零能耗建筑技術研究現狀與發展展望

王志勇，王 俊，劉暢榮

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

零能耗建筑技術研究現狀與發展展望

王志勇，王 俊，劉暢榮

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

回顧了零能耗建筑的發展歷程，在分析零能耗建筑內涵的基礎上，介紹并討論了國外零能耗建筑的政策與發展規劃。對零能耗建筑在理論研究、建筑用能策略及優化、可行性分析與經濟評價等方面的國內外研究現狀作了評述，最后從目標規劃、政策引導、標準規范、技術體系、產業支撐、監測評價等方面對我國零能耗建筑技術作了研究展望。

零能耗建筑；近零能耗建筑；建筑節能；可再生能源

當前，建筑能耗已超過工業能耗和交通能耗，占全球總能源消耗的41%，給能源安全、社會可持續發展帶來了嚴峻挑戰。建筑節能已成為世界范圍內節能領域的重點，建筑節能未來的發展方向是建筑近零能耗，甚至是零能耗。關于零能耗建筑（zero energy building，ZEB），最早可以追溯到1976年，丹麥技術大學的T. V. Esbensen首次提出了零能耗建筑（住宅）（zero energy house）一詞[1]。自20世紀70年代以來，歐美各國極力推動零能耗建筑的發展，且已得到了建筑界的熱切關注。

1 零能耗建筑的內涵與發展歷程

國際上許多國家提出了零能耗建筑及類似概念。1992年，德國Fraunhofer太陽能研究所的K. Voss教授提出了無源建筑（energy autonomous house，也稱self-suf fi cient solar house）[2]，并且進一步提出了零能耗建筑[3]。P. Torcellini對net zero site energy, net zero source energy, net zero energy costs, net zero energy emissions等4類不同的零能耗建筑的理論定義進行了對比與區分[4]。類似的零能耗建筑定義還有加拿大的零能耗太陽能社區（net zero energy solar communities），美國的零能耗住宅（zero energy home）、凈零能耗公共建筑（zero net energy commercial building），英國的零碳居住建筑（zero carbon home）等[5]。雖然關于零能耗建筑的定義有些不同，但其內涵基本一致，即通過各項節能措施的運用以及最大限度地應用可再生能源，達到建筑能耗與建筑產能之間的平衡[6]。

實際上，零能耗建筑往往要求通過高性能建筑圍護結構、高效建筑能源系統和精細化運行管理與控制來實現。目前，要達到建筑零能耗的目標還比較難，且即使達到，其建筑成本也較高。鑒于此，目前國內外更加廣泛認可的是實施近零能耗建筑（nearly zero energy building，NZEB）[7]。歐洲不同國家對“近零能耗建筑”的定義以及稱謂方式多種多樣，比如1988年瑞典Lund University的B. Adamson和德國Institut für Wohnen und Umwelt的W. Feist首次提出了被動房（passive house）[8]的概念。瑞士的R. Kriesi博士和H. Uebersax博士共同提出了迷你能耗房（minergie）的概念，意大利國家建筑研究中心的S. Fattor和F. Ruf fi ni博士提出了氣候房（climate house）[9]的概念，丹麥、法國、德國等提出了主動房（active house）的概念，這些都是近零能耗建筑稱謂的不同表現形式。由此不難發現，世界上不同國家對ZEB的定義都有所差異，而且其內涵和外延也有所變化。

2 國外零能耗建筑的政策與發展規劃

當前，世界各國依據本國國情，研究探討或制定了主要針對新建建筑的零能耗建筑行動方案和中長期發展目標，其中美國、歐盟、日本、韓國等，在零能耗建筑的推廣應用上取得了一定的成果，對零能耗建筑的研究與建設起了較大的促進作用。

