節(jié)能建筑新起點零能耗建筑

瞿 燕（華東建筑設(shè)計研究院有限公司， 上海 200011）

1 研究背景

自 20 世紀(jì) 70 年代石油危機以來，世界各國開始意識到建筑節(jié)能的重要性，并開始制定建筑節(jié)能相關(guān)的政策和標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)建筑能耗分析軟件，以推動和強化建筑節(jié)能事業(yè)[1]。根據(jù)美國、日本及歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)建筑節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展情況可知，當(dāng)前各國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)包括兩類：一是以各類技術(shù)參數(shù)作為指標(biāo)，指導(dǎo)建筑設(shè)計等過程環(huán)節(jié)；二是以建筑整體能耗為指標(biāo)，對建筑運行能耗進(jìn)行約束[1]。從國際上來看，從“相對節(jié)能”走向“用能限額”形式的絕對能耗控制，是發(fā)達(dá)國家建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢之一。多個歐盟成員國的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)采用規(guī)定新建建筑整體能耗限額或排放指標(biāo)的方式，而不再單獨規(guī)定不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位的熱工性能系數(shù)[2]。丹麥、德國等國家對低能耗建筑給出了能耗指標(biāo)的絕對值要求[3]。美國、日本和歐盟等國家和經(jīng)濟體向建筑零能耗發(fā)展[4]。從目前各國對于零能耗建筑的探索和發(fā)展來看，一些發(fā)達(dá)國家和經(jīng)濟體政府在過去的 5～10 a 間相繼制定了邁向零能耗建筑的發(fā)展目標(biāo)，各個國家關(guān)于零能耗建筑的定義、名稱、路線、政策、推廣方式有所差異，并且都在尋找適合本國的零能耗建筑發(fā)展的技術(shù)體系和優(yōu)化路徑。

我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化工作從 20 世紀(jì) 80 年代開始，從北方采暖地區(qū)居住建筑起步，逐步擴展到了夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和公共建筑，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)也完成了 30% 節(jié)能率、50% 節(jié)能率和 65% 節(jié)能率三步走的跨越[5]。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展之后，初步形成了以建筑節(jié)能專用標(biāo)準(zhǔn)為核心的獨立建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系。發(fā)展更高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能建筑，是我國建筑節(jié)能工作深入開展的內(nèi)在需求，其中零能耗建筑作為在國際上被廣泛接受的理念，也引起了行業(yè)的重視。2019 年頒布實施的 GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》首次對零能耗建筑的概念和指標(biāo)予以明確的界定。其中，“零能耗建筑”被定義為：室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與近零能耗建筑相同，充分利用建筑本體和周邊的可再生能源資源，使可再生能源年產(chǎn)能大于或等于建筑全年全部用能的建筑[5]。

從全球建筑節(jié)能的發(fā)展脈絡(luò)來看，實現(xiàn)建筑能耗強度的不斷降低始終是發(fā)展目標(biāo)。無論基于何種定義，零能耗建筑均實現(xiàn)了建筑能耗的中和，因此在節(jié)能建筑的發(fā)展道路上，零能耗建筑似乎是奔跑的終點。但零能耗建筑是節(jié)能建筑的終點嗎？面對零能耗建筑，我們應(yīng)該保有怎樣的認(rèn)識與態(tài)度？要回答這一問題，需要對零能耗建筑的挑戰(zhàn)與機遇有充分的認(rèn)識。

2 零能耗建筑的難度分析

世界各國在零能耗建筑的實踐上相繼邁出腳步，但總體來看，在零能耗建筑的項目實踐上還未成規(guī)模，多呈單點的項目發(fā)展。究其原因，主要在于實現(xiàn)零能耗建筑有一定的難度和挑戰(zhàn)，可以歸納為如下三點。

2.1 最大限度降低能源需求

要降低建筑能耗，首先需要降低建筑的采暖空調(diào)、照明等需求，這是建筑本體設(shè)計需要完成的工作。如要降低建筑的能源需要，需要在建筑形體朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工、自然采光與通風(fēng)、建筑遮陽等方面開展精細(xì)化的設(shè)計。由于所處的地域、環(huán)境以及資源的不同，各國家和地區(qū)發(fā)展零能耗建筑需要有不同的技術(shù)路徑。以德國和中國為例：德國被動房對圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚保溫的要求適用于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件；但中國地域遼闊，氣候差異大，不同氣候區(qū)建筑物冷熱負(fù)荷差別較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚保溫并非都適宜。不同建筑功能類型在使用特征上有顯著差異，降低其能源需求的技術(shù)路徑也有差異。以商業(yè)建筑為例，大人流和高密度的設(shè)備導(dǎo)致室內(nèi)發(fā)熱量大，如何選擇適宜的降負(fù)荷措施這點就與辦公等類型有差別。

