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通过适当的建设,法兰克福桥梁网络的供暖和制冷需求也可以自给自足

桥梁网络区域 135 万平方米的建筑空间供暖每年需要大约 40 GWh热能。 其中102.5万平方米的住宅建筑供暖需求 26 GWh。得益于其优化的结构,这些低能耗房屋每平米每年供暖的能源需求仅为 30 KWh。 另外32.5万平方米的非住宅建筑面积,由于运营时间长,而且需要补偿公共交通造成的热量损失,供暖需要 14 GWh的热能。制冷时,每年将从整个桥梁网络住宅建筑中提取26 GWh的热量并以地热能的形式储存在地下。 非住宅建筑的制冷将只使用电力驱动的空调系统。

章节内容:通过节能建设降低桥梁网络区供暖需求

供暖占法兰克福能源消耗的很大一部分。 因此,重要的是通过某些施工方法提高建筑物的能源效率,从而显着降低整个季度的供暖需求:所使用的建筑和保温材料以及建筑物的形状对此很重要。

除了现代低能耗房屋概念,特别是可持续的,传统的建筑材料和施工方法也被用于部分建筑组合。

此外,所有住宅建筑都配备了热活化表面,通过热泵可以利用浅层地热进行供暖或制冷。在低温天气利用地热能供暖,或者在需要制冷时通过浅层土壤进行冷却。

 

只有桥梁网络的非住宅建筑中使用电力驱动各种冷却系统进行制冷。

德国约四分之一的能源消耗用于家庭供暖

因此,法兰克福桥梁网络作为一个 “未来的展示”,必须大量减少供暖(和制冷)所需的能源

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无论是老建筑还是玻璃摩天大楼,许多现有建筑的能源效率还可以继续优化

通过能源证书可以发现,法兰克福的建筑每平米每年的平均能耗仍在150至200kWh之间。欧盟委员会的目标是推动建筑能耗最优标准至每年每平米30kWh。自2020年起,

 

德国的新建筑能耗不允许超过每年每平米55kWh。

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102.5万平米的桥梁网络住宅建筑作为低能耗建筑,每年需要约26GWh热能用于采暖

欧盟委员会的目标值为每平米每年30KWh。桥梁网络上的所有住宅建筑都需要遵循这一目标。由于使用了热泵技术,并且优化了建筑的建造和能源技术,所以目标是可以实现的。

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法兰克福桥梁网络上的所有非住宅建筑每年的供热需求为14GWh

在桥梁网络区的非住宅建筑群中,具体的热需求是在 “能源消耗值规则公告”(BAnz AT 16.04.2021 B1)和实践中的比较值的帮助下计算的。在计算中,假设热需求可以减少到公告中所述的已存在的非住宅建筑的三分之一。非住宅建筑的具体热需求随着建筑类型的变化而变化。对于计划中的建筑类型和桥梁网络上的使用分布,总需求约为14GWh/年。

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在法兰克福大桥的帮助下,从三种能源中收集了近440GWh/a的热能: 太阳热能、地热能和来自数据中心的废热--但桥上只需要40GWh/a的热量。

然而,必须考虑到这一点: 最终,438GWh/a的热量中只有238GWh/a可以实际使用:其余的由于地热储存的典型损失而损失,尽管有良好的绝缘和短距离运输。

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由于桥梁本身只需要大约40GWh/a,来自地下的238GWh/a热量中还有近200GWh/a。这些热量必须在冬季沿着桥梁提取和使用,否则地面会随着时间的推移而升温:在遥远的未来,收集到的剩余能量将用于供应桥梁沿线的邻近住宅和非住宅建筑--只要它们能够从热泵中获得空间加热。在那之前,必须找到其他消费解决方案。

即使有良好的绝缘和短距离,在地面上储存太阳能的效率总是只有30%。

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桥梁网络上的建筑供暖每年只需40GWh,但借助桥梁网络每年可收集400GWh的热量,并以地热方式储存起来。富余的热量可以(也必须)用于其他地方。

只要桥梁网络沿线的建筑群配备了热泵和热活化的表面,法兰克福桥梁网络就可以向它们释放热能。然而,由于燃气供热系统只有在20至30年的翻新和新建周期后才会消失,因此多余的热量必须用于其他地方。如果在冬季不从地面储水罐中提取热量,那么地面会逐年升温,这将对地下水产生负面影响,也可能对岩土条件产生影响。