美國于2008年發布了《Zero Net Energy Commercial Buildings Initiative》計劃。2009年，由《美國環境、能源與經濟績效領導行動（Federal Leadership in Environmental, Energy and Economic Performance）》提出了強制性節能要求：自2020年起，所有計劃新建或租賃的聯邦建筑必須以零能耗為導向進行設計，使建筑物可在2030年達到凈零能耗；到2040年，50%的既有公共建筑達到凈零能耗要求；到2050年，所有公共建筑達到凈零能耗。自2020年起，住宅建筑將實現以凈零能耗為導向設計，到2030年達到凈零能耗的目標。

歐盟于2010年發布了《建筑能效指令（Energy Performance of Building Directive Recast）》（修訂版），要求各成員國應確保所有政府擁有或使用的新建建筑在2018年達到近零能耗，所有新建建筑在2020年達到近零能耗[10]。雖然歐盟各國對“近零能耗建筑”的定義和技術路徑有所不同，但是大多數國家還是給出了相對明晰的發展目標[11]（見表1），并且已經開始出臺各種計劃或有關法律來執行這項指令，比如英國推出了永續住宅技術規則（Code for Sustainable Homes）。

日本于2010年發布了《能源基本計劃》提出了本國的零能耗建筑發展目標（見表1）。韓國2009年發布的《綠色增長國家戰略及五年計劃》提出：到2017年，實現被動房建筑目標；到2025年，全面實現零能耗建筑目標[12]。

表1 部分國家的零能耗建筑發展規劃Table 1 Zero energy building development planning in some other countries

3 國內外零能耗建筑研究現狀

近年來，零能耗建筑技術已成為建筑節能領域研究的前沿熱點，相關研究報道主要見諸于國外文獻資料，國外零能耗建筑已經形成了相對完整的知識體系，主要包括理論研究、建筑用能策略及優化、可行性分析與經濟評價等方面。

3.1 理論研究

理論研究主要包括零能耗建筑的邊界劃分、能耗計算的邊界范圍、衡量指標、能源轉換系數、平衡周期等。A. J. Marszal等認為，發展零能耗建筑面臨兩方面的挑戰：一是對零能耗建筑進行統一清晰地定義，二是能量平衡的界定，并對比和分析了12個零能耗建筑的定義以及算法[13]。I. Sartori等從邊界條件、轉換系數、平衡、匹配特性以及測試等方面對零能耗建筑的定義進行了較為全面的架構[14]；提出了零能耗建筑能量平衡方程，明確分析了平衡方程中各項因子的定義及相關影響因素[15]。P. Torcellini等討論了零能耗建筑的計算邊界及并網問題，并對4類不同的零能耗建筑的理論定義進行了對比與區分[4]。P. Hernandez等提出life cycle zero energy buildings的概念，完善了零能耗建筑理論[16]。J. S. Bourrelle通過對比建筑物無需外來能量和降低外來能量，強調了建筑與外部環境的能量流動關聯的重要關系[17]。A. Robert等認為零能耗建筑對天氣依賴嚴重，僅僅使用典型氣候難以得到建筑能夠達到零能耗的定論，建議模擬過往多年的氣象數據，進而降低氣候參數對建筑零能耗的影響[18]。

與國外相比，我國對零能耗建筑的研究才剛剛起步，在理論方面的研究較少。張時聰等對零能耗建筑概念中的邊界劃分、計算范圍、衡量指標等進行了詳盡分析[5]。封換換等分析了零能耗建筑既有定義中的衡算指標，并對常規定義中的時間、空間2個研究尺度進行了討論[19]。