因此發(fā)展零能耗建筑需要因地制宜地考慮地域因素、氣候因素以及建筑本身的功能差異，需選擇適宜的降低需求技術(shù)措施。

2.2 最大限度應(yīng)用可再生能源

可再生能源是零能耗建筑技術(shù)體系中重要的組成部分。合理地使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能光電系統(tǒng)、太陽能照明系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)及風(fēng)電系統(tǒng)等技術(shù)是中和建筑自身能耗的必要措施。但太陽能光伏等可再生能源技術(shù)在目前的技術(shù)水平下轉(zhuǎn)化效率并不高，要實現(xiàn)零能耗的可再生能源供應(yīng)量需要充足的應(yīng)用面積，這與建筑通常可提供的面積資源有沖突。尤其是中高層的建筑項目，其總能耗需求更高，而能提供的太陽能利用面積資源有限，實現(xiàn)零能耗的難度較大，這也是當(dāng)前的零能耗建筑項目普遍體量較小的原因。同時，可再生能源的資源分布不均，無論是太陽能還是地?zé)崂?，在不同的地區(qū)可利用的條件有較大差異。

因此如何根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源和建筑自身條件進(jìn)行可再生能源應(yīng)用是零能耗建筑發(fā)展中需要解決的問題之一。

2.3 解決高成本代價

由于零能耗建筑需要通過高性能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效建筑能源系統(tǒng)、充足的可再生能源供應(yīng)和精細(xì)化運行管理與控制來實現(xiàn)，隨之會帶來建筑成本較高的問題。針對典型案例的研究表明，零能耗建筑在初建階段成本約為普通節(jié)能建筑的 1.4 倍。即使考慮太陽能發(fā)電所節(jié)約和結(jié)余的電能獲益，以及國家關(guān)于分布式光伏發(fā)電的補貼，零能耗建筑在生命周期內(nèi)（50 a）累計成本約為普通節(jié)能建筑的 1.1 倍[6]。

如何降低零能耗建筑的成本投入，更好地平衡零能耗建筑的生命周期成本和節(jié)能效益，是提高零能耗建筑市場可行性的重要問題。

3 理念更新與新材料發(fā)展

如前所述，零能耗建筑是建筑節(jié)能的未來，但在當(dāng)前階段也面臨多項挑戰(zhàn)，需要建筑節(jié)能行業(yè)做出更多的努力才能推動零能耗建筑在更大范圍的發(fā)展的應(yīng)用。要應(yīng)對挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計中更新理念，同時也依賴于新材料、新設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用。

3.1 理念更新

（1）重視氣候響應(yīng)設(shè)計。氣候響應(yīng)設(shè)計是指適應(yīng)氣候特征和自然條件，以氣候特征為引導(dǎo)進(jìn)行建筑方案設(shè)計，基于項目當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件、生活居住習(xí)慣，借鑒本地傳統(tǒng)建筑被動式措施進(jìn)行建筑平面總體布局、朝向、采光通風(fēng)、室內(nèi)空間布局的適應(yīng)性設(shè)計。以地域特征為基礎(chǔ)的氣候響應(yīng)設(shè)計，能夠以最小的經(jīng)濟代價營造一個優(yōu)良的建筑本體，為建筑節(jié)能創(chuàng)建良好的基礎(chǔ)條件，應(yīng)該成為零能耗建筑在設(shè)計時的首要原則?；谏虾５貐^(qū)的典型辦公案例研究表明，良好的朝向能夠降低供暖空調(diào)負(fù)荷需求 10%，良好的自然通風(fēng)設(shè)計可以減少空調(diào)運行時間 15%。

（2）堅持以能耗目標(biāo)為導(dǎo)向的建筑節(jié)能設(shè)計。常規(guī)的建筑節(jié)能設(shè)計是以節(jié)能措施的應(yīng)用為導(dǎo)向。對于零能耗建筑而言，設(shè)計中應(yīng)該轉(zhuǎn)變思路，以明確的能耗目標(biāo)為導(dǎo)向開展反向設(shè)計。所謂“以能耗目標(biāo)為導(dǎo)向的建筑節(jié)能設(shè)計”是指以建筑能耗指標(biāo)為性能目標(biāo)，利用能耗模擬計算軟件，對設(shè)計方案進(jìn)行逐步優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)定性能目標(biāo)要求的設(shè)計過程。基于能耗目標(biāo)為導(dǎo)向的定量化設(shè)計與優(yōu)化，分析計算確定各部分性能參數(shù)，圍繞能耗目標(biāo)，綜合考慮建筑本體設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備及可再生能源利用各部分的節(jié)能技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計與技術(shù)組合，以求相互配合，共同實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