 

桥梁网络沿线可能的消费者可以是游泳池或温室。在法兰克福,有许多温室,例如在棕榈园和奥伯拉德田地里。

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法兰克福桥梁网络沿线约有一半的温室可以在冬季利用地热库储存的热能进行加热

总面积约8.5万平方米的温室位于法兰克福大桥沿线。与住宅或非住宅建筑相比,它们在冬季每平方米消耗的热量明显更多。以热带植物为例,温室在冬季必须保持至少18℃的平均温度,其每平米每年平均耗热量超过400kWh。而种植欧洲植物的温室,在冬季温度不能低于5°到10°,每平米每年需要60~120kWh热量。

 

桥梁网络沿线的温室每年可以从地热储热库中获得约20GWh热量,以满足其热需求。这些地热储热库将在夏季借助桥梁网络再次被充满。

Shirin Kriklava Stiftung Altes Neuland Frankfurt
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桥梁上住宅建筑的空间供暖消耗量为26GWh/a,非住宅建筑为14GWh/a,以及桥梁沿线一半温室的消耗量约为20GWh/a,可由35GWh/a的地热能源和12GWh/a的太阳能热能加13GWh/a的热泵能源来覆盖。

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除地热外,冬季还可从其他来源获得约220GWh/a的热量

这些热量可以用来加热另一半的温室,这些温室的加热需求没有被地热能源覆盖。道路除霜或加热公交车站,在人们需要等待的桥上和桥下,也可以成为潜在的消费者,游泳池或桥梁附近的大型大厅也是如此。

 

一旦桥梁沿线的建筑物改用热泵供暖,它们自然会从这个庞大的(尽管只在低温下可用)"热源库存 "中优先获得热量。

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德国空调的能源需求正在增长

在中欧,在德国,夏天越来越热,在人民希望保持同样舒适度的情况下,对空调的需求越来越高。

 

桥梁网络上的建筑部分被沿桥的高大建筑物或排列在桥上的树木所遮蔽;但为了长期应对变化的气候状况,它们将在屋顶层配备冷却顶棚。

 

冷却天花板是像地暖一样的热激活的表面。唯一的区别是,它们从热泵接收被冷却的液体(盐水工质),并输出被加热的液体。

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为了能够以最佳的方式和能源效率进行冷却,桥梁网络上的建筑物的热优化必须在结构上就进行规划--就像供暖一样。

空调系统的能源消耗

即使2021年德国的夏天看起来相对凉快和潮湿,但预计未来几年中欧的夏天会越来越热。

 

在法兰克福大桥上,热泵不仅解决了供暖问题,还解决了空调问题:盐水作为循环工质,流经屋顶的光伏光热混合式收集器(热活化表面),将住宅楼收集的热量带到地下,储存在近地表的土壤中。夏天土壤的温度较低,土壤将被加热,地下的近地表热能系统将存入热量。同时盐水被冷却,再次流回屋顶,以此为房屋降温。这种住宅建筑的吸热冷却每年从屋顶吸收26 GWh的热量。

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住宅楼的冷却同时为地热能源的再生服务。

对于桥梁建筑的空间供暖,冬季必须从地下提取热量。为了防止地球经年累月的冷却,冬季提取的热量必须被 "再生"。这主要是在仲夏时节,借助于从建筑物中送入地面的热能进行冷却。

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如果人们总是从地球上提取热量而不把新的热量送下去,那么随着时间的推移,它就会变冷,人们在冬天就无法用它来取暖。然而,在法兰克福大桥上,夏季在冷却建筑物的过程中,从居民楼中提取了约26GWh/a的热量,并通过热泵送到地下用于再生。

法兰克福桥梁网络上的建筑将实现极低的热能耗

在桥梁网络的住宅建筑上,将达到欧盟规定的30千瓦时每年每平方米的目标。有几个因素影响这个数值,但最重要的是:

 

施工方法

建筑类型:单户住宅vs多户住宅,紧凑式建筑对剖分式建筑,梯田式住宅对独立式建筑

建筑物理学:建筑材料(砖、混凝土、木材、粘土等)和绝缘材料

 

