你见过以太阳能为唯一能源、承担自身能耗的高性能全尺寸房屋吗？
前段日子，在河北省张家口市张北县德胜村的中国国际太阳能十项全能竞赛（简称“SDC竞赛”）现场，15栋形态和风格各异、全部靠清洁能源驱动的绿色高性能房屋基本建造完毕。这些房屋将形成可持续生态示范社区，服务于2022年冬奥会。
值得关注的是，这些房屋的设计者和建设者来自全球10 个国家、29 所高校的大学生。其中，一栋面 积达147平方米、名为 “T&Ahouse” 的房屋由中国矿业大学与波兰 AGH 科技大学（波兰矿业冶金学院）、浩石集成房屋有限公司联手建造，是一座绿色节能、零能耗的房屋。
9月29日下午5点左右，“T&A house”的光伏系统成功并网发电。数据显示，光伏发电系统承担建筑自身能耗的同时，还完成了对储能电池的充电，并向电网输送电能。这标志着 “T&A house” 是一栋真正的产能建筑。
中国矿业大学建筑与设计学院建筑系副主任姚刚说：“目前，经过我们和赛场运营方的现场实测，现在房屋光伏系统每天能发电33千瓦时左右，而日常用电在4千瓦时到6千瓦时。”
组建跨学科团队，应用节能环保系统
SDC 竞赛是可持续能源建筑领域的顶级国际竞赛，有太阳能“奥林匹克”和绿色住宅“世博会”之称。自 2011 年落户国内以来，中国国际太阳能十项全能竞赛在山西大同、山东德州相继举办。
本届竞赛以“可持续发展、智慧互联、人居健康”命题为挑战，以“光耀我能”为主题。来自中、美、法等多国 29 所高校的参赛团队，需要设计并建造以太阳能为唯一能源、承担自身能耗（如采暖、制冷和照明等）的高性能全尺寸房屋，参与10项指标评比和公众展示。
为参加本次比赛，中国矿业大学与波兰AGH 科技大学组建了团队。这是一支跨学科、跨专业的国际化团队，成员包括建筑与设计学院、电气与动力工程学院、力学与土木工程学院、环境与测绘学院、安全工程学院、外国语言文化学院、人文与艺术学院7个学院、10个专业的50余名学生及10 名指导教师。团队与浩石集成房屋有限公司等联手参赛。
指导教师姚刚介绍，团队想要建造绿色节能、“零能耗”的房屋，融合中国传统元素和未来科技感，全面诠释北方典型四合院结构的设计理念。
“房屋的围合空间安装了能净化水的生物砂过滤器，打造出可加湿和增强美感的中庭。同时，房屋利用地源热泵技术，实现跨季节储能，完全依靠太阳能及被动式设计手段，实现了建筑的独立运行。”姚刚介绍。
值得注意的是，房屋的能源供给完全来自于太阳能。姚刚介绍，建筑屋顶使用了太阳能集热器，西墙使用了光伏瓦，廊沿上面使用了薄膜光伏，在可再生资源利用方面很有特色。“整个系统使用了光电、光热、地热三种能源。经过测算，建筑的产能大于整个建筑的耗能，符合‘零能耗’建筑的标准。”姚刚表示。
不断碰撞创意，实现跨季节储能
建筑耗能是指建筑物使用过程中的能量消耗。数据显示，在我国，建筑能耗占全国总能耗的1/3 左右，如果再加上建材生产过程中耗掉的能源，建筑相关的能耗将占社会总能耗的46.7%。
“我们生活中，要照明、热水、做饭、取暖、制冷等等。这些能量消耗从源头上讲，大部分来自化石能源。”团队队长、中国矿业大学力学与土木工程学院工程管理 2020 级硕士研究生韩飞虎介绍，团队要打造的是零碳建筑。“就是在建筑运行使用过程中，不消耗化石能源。能源全部来源于太阳能，二氧化碳排放量为零。”韩飞虎说。
利用太阳能为一座房屋的运转提供能量，并非易事。“我们要将太阳能转化为电能和热能。夏季太阳能比较充足，而冬季就略差一些。”韩飞虎表示。冬季需要的能耗，可不可以由夏季存储而来呢？团队经过创意碰撞，大胆地提出了这一想法。
目前，太阳能转换成电能和热能的技术已经很成熟。但是，如何将夏季光照产生的能量存储起来到冬季使用，实现跨季节性储能还是一个难题。
“我们利用自己研发的改良版地源热泵系统，在夏季将经过太阳能集热器产生的热水注入地下，给大地加热；冬季再进行提取。大地就相当于一个储热装置，助力我们实现跨季节性储能。”韩飞虎介绍。
传统的地源热泵系统提取大地的热能，但提取两三年后效果不佳。团队自主打造的地源热泵系统，将高效真空管集热器、地源热泵优化组合，组成了跨季节储能系统，可以将夏季过剩的能源转移到冬季使用，真正做到了因地制宜。
“我们的房子配有一口100米深的井，可以将夏季使用不完的热水注到地下，实现给大地补热和可持续性提热。”韩飞虎介绍。
融入绿色理念，探索能源利用效率
在“双碳”目标驱动下，团队在满足日常使用功能的同时，也在建筑中加入了节能的前沿技术。他们不仅使用了跨季节储能技术，而且结合张家口市的气候特点，利用新风、水处理及中庭水景等设施，营造了更安全且舒适宜居的环境。
在外貌上，房屋结合经典北方四合院结构特点，使用了模块化钢结构的设计形式。屋顶的太阳能板、边廊顶部的太阳能薄膜以及建筑西侧山墙面的光伏瓦三类光伏组件，发挥各自优势，充分利用太阳能为建筑提供充足电力。
结合张家口市夏季早晚温差大的特点，房屋北侧设置了蓄景观水池。作为景观的同时，观水池也可以在夏季夜间储蓄冷水，用于日间制冷，大幅度减少了夏季制冷能耗。在室内空气调节方面，房屋的中庭水池承担了室内景观、室内加湿器以及中水净化过滤器多个角色，实现一物多用、经济环保。
此外，房屋还致力打造智能、更人性化的室内环境。比如，一条语音指令，即可遥控室内顶灯和电动窗帘；一键触摸，便能实现对家用电器的远程操控。
“这次参赛和房屋建造过程，是我们利用未来建筑在能源高效清洁利用方面的一次有益尝试和探索。”姚刚说。联合赛队在能源利用、环境综合治理等方面提出了大量原创性构想，丰富了师生们在能源利用领域的实践经验。
竣工的房屋集成了光热、光电、地热等多种清洁能源，真正实现了绿色节能和“零能耗”。目前，房屋可用于参观和科普，后续会扩大用途。