（3）開展建筑整體氣密性設(shè)計。長期以來，我國建筑節(jié)能設(shè)計要求的是構(gòu)件的氣密性，只對外窗的氣密性提出要求。對于零能耗建筑，需要轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，開展建筑整體氣密性設(shè)計。建筑物整體氣密性，是在封閉狀態(tài)下阻止空氣滲漏的能力，可表征建筑物或房間在正常密閉情況下的無組織空氣滲透量。通常采用壓差實驗檢測建筑氣密性，以換氣次數(shù) n50，即室內(nèi)外 50 Pa 壓差下?lián)Q氣次數(shù)來表征建筑氣密性。零能耗建筑應(yīng)以建筑整體氣密性的控制作為設(shè)計目標(biāo)，對氣密層、門窗構(gòu)件、墻面洞口的設(shè)置予以重點考慮。

3.2 新材料應(yīng)用

（1）高性能門窗。建筑門窗是建筑節(jié)能關(guān)鍵之一，應(yīng)當(dāng)著重處理門窗的密封性能和保溫性能。我國各地目前應(yīng)用的節(jié)能門窗，其整體傳熱系數(shù)通常在 2.0 W/(m2·K)以上，氣密性通常在 6 級以上。而要實現(xiàn)零能耗，需要更高性能的門窗應(yīng)用。如按照德國被動房標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，通常外窗傳熱系數(shù)要達(dá)到 0.80 W/( m2·K)，外窗氣密性達(dá)到 8 級以上。該類高性能門窗，需要熱工性能更優(yōu)的窗框及玻璃，通常采用三玻兩腔中空玻璃、真空玻璃等高性能材料，而窗框除了塑鋼、鋁合金等傳統(tǒng)型材，也有鋁包木、鋁木復(fù)層、玻纖聚氨酯等新型的型材。為了保證更高的氣密性指標(biāo)，需要更嚴(yán)密的氣密性構(gòu)造。此外，對于夏季炎熱的地區(qū)而言，外遮陽也是重要的節(jié)能措施。將外遮陽與外窗一體化的產(chǎn)品，如中置百葉的節(jié)能窗，也是零能耗建筑應(yīng)用的選擇之一。隨著變色薄膜技術(shù)的發(fā)展，可以通過改變外窗玻璃的顏色來調(diào)節(jié)窗戶在冬季和夏季的太陽得熱系數(shù)，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)遮陽的新型技術(shù)選項。鋁包木窗框、四玻三腔、中置百葉組成的高性能外窗，如圖 1 所示。

圖1 高性能外窗（鋁包木窗框+四玻三腔+中置百葉）

（2）高效制冷產(chǎn)品。除了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫等被動式技術(shù)及可再生能源外，提高建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能效也是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的重要途徑。根據(jù)國家發(fā)改委等 7 部委聯(lián)合印發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》，到 2022 年，我國家用空調(diào)、多聯(lián)機等制冷產(chǎn)品的市場能效水平要在 2017 年的基礎(chǔ)上提升 30% 以上，綠色高效制冷產(chǎn)品的市場占有率提高20%；到 2030 年，大型公共建筑制冷能效提升 30%，制冷總體能效水平提升 25% 以上，綠色高效制冷產(chǎn)品的市場占有率提高 40%以上。不斷提升空調(diào)制冷產(chǎn)品能效，發(fā)展應(yīng)用磁懸浮等新型高效空調(diào)設(shè)備，將是推進(jìn)零能耗建筑發(fā)展的重要市場助力。

（3）光伏建材。光伏建材（BIPV）是指將太陽能電池組件與普通建筑材料結(jié)合成一體的新型建筑材料，如光伏瓦、光伏玻璃等。光伏建筑一體化適用于絕大多數(shù)建筑立面、屋頂和幕墻等。其主要優(yōu)勢在于集成的 BIPV 組件可以構(gòu)成建筑外立面或遮陽等裝置，大幅增加了建筑可提供的可再生能源應(yīng)用面積，兼具現(xiàn)場發(fā)電的功能，將建筑從耗能方轉(zhuǎn)變?yōu)楣┠芊?，為實現(xiàn)建筑零能耗和零碳排放提供一條可行的道路[7]。在我國“十三五”規(guī)劃中，明確提出了光電建筑發(fā)展的發(fā)展路線，到 2020 年末，力爭使新建光電建筑占新建綠色建筑的 25%，光伏建材有著良好的發(fā)展契機。早在2015 年，我國已經(jīng)發(fā)布了 CECS 418—2015《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)規(guī)程》，指導(dǎo)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化的設(shè)計、安裝、驗收與運行維護(hù)，以推動其在建筑的應(yīng)用。