能源技术

能源来源:天然气、石油、生物质颗粒燃料、(空气)热泵

密封:特别是窗户和门的密封

使用废气加热/冷却

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法兰克福桥梁网络,将使用许多不同的施工方法,不同的建筑和保温材料。

 

使用的能源是近地表热能和电力。用热泵提取近地表热能,用电力加热循环热水。

 

整体上通过适当的密封,以及部分通过对废气的无过滤直接热利用和适当的控制系统来优化能源消耗。

从能源的角度来看,排屋是最好的,因为每平方米的建筑面积有较少的室外空间散热

从能源的角度来看,单层独立住宅是最不利的。

 

由于内城地区的桥梁网络只有稀疏的人口和相对较低矮的建筑,所以节能优化较好的建筑主要在桥梁网络外围。 在2400座建筑中,约有500座是单层的、独立式的(其中一些有扩展的屋顶)。然而,通过成熟的隔热层设计,即使这些建筑也可以被设计得比当前的建筑更加节能。

 

另有1100座建筑为两层或两层半结构,600座建筑为三层或三层半结构。只有200栋楼有4层或更高。

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桥梁网络上约有一半建筑是旧式建筑风格,由于其建筑弧度结构,所以具有挑战性

无论是新艺术派还是威廉派风格:大量的塔楼、鸟巢、阳台和垛口剖开了建筑物的表面,为热量的耗散创造了更多的表面积。

 

如果不想失去阅读用的窗台或作为景观的书房塔楼,就必须采取更多的补偿措施。

 

另一方面,旧式建筑风格中的紧凑式建筑是成排建造的,得益于它们的大窗户朝南,其能耗几乎与现代排屋风格中的同类建筑一样好。

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曲线和高天花板也不利于实现最优的能源效率

但是如果利用所有其他节能方案,在这类建筑中也可以实现非常低的能耗。

 

如果为了最大限度地提高能源效率而只建造长排的矩形盒子是没有意义的。 建筑物的设计应使人们喜欢居住、工作或聚会用餐和进行其他活动。

 

法兰克福桥梁网络上的建筑也将在保持其奢侈的建筑风格的同时达到欧盟要求的能源标准,其目的是为人们创造人性化的住房和生活空间。

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紧凑程度由建筑的曲率以及排楼与单楼决定。

法兰克福桥梁上约2200座建筑的粗略分类

只有在初步规划过程中,才有可能准确地确定各个街区的哪些建筑具有哪种风格,从而在热能方面进行设计,这将需要几年的时间。

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在法兰克福桥梁网络,人性化的优美的建筑与优化的能源效率这两者将被创新性地结合起来。

单调的建筑让人感到压抑,而美丽、成功的建筑则受到人们的喜爱:它有一种安慰和振奋的作用--几乎每个人都有这样的经历。

 

创新的能源技术使得在法兰克福桥梁网络实现不同人群喜欢的全部住房类型成为可能:无论是老式建筑还是现代建筑--所有的设计都是为了节能和人性化。

除了建筑类型外,所使用的建筑材料在建筑能耗方面也起着重要作用

法兰克福桥梁网络使用的建筑材料有四个标准:

1.它们必须具有良好的绝缘性能

2.它们必须是可持续的,考虑到整个生态的情况

3.它们不得构成火灾危险或增加火灾的风险。

4.由于桥梁的特性,它们必须相对较轻。

每种建筑材料在四个过滤标准的组合中都有其优势,因此,完全不同的材料也被用于桥梁网络上,真正实现了提供创新展示的概念。

 

其中一些是传统的、久经考验的建筑材料和建筑方法(如木材框架),但其他的是现代的、创新的建筑材料(如用圆铁、铁丝网和石灰石膏以及石灰水泥石膏制成的拉比特建筑)。

 

在什么地方使用哪种材料,要根据各部分的建筑风格来决定,也要考虑到当地的情况。 例如,想用古典的半木结构建造超现代的球形建筑是没有意义的。

桥梁本身每个部分的设计也是选择建筑材料的一个因素:例如,如果桥梁在一个点上由多根柱子支撑,那么它上面的建筑也可以用凝灰岩制成--尽管这天然石材比半木质材料更重,但它仍然相对较轻,可以被工匠很好地加工,对生态环境没有影响,而且不会燃烧。

