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德国冬天如何采暖?

德国是一个高纬度国家,冬天漫长而寒冷,供暖时间照惯例是从当年的10月1日到第二年的4月31日。即使在夏季,如果出现了极端天气,骤然变冷的话,室内也能随时根据需要供暖。

以首都柏林为例,柏林位于北纬52.5度,和中国最北的漠河只差了不到0.5度,可以说比绝大多数的中国城市还要更“北”。寒冷的气候使得“让每个家庭用上暖气”被作为一项国家大事,暖气费也是家家户户的一笔重要开支。

德国能源机构从舒适和节能的角度出发,向公众建议的室温为:卧室为16摄氏度,起居室为20摄氏度,浴室为24摄氏度。德国《法兰克福汇报》的一篇文章说,德国人每月每平方米居住面积的取暖花费是1.2欧元,这意味着一个80平方米的公寓,每月的暖气费用是96欧元,折合人民币约750元。 

供暖需求如此强大,但德国本身能源十分匮乏,天然气和煤炭都依赖进口,因此德国非常注重效率和环保。德国的石油几乎100%依靠进口,天然气80%进口,煤的进口量也日益增长。

据统计,德国约有一半的最终能源消费用来生产热能,其中家庭供暖占热能消费的46%。如何提高热能生产效率,增加建筑保温,一直备受关注。2002年生效的《能源节约法》就旨在规范锅炉等供暖设备的节能技术指标和建筑材料的保暖性能等。

德国的暖气供给分为集中供暖和独立供暖。在前民主德国地区,集中供暖占供热系统的30%,但是在前联邦德国地区仅占9%,不过居住密度比较高的高层住宅基本都是集中供暖。在柏林,拥有全德最大的集中供暖网,城市里有1875公里的供暖管道,供主城区的130万人使用。

在中国北方,暖气计费是按照居住面积一次性交一个采暖季的暖气费,这种“包月”的做法使得很多用户在使用暖气时变得“肆无忌惮”,很多人出门后不会关掉暖气,甚至出现了因为家里温度太高开着窗户散热的现象。

这在德国是无法想象的在,在德国,如果下班后忘记关暖气,第二天办公区的管理人员就会找上门来提醒并警告。


集中供暖在德国是如何计费呢?

德国的集中供暖采取分户热计量收费,采暖在冬季是一笔不小的账单。德国早在1981年就公布了暖气和热水计量收费条例, 其中包含对那些不执行此条例的房产主的惩罚条款,因而分户热计量收费得以在德国大面积推广。

在德国,每个暖气片上都有一个调节阀,可以根据需要调节温度。供暖公司根据数据收费,多用多交,少用少交。因此在德国,人们都习惯在出门前或入睡前调低暖气用量,如果家里长时间没人就直接关掉暖气阀门,这样既能省钱也能避免浪费。

再来看德国集中供暖的热力生产。德国主要采用天然气和燃油,配合少量的电、煤炭和可再生能源进行热电联产。过去,煤炭曾经是主要燃料,但由于环保压力,德国超过75%的新住宅使用天然气这一相对清洁的能源,以减少空气污染。

热力生产企业往往非常注重生产效率。首先是控制锅炉大小,现代的锅炉可以精确控制燃料和空气的混合比例,使燃料充分燃烧,减少因燃烧不完全而产生的有害气体。此外还要改良控制系统,通过合理设计烟道、回收预热等措施,可以提高能源利用效率。

另外一种就是家庭独立供暖。近年来,随着科技的发展,虽然德国集中供暖系统依旧发达,但个人供暖的比例在逐年上升。德国家庭大多数采用天然气、燃油等方式采暖。德国城市许多楼房的地下室设有一个天然气锅炉,负责全楼的暖气和热水供应。在德国政府的推动下,太阳能、风能等可再生能源近年来在独立供暖上应用得越来越普遍。


开源还要节流,供暖的另一面是如何“保温”。

德国人做了大量冬季房屋热量损失和研究,对于提高房屋的密闭性和保温性推出了很多产品。二战以后的建筑,屋顶、墙壁和窗户通常都有良好的密闭隔热措施。但是在我国,门窗的热损失已经占50%以上,很多地区政府补贴外墙保温,但是窗户还是普通的玻璃,尤其为了好看,窗户越变越大,落地窗已经成为一种时尚,因此冬天屋里也就越冷,浪费的能源也就越多。

此外,德国近年来不断出现的绿色建筑为民众提供了新选择。比如,德国被动房技术:被动房的外墙和门窗隔热功能优良,通过新风系统可抽掉污浊废气输入新鲜空气,即使在没有供暖的情况下利用地热也可以保持较舒适的室温。