3.2 建筑用能策略及優化

零能耗建筑技術是多能源系統和多節能技術的集成，即開源與節流的集成。開源是高效利用可再生能源，節流是利用建筑保溫體系、氣密性保障技術、LED照明、地源熱泵空調技術、光熱技術和光伏建筑一體化等主被動式技術，盡最大可能地降低能耗。D. H. W. Li等總結了零能耗建筑中的可再生能源利用方式以及能源利用效率，指出零能耗建筑涉及2個方面的設計策略：一是可再生能源利用技術，如地熱、光熱、風能和光伏等；二是能源需求最小化技術手段，如在圍護結構、機電系統、室內環境等方面提高能源的利用效率[20]。目前，歐美發達國家正在不斷研究與實踐零能耗建筑，其被動式設計技術以當地氣候為依據，并從材料、構造、體系等各方面進行了深入研究，形成了較成熟的設計、建造和評價技術體系[21-23]。零能耗建筑除了通過被動式技術使建筑物能耗達到最小，即“需求最小化”之外，還應通過主動式技術實現設備的高效運行，利用太陽能和地熱能等可再生能源和高效的建筑能源系統，滿足建筑能源的需求，實現“供給最優化”[24-25]。E. Musall等對德國、美國、加拿大等國家的282棟零能耗示范建筑使用的技術進行匯總后發現：太陽能光電、太陽能光熱、建筑遮陽、機械通風熱回收、免費供冷等技術應用的比例相對較高，高性能保溫結構和光伏系統、太陽能熱水系統以及熱泵可再生能源應用系統等節能技術應用最為廣泛；其次是自然采光、遮陽系統、被動通風等被動式技術的應用[26]。H. Lund等分別從微觀和宏觀角度探討了在零能耗建筑中出現的產、用能不匹配問題，并且對產用能的不匹配率進行了量化[27]。S. Attia等分析評價了零能耗建筑的既有評價優化方法和工具，鑒于模擬中出現的高度耦合性以及非線性的性能特征，指出建筑性能模擬應采用進化算法[28]。S. Bucking等選用混合演化算法對某零能耗建筑的性能進行了模擬分析，并得到了優化方案[29]。D. Kolokotsa等分析了影響零能耗實現的重要因素，例如建筑優化方法、建筑性能模擬等[30]。目前國內這方面的研究不多，代表性的文獻有：楊柳等從被動式設計原理出發，提煉了實現超低能耗建筑設計的關鍵技術問題[31]。LIU Z. B.等分析了太陽能熱電制冷技術在零能耗建筑中的應用[32]。

3.3 可行性分析與經濟評價

分析當地的氣候情況和可再生資源狀況，是建造零能耗建筑的基礎工作。通過對零能耗建筑研究和實踐的對比，總結技術體系、新能源利用、政策規劃等方面的特點，并通過實際案例的經濟性評價和后期運營管理，可為零能耗建筑發展提供可行性參考，以利于尋找適宜的建造技術和設計策略。目前，國外這方面的研究比較深入，值得借鑒[33-35]。如A. Audenaert等針對比利時被動式建筑、低能耗建筑及標準建筑進行了經濟分析[36]。G. C. D. Gra?a 等驗證了歐洲南部地區典型獨棟住宅實現零能耗的可行性[37]。Wang L.等運用Transys和Energy Plus模擬驗證了英國住宅建筑實現零能耗的可能性[38]。J. Kurnitski等運用凈現值法分析了零能耗建筑在全壽命周期內的經濟性，并總結歸納出適用于零能耗建筑的七步法[39]。黃春成選擇新疆首座超低能耗節能示范建筑作為研究對象，用 Ecotect模擬分析了各種節能技術在新疆地區運用的適宜性[40]。國外對近零能耗建筑的增量成本研究比較成熟，根據國外的經驗，建造近零能耗建筑比普通建筑經濟成本高。因為缺乏經驗和數據，我國對近零能耗建筑的增量成本目前只能進行粗略估測，在這方面的研究工作還有待進一步深入。

4 我國零能耗建筑發展面臨的問題與展望

在全球資源和能源短缺加劇的大背景下，零能耗建筑由于基本不消耗常規能源，逐漸受到社會各界的認可和重視，日益成為關注和研究的焦點[41]。特別是在過去10 a左右的時間里，很多發達國家提出了零能耗建筑的發展目標和規劃，并出臺了相關激勵政策，投入了大量研發力量并積極付諸工程實踐，有力推動了零能耗建筑的發展且已取得一定成果。我國尚處于零能耗建筑發展的初級階段，在目標規劃、政策引導、標準規范、技術體系、產業支撐、監測評價等方面與發達國家之間還有較大差距，還有很多問題亟待解決。