各种类型的多孔混凝土因其轻质、良好的可设计性和无需额外保温措施的隔热性能,成为法兰克福桥梁网络最重要的建筑材料类型之一。

多孔混凝土属于轻质混凝土,尽管严格来说,它根本不是混凝土,因为它不包含任何骨料。

 

多孔混凝土具有出色的隔热性能,这是通过内部存在的许多气室实现的。因此,符合低能耗房屋标准的外墙可以用多孔混凝土建造,不需要额外的保温措施。

 

它完全适用于各种建筑风格,尤其适合艺术手工风格建筑使用。

 

相对较低的密度只对隔音性能有不利的影响,而且由于有许多孔隙,透湿性相对较差。

 

然而,已经有许多创新的解决方案来解决隔音和防潮方面的缺点。因此,多孔混凝土是法兰克福桥梁网络最多样化的合适的材料,特别是在老建筑风格的街区部分。

法兰克福桥梁网络同时也依赖于传统的可持续建筑材料

木材和粘土都是可持续的,在某些设计中可以发挥出其相对较轻,绝缘性好,(经过适当处理)阻燃的优点。如果没有用于保温或结构改善的补充材料,两种材料都无法达到最佳效果。在法兰克福桥梁网络上,我们的目标是根据街区某部分的建筑风格(届时将以不同的建筑方法为准),在其建筑中实现最多样化的建筑方法和传统与可持续建筑材料的组合。在多年科学研究的努力下,将确定在二氧化碳排放和可持续性方面的最佳建筑方法。例如,法兰克福南部的德意志银行竞技场停车场上方的桥段就很适合建造半木结构房屋。在2.7万平方米的场地上,将打造一个向法兰克福老城致敬的地方。法兰克福老城区的一些房屋是半木结构艺术的杰作,至今仍能提供良好的生活氛围。

Wikipedia  Haus-wertheym
Wikipedia Frankfurt,_Große_Rittergasse_79

向传统建筑学习: Weilburg的Pisé之家由夯土制成

约三分之一的人类生活在土制建筑中--但这些建筑通常只有一到两层楼高。

 

在德国的Weilburg镇,矗立着最高的夯土房屋,即建于1828年的五层楼高的 Pisé之家。

 

在缺乏木材和天然石材的情况下,当时在该地区建造了几座这种类型的建筑。这种建筑艺术现在已被遗忘,值得探索。因为这些房子今天仍然可以居住,例如, Pisé之家刚刚被翻新为一栋公寓。

Wikipedia  Weilburg Hainallee

更多的新领域:著名的Rabbitz结构,由圆铁、铁丝格子梁、石膏基座和内侧的石灰石膏以及外侧的石灰水泥石膏构成。

Rabbitz结构是桥梁网络上建筑的理想选择,因为其主要建筑材料石膏具有许多优点:作为一种纯天然产品,它不含污染物,有助于降低二氧化碳排放,还可以无限次地回收。此外,由于封闭的水,石膏是不易燃的,甚至有阻燃作用。由于其低导热性,石膏可以长时间保持热量—这在供暖方面是一个很大的优势。其多孔的表面可以很好地吸收水分,从而可以调节室内气候。

 

只有一个缺点:石膏有一部分是水溶性的。因此,在室内使用石灰石膏,在室外使用石灰水泥石膏。在两者之间,有空间用于保温,它可以由各种材料组成(例如草、麻等,还可以采用珍珠岩)。

Martin Ranft
Martin Ranft

通过建筑材料和建筑技术的组合,可以使如下材料达到必要的U值*,以实现低于每平米每年30kWh的采暖能耗目标。

法兰克福桥梁网络也是现代建筑物理学的创新展示。借此各种建筑材料、组合和绝缘系统都可以在长期试验中得到尝试和进一步研究。

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桥梁建筑组合中两座建筑的计算实例:在没有优化的情况下,U值超过了100kWh/m2

在优化后,建筑物成为低能耗建筑

 

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无论建筑物和建筑材料的类型,供暖系统用燃油、燃气加热还是用热泵系统加热的决定对欧盟制定的住宅建筑取暖能耗的目标(每平米每年30 kWh)影响最大。

