源損耗，減少了消費者實際利用的能源量。而要直接使用一次性能源的可能性很低，同時意義也不大。

　　為了能夠對不同種類的一次性能源進行比較，例如對不同特性的一次性能源進行比較，不同種類的能源載體都有一個一次性能源系數。利用這一權重因子可以得出最佳的能源需求量，也就是主動式房屋建筑標準中最大120kW/(m2a)。

　　與住宅建筑相比較，實驗室建筑有較高的室內負荷，而在實驗室工作期間有很高的換氣量。例如，室內負荷共計80W/m2:其中實驗室儀器設備消耗55W/m2、照明15W/m2、人員10W/m2。再加上通風換氣，通常實驗室通風換氣量為25m3/m2/h。按照15W/m2的室內照明量計算，每年2500小時消耗的總電力為37.5kWh/m2a。按照一次性能源系數2.6考慮，所需的一次性能源總量約為97.5kWh/m2a。此外，通風、換氣的機械設備也需要消耗一定的電力能源。通風換氣所消耗的電力能源可按25W/m2左右計算。按照每年2500h計算，通風換氣每年消耗的電力能源大約62.5kWh/m2a;換算成一次性能源為163 kWh/m2a。這樣，僅照明和通風換氣所需的一次性能源就高達260.5 kWh/m2a。假設其他電氣設備、實驗室儀器設施、空調設備對電力能源的需求為38.5 kWh/m2a(約合100 kWh/m2a的一次性能源)，合計得到的一次性能源總量為360.5 kWh/m2a。這一數值已經比被動式建筑標準中的規定數值高出了3倍;盡管假設這里已完全采用了集中供暖，因此不消耗任何形式的一次性能源。在實踐中，通常假定被動式建筑物的采暖需求為20 kWh/m2a。為了使比較和估算能夠更加接近實際，也可采納這一數據。由此，假設的實驗室建筑所需的能源消耗總量就高達380.5 kWh/m2a(參見圖3)。

　　圖3表明：由于用途不同，實驗室的最低能源需求遠遠高于被動式低能耗住宅標準規定的能源需求。被動式低能耗住宅標準允許的最高一次性能源需求120 kWh/m2a僅僅滿足了實驗室照明和通風換氣的需要，而實驗室中所有的實驗儀器設備都無法使用。

　　表1. 傳統建筑方式與被動式低能耗建筑方式的比較

　　圖3. 被動式住宅與實驗室消耗的一次性能源比較。

　　“被動式”的隔熱規定幾乎沒有優點

　　建筑物的外圍結構對實驗室建筑的采暖和制冷效果也有不同于住宅建筑的強烈影響。多個具體的建筑設計熱學模擬清楚的指出：在實驗室建筑中采用被動式建筑標準的隔熱方法雖然有一定的意義，但在建筑過程中卻沒有經濟意義。通過貫徹落實EnEV 2009標準把實驗室建造成被動式低能耗的建筑物可以把建筑物總體的采暖需求減少25%，降低所需的電力消耗：采暖減少10%，空調制冷減少1%。若輔助采用了高效的熱能回收再利用WRG甚至可以把總體的采暖需求減少43%。所需的采暖電力需求減少28%、空調制冷減少2%。而實現這些節約所需的資金支出與相對提高了的能源效率卻不成比例。

　　現行的被動式低能耗住宅建筑標準不適用于能源需求更高的實驗室建筑設計。從實驗室建筑規劃設計和投資方面的更高付出，尤其是從實驗室建筑典型的使用壽命角度考察的更高付出是不夠經濟的。為了能夠建造真正高效節能的實驗室，就必須考慮建筑物的特性、尤其是使用方面的特性：通過標準化而無法實現的特性。這里仍然需要像以前一樣：協調所有與項目相關的需求和可能性，并在能源效率，成本效益，功能性和舒適性方面進行綜合協調。