被动房设计理念的核心思想在于最大限度地减少建筑的热量损失。其技术措施可以归纳为以下几个方面:
加强建筑维护体系的保温性能
建筑维护体系主要由外墙、屋面和外窗组成,加强围护体系的保温性能是“被动房”建筑设计和建造中最为重要的技术措施。正如人在冬季最重要的御寒手段就是穿上保暖衣服一样,这是一个非常简单的道理。
而“被动房”正是充分发挥了这一原则。在考虑现有建筑材料的性能和价格的基础上,为建筑穿上一件最保暖的外套,并把可能存在的“冷桥”尽量阻隔掉。
建筑外墙和屋面是围护体系主体,在欧洲目前的“被动房”中,外墙和屋面的保温材料较多地采用XPS挤塑聚苯板以及岩棉等。为达到“被动房标准”,所采用的厚度都非常大。
例如:德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中,外墙采用275mm的EPS聚苯保温板,其传热系数为0.14w/(㎡·K);屋面采用了445mm的岩棉保温,其传热系统达到0.1w/(㎡·K)。
在其他已建成的“被动房”项目中,外墙和屋面的传热系数通常都在0.1w/(㎡·K)左右。
外窗的保温性能对玻璃和窗框要求读很高,在不少欧洲国家现有的建筑中,大多数采用双层中空玻璃和断桥铝合金的窗框,其传热系数为2.4w/(㎡·K),还远远达不到“被动房”外窗的保温性能要求。
目前已建成的“被动房”中,建筑外窗通常采用3层中空玻璃以及带保温夹层的窗框,其传热系数可达0.8 w/(㎡·K)以下。
在围护结构的阻热性能明显提高以后,“冷桥”就成为一个影响围护体系保温效果的重要因素。在现有建筑的设计中,“冷桥”也已经成为一个被关注的问题,但是远没有在“被动房”设计中那样尽可能的被避免。在“被动房”里,尽量避免“冷桥”存在。

提高建筑的气密性能
基于“被动房”的理念,建筑应该是一个尽量不受室外环境干扰的独立系统。因此,建筑围护结构应该具有可以隔绝室内外空气渗透的功能,这一点在冬季尤为重要,所以,“被动房”建筑与室外空气交换都是通过可以控制的机械系统来实现。
建筑的气密性能对于“被动房”非常重要,好的密闭性除了可以降低热量损失以外,还可以控制室内环境的湿度和保护建筑结构。
在“被动房”建筑设计中,不少窗扇都是固定不可以打开的,部分可开启窗扇在关闭时也要满足很高的气密性要求。
在“被动房标准”中有一条不做严格要求但是推荐采用的指标,就是在建筑的气密性测试中,要求在室内外50Pa压力差的情况下,每小时的空气渗透量不能超过建筑总容积的60%。

在欧洲各国的现有建筑中,这一指标都还远不能达到要求,通常在200%-400%之间,而在德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”中,这一指标仅为30%,有效地减少了冬季热量的损失。


机械送新风并进行热回收
当建筑的气密性能大大提高以后,适宜的通风换气方式对于“被动房”就尤为重要了。
要保持室内空气的清洁与健康,必须要满足一定的新风量,在欧洲各国中,新风量的指标从室内空气每小时换气0.4~0.9次,我国北京居住建筑节能设计标准中规定的冬季换气指标为0.5次,与欧洲各国的要求大致相同。
在现有建筑中,开启窗户和门窗缝隙的渗透是实现建筑冬季换气的常用方式,但这样无疑会带来大量的热量损失,并且产生室内吹冷风的不舒适感。
在“被动房”中,这一换气指标则完全需要通过机械通风的方式来完成,在每套住宅中,室内污浊的空气从厨房和卫生间的排风口排入风管中,新鲜空气则从起居室和卧室的送风口中进入房间。
把建筑排风中的热量回收,用以预热室外的新鲜空气并送入室内是实现“被动房标准”的关键技术之一,在欧洲目前使用的热交换器的热回收效率非常高,可以达到75%~90%的热回收率,所以传统建筑在冬季通风换气损失的热量在“被动房”建筑中很大程度上被避免了。
新风排风热交换器的体积很小,通常装在建筑吊顶或者阁楼内就可以。由于“被动房”建筑队采暖所需的热量需求已经很少,所以甚至可以通过新风系统来调节房间的温度,经过加热的新风送入房间就足够保持设计的室内气温,这样,建筑内就可以完全不用安装传统意义的采暖系统了。
当然,在设计者看来,机械新风的另一个好处是可以保证空气的质量。在新风的处理过程中,除了可以回收热量以外,还可以过滤室外空气的尘土,控制空气的湿度,使空气的质量可以比自然通风的空气质量大大提高。
所以,即使是在非采暖季节,在不必考虑热量损失的情况下,有不少建筑师还是坚持在设计采用机械新风系统。

低热负荷的采暖方式
通过上述3方面的措施,“被动房”的冬季采暖需求已经被降低的程度,只需要很少的热量即可以达到室内的设计温度,有研究者在“被动房标准”中提出,“被动房”建筑的采暖热负荷应该低于10W/㎡。

这时候,作为被动式建筑的设计理念已经实现了,在这个基础上,为建筑提供采暖的热源就完全可以摆脱对传统采暖设备的依赖,设计者可以充分发挥想象力利用各种“免费”能源来为建筑提供热量。

德国舒适的供暖系统源自德国人的“抠门”,从法律条例、供暖设备到房屋结构设计,再到普通老百姓的生活习惯,节能、环保的观念贯穿始终。

当前,德国正在进行能源转型,德国政府希望减少二氧化碳的排放,削减煤炭的使用。中国是能源消耗大国,如何保障老百姓的生活,同时提高能源效率,要“大方”还是要“抠门”,或许是我们每个人都值得思考的问题。


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