4 從歷史維度看零能耗建筑的未來

回顧建筑節(jié)能的發(fā)展歷程，以歷史的眼光來看，任何新的節(jié)能理念和技術(shù)在出現(xiàn)之初都會經(jīng)受各種挑戰(zhàn)，但最終經(jīng)過歷史的演變和社會的發(fā)展而被逐步接受。通過節(jié)能外窗和光伏兩項產(chǎn)品的發(fā)展變化可以印證此點。

2001 年，JGJ 134—2001《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布，對居住建筑外窗傳熱系數(shù)的最低要求是4.7 W/(m2·a)，單層玻璃窗即可滿足要求，社會的接受度也在該水平。在當(dāng)時，無論成本，抑或技術(shù)，絕大部分人都不會接受應(yīng)用斷橋隔熱 low-E 中空玻璃窗。2015年，DGJ 08-205—2015 《上海居住建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》發(fā)布，外窗最低要求達(dá)到 2.2 W/(m2·a)以下，需要斷橋隔熱以及中空等要求才能達(dá)到?？梢姡瑑H 14 a 時間，外窗熱工要求提高 50%以上，這個變化的背后，是社會對建筑節(jié)能的更深了解和更廣泛接受、是門窗行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和成本降低。

另外一個顯著的案例是光伏發(fā)電。10 a 前，光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上應(yīng)用的突出標(biāo)簽是不經(jīng)濟、造價高、以發(fā)電效益計算的投資回收期過長。2009 年前后光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上應(yīng)用的系統(tǒng)單價，約在 30～40 元/WP。10 a 間，隨著光伏發(fā)電制造行業(yè)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本不斷降低。2019 年建筑工程項目上光伏發(fā)電系統(tǒng)報價已達(dá)到 5～6元/WP 以下。成本的大幅度降低，使得光伏發(fā)電建筑應(yīng)用的綜合效益大幅度提升，投資回收期越來越短，光伏發(fā)電系統(tǒng)也被更多的工程接受，成為一種被廣泛接受的可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)。

面對零能耗建筑，應(yīng)該保有怎樣的認(rèn)識與態(tài)度？從歷史的眼光來看，零能耗建筑發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)會隨著技術(shù)的進(jìn)步、行業(yè)的發(fā)展、社會的接受而逐步克服，有著光明而燦爛的未來。從更遠(yuǎn)的未來看，全球應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)，建筑節(jié)能的要求必然會越來越高，零能耗建筑是降低建筑能耗的完美解決方案，將會得到越來越高的重視度。零能耗建筑所面臨的挑戰(zhàn)與機遇也表明，零能耗建筑不是節(jié)能建筑的終點，而是新的起點，需要行業(yè)有更大的接受度和更多的技術(shù)投入。建筑節(jié)能從業(yè)者需要充分的接納、擁抱這種新的節(jié)能建筑理念，深入開展技術(shù)研究、工程實踐、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等工作，努力作為參與者推動零能耗建筑的發(fā)展和應(yīng)用，為地球的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

5 結(jié) 語

實踐表明，零能耗建筑面臨著能耗極度降低、可再生能源最大限度應(yīng)用與增量成本高企的三大困難。針對于此，從理念更新與新材料技術(shù)的應(yīng)用兩大方面提出相應(yīng)應(yīng)對措施。研究認(rèn)為，應(yīng)從氣候響應(yīng)、加強被動節(jié)能設(shè)計、提升建筑氣密性等設(shè)計理念著手，轉(zhuǎn)變設(shè)計思維，同時配合以高性能門窗、高效制冷產(chǎn)品與光伏產(chǎn)品的不斷更新提升，達(dá)到最終實現(xiàn)零能耗的目標(biāo)。任何新理念從提出到推廣都需要經(jīng)過時間的檢驗，在這一過程中，需要行業(yè)有更大的接受度和更多的技術(shù)投入。零能耗建筑不是節(jié)能建筑的終點，而是新的起點。