传统的供暖过程是通过油、气或生物质颗粒等燃料燃烧来进行的。

 

在碳减排措施的背景下,热泵现在已经成为首选。热泵系统不需要燃烧燃料,其工作原理与冰箱的工作原理类似,但是系统的运行方式不同。

 

热泵仅使用少量的电能,75%的热能(在COP=4的情况下)来自环境,如空气、土壤或太阳能系统的盐水。

 

压缩过程将环境友好型的制冷剂带到更高的温度水平,以加热供热管道中的水。

 

在法兰克福桥梁网络中,所有建筑都将配备大面积的墙面、地面集成换热器

该加热系统也有小小的缺点:无论是墙壁、地板还是窗前的踢脚板,你必须知道其中加热环路的具体位置,以避免不小心把钉子钉在上面;地板采暖是一种相对来说比较迟钝的采暖方式。人们都不希望在中午就已经开始供暖,直到晚上8点回家才感受到热度。此外还有地板加热器,从那里吹出的暖风在空气中也会扬起令人不快的灰尘,像空调一样。这对于过敏症患者和哮喘病人是一个极其困扰问题。

 

为了弥补这些现代气候友好型技术对舒适度的负面影响,还将在建筑中额外安装几个利用(如燃料电池产生的) 高温运行的小型传统暖器。这些暖器只在过渡时期等特殊情况下使用。例如,晚上只需要一两个小时的热量,而地暖反应缓慢,打开后需要太长的时间来重新加热;或者在寒冷的冬天,热量需求大,可作为储备热源。

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进一步的措施: 密封和使用建筑物的废气热量

密封良好的门窗,包括天井和阳台的门,有助于节省供暖能源,这一事实是众所周知的,而且多年来一直是常见的做法,甚至在新建筑中也是如此。

 

鲜为人知也不太受欢迎的是利用房间里的废气热量来预热进入的空气。原理很简单:你想摆脱陈旧、闷热的空气,但你不打开窗户来做这件事;相反,你把空气抽出来,用一个管道引到外面。在这个管道内有第二个管道,新鲜但明显较冷的空气通过这个管道流进来。在地板和墙壁供暖之前,温暖的废气会对其进行预热。

 

唯一的缺点是,在这个系统中,进入的空气要通过一个过滤系统。而来自过滤系统的气流通常并不令人愉快--至少对于客厅来说是这样。

 

相反,有一种解决方案,不使用过滤器,但完全由金属或陶瓷制成,并且易于清洁:所谓的旋转式热交换器,尽管应该注意到,"交换器 "一词在热技术方面有些模糊。这是因为没有交换,只有能量的片面转移。然而,结果是明确的:加热一个房间需要更少的能量。

空气只流过金属或陶瓷,中间没有过滤膜,所以这可能成为病菌的滋生地

转子由一个小型电机驱动。一半朝向内部排气气流,而另一半侧面朝向外部送风口。

 

旋转式热交换器用于将热量从温暖的废气转移到寒冷的新鲜空气。为此,排风和送风流经相同的圆柱形、可旋转的金属结构:排出的废气加热了滚筒中的金属结构,废气被冷却。滚筒缓慢地转圈,使被加热的部分与外面的冷空气接触,将热量传递给新鲜的冷空气。同时金属在滚筒结构中渐渐冷却,随后被废气再次加热。

 

这项技术的传热效率高达85%。这意味着流出房间的暖空气会将85%的热量传递给新鲜的冷空气,所以只需要少量加热即可维持室内空气温度。

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结论:法兰克福桥梁网络的施工方法、建筑材料和能源技术都以供暖和制冷的节能为目标

基于“创新展示 ”的原则,在桥梁建设中采用木材、粘土等可持续的建筑材料和Rabbitz结构。

 

对于桥梁网络的每一个部分都需要精确调查,哪些建筑材料最适用于哪些建筑形式。

 

所有2300座建筑采用的能源技术也同样需要创新。建筑物的供暖和制冷通过与近地表地热能的耦合进行了优化。这种方案可以用于所有配备了大面积换热器的建筑物。

 

在桥梁网络的建筑施工过程中将结合多种减少能耗的措施,桥梁网络上所有的房屋都将符合最新的低能耗的要求。