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零碳建筑 - 世界 首座 100%能源自给的公寓

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瑞士Brütten公寓，建于2016年，被称为全世界首座能源完全自给的多户住宅（公寓）。该建筑没有与公共电网连接，不使用燃油、天然气、木材等外部能源，公寓居民的出行也只使用建筑产生和储存的能源。即使在能耗大于建筑自产能的严寒冬季，它凭借夏季储存的能量，也能实现100%能源自给。

Brütten公寓，设计师：René Schmid （资料来源：umweltarena）

这座公寓一共有9套4居室住宅，在保障居住舒适度的前提下，每户每年平均只需要2200kWh能源，比同样面积的普通住宅节能50%。

为了实现 100%能源自给，这座公寓在能源生产、储存和消耗的各个环节都采用了当时最先进的技术。如今9年过去了，这些技术及其背后的理念已经被世界各地的零能耗建筑反复验证。

今天我们一起来回顾这座里程碑式的建筑，及其所用到的各种绿色节能碳中和技术：


（资料来源：umweltarena）
一、光伏系统
屋顶光伏采用无框单晶组件，直接安装在挂瓦条上，通过上下搭接和“山”型导水槽实现防水功能。组件转换效率16%， 系统装机容量79.54kWp，年发电6.5-7.5万度。
立面为通风式光伏幕墙，采用哑光的薄膜组件，组件背面用结构密封胶（SSG）粘接了垂直方向的型材，型材与挂件连接，用来将组件悬挂在横龙骨上。组件转换效率10%，系统装机容量46.96kWp，年发电2.5-3万度。在屋顶光伏发电量较低的冬季，光伏幕墙对总发电量有很大贡献。
该公寓采用了内阳台、无屋檐的设计，杜绝了此类构件对幕墙的阴影遮挡，同时增强了建筑的整体性。

（资料来源：umweltarena）
二、短期储能系统
短期储能系统用于将过剩的光伏电力储存，以备夜间或阴雨天使用。该系统采用192kWh的磷酸铁锂电池，通过2个55kW的储能逆变器接入建筑的交流总线。储能逆变器还起到对建筑的微电网进行调压调频的作用。储能系统总效率85%，其中电池充放电效率97%。电池循环寿命5000~6000次。

三、长期储能系统
由于当地冬季的阳光资源不足，据测算每年大约有25天仅靠光伏系统无法满足全部建筑能源需求。为此该建筑设置了制氢、储氢和燃料电池装置作为长期储能系统，把夏季剩余的能量储存到冬季使用。
制氢装置为质子交换膜（PEM）电解槽，功率14.5kW，利用夏季的光伏余电制氢，制氢过程中产生的35°C的热水，可作为热泵的热源。
氢气以30bar的压力存储在2个总容积120立方米的储氢罐中。
冬季启动额定功率6.2KW的质子交换膜（PEM）燃料电池，以氢气为原料，所发的电储存在电池储能系统中，释放的热量用于生活热水的加热和供暖。
由于整套氢能系统的纯电力输出只能达到制氢所消耗电力的18~19%，所以电解槽和燃料电池的热能综合利用，是提升氢能系统总能效的关键。 

（从左至右）电解槽、储氢罐、燃料电池（资料来源：umweltarena）
四、热泵
公寓里设置了一台最大供热功率28kW的双联水-水热泵。热泵由光伏电力驱动，用于生活热水和冬季供暖，过剩的热量储存在储热罐中。
热泵一共有4个热源：地、空气、储热罐、氢能系统。为了提高热泵的能源利用效率，在电力不过剩的情况下，热泵始终选用温度最高的热源。
热泵的地源部分是两根338米的地埋管，以水为热媒，平均每米可产生35-50W的热量。
五、储热
在建筑的下方设置了2个容积各125立方米的储热罐，储热罐水温范围为6-65°C。储热罐内部设有热交换器，用于将外部热量传给储热罐中的水，或者从罐内水中提取热量传至罐外。

安装储热罐（资料来源：umweltarena）
六、建筑保温隔热
建筑主体结构采用蓄热能力较强的材料如混凝土和砖。屋顶为木结构。设置了保温层的外墙和屋顶的U值分别达到0.11W/m2K和0.15W/m2K。窗户的热阻值为0.6W/m2K。
七、地暖
地暖系统包括9000米的地面管道和350米的墙面管道。后者用于对仅靠地面管道加热无法达到设计温度要求的房间（如部分浴室和阁楼）进行补充加热。

（资料来源：umweltarena）
八、新风热回收
冬季室外空气经过滤后进入热交换器，被公寓内向外流出的空气加热。夏季热交换器被旁路，室内空气直接排到室外。
九、热水
生活热水通过热泵加热，必要时可由燃料电池提供协助。房间全部采用节水龙头和具有热量回收功能的淋浴器。该淋浴器的下水槽内有热交换器，可利用流走的温水中的热量为进水管中的冷水预热。

（资料来源：umweltarena）
十、智能家居
公寓内每个房间的照明、插座和百叶窗都可以通过平板电脑单独控制，例如可以随时将插座断开以节省电器的待机能耗。
遮阳百叶可设为全自动模式，夏季遮阳，冬季白天自动打开增加室内光照，夜间自动关闭减少热量损失。
整栋建筑全部使用LED照明，家电全部具有最高能效标识。
每套住宅都有约定的能源预算，预算以内的电力或供暖免费。若用户的能耗低于或超出预算，公寓有一套财务奖惩机制。用户可以在平板电脑上随时监控自家的能耗情况，并据此对用能安排做出相应调整。
十一、新能源汽车
公寓居民共享一辆电动汽车和一辆天然气汽车。电动汽车的电力来自公寓的光伏系统。天然气汽车的甲烷来自加气站，其总量等于公寓全部居民的生物废弃物（堆肥法）产生的沼气量（由环卫部门给出）。

（资料来源：umweltarena）
该公寓的开发商，瑞士环境竞技场的总经理约尔格・西格里斯希当年在接受电台采访时曾表示，未来也许不会有很多像Brütten公寓这样的完全能源自给的房子，“但这个建筑应该成为一座灯塔，让人们在自己的房屋项目中可以借鉴某些单独的组件、单独的建筑部件，或者模仿一些做法。”
这座建筑最大的意义也许就在于此。

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