4.1 科學合理設定基于國情的中長期發展目標及規劃

放眼世界范圍內零能耗建筑的發展，各主要發達國家在政府指令、技術發展目標等文件中對零能耗建筑發展做出了中長期規劃，有些國家還給出了相對明晰的發展目標。然而，我國建筑節能工作起步晚、基礎差、底子薄，節能評估與能源消費計量工作相對滯后，建筑節能不是一朝一夕的事情。而且，中國發展零能耗建筑有其特殊性，室內環境、建筑特點、氣候差異、生活習慣、用能特點、能源核算方法等方面都與發達國家不同，因此不能盲目照搬國外的經驗和做法。清華大學朱穎心教授在“2011年國際低碳城市暨可持續建筑環境技術研討會”上指出，中國當前不適合發展“零能耗建筑”，因為中國與發達國家不同，建筑形態主要是高密度聚居區，難以提供支撐零能耗建筑的太陽能板、地源熱泵管道等技術手段所需要的用地，而且大型住宅建筑也不宜使用中央空調，否則能耗會遠超分體式空調；另外，還要根據地域特點，選擇適合使用地源熱泵或水源熱泵等可再生能源利用技術，否則反而會增加能耗。鑒于此，中國建筑科學研究院徐偉教授指出：近零能耗是大家普遍認同的目前發展的主要階段，而且我國實現建筑近零能耗化也不能一蹴而就，需要考慮中國的國情，統籌規劃，設定中長期發展目標，以利于近零能耗建筑在我國的健康持久發展。中國被動式超低能耗建筑聯盟曾提出30-30-30的發展目標，即：到2030年，30%的新建建筑要達到超低能耗即近零能耗，可再生能源滿足新建建筑30%的能耗，既有建筑通過改造30%達到超低能耗。專家估計，未來可能需要50 a或許更長時間，才能實現新建建筑的近零能耗化和既有建筑的近零能耗化改造，從而逐步實現建筑超低能耗。

4.2 健全相關政策引導和激勵機制

發達國家紛紛出臺相關的政策和激勵機制推進零能耗建筑，比如：歐盟部分國家已明令加強建筑可再生能源應用，丹麥從1981年開始補貼建筑可再生能源應用。美國則允許在聯邦層面法律法規的基礎上，各州可根據各自實際情況和氣候條件制定適合于各州的獨立能耗政策。日本為了促進零能耗建筑的發展，從完善政策法規制度、強化政策激勵、支持企業開展技術研發、示范帶動等方面采取措施，取得了一些值得借鑒的經驗[10]。日本還制定了從基準建筑、超低能耗、近零能耗到零能耗的建筑節能政策路線圖。2012年開展了住宅、公共建筑物的零能耗化推進事業，啟動零能耗住宅建設激勵活動。韓國出臺了一系列財稅政策，對零能耗建筑進行補貼，包括從容積率、財產稅、公積金貸款、企業所得稅等方面給予財稅補貼，從被動式技術、可再生能源以及建筑能源管理系統等方面進行實際項目補貼和基金支持，用以抵消零能耗建筑的增量成本。

我國零能耗建筑的發展尚處于起步階段，近零能耗建筑在我國建筑市場推廣仍以政府強制推廣為主。目前，我國正借鑒國際經驗，強化政策激勵措施，如山東、河北等省市已相繼出臺了一系列補貼政策促進近零能耗建筑的發展，住房和城鄉建設部也將研究制定推動被動式超低能耗綠色建筑發展的激勵政策。

4.3 加快相關標準體系構建和法規對接

為了實現歐盟的能效提升目標，各成員國都積極推進零能耗建筑的發展。歐洲節能減排發展較好的國家已經建立了相應的超低能耗建筑標準體系，推動了歐盟的能效提升工程。德國的低能耗建筑包括產品質量保證與標識研究所認證體系下的低能耗建筑、被動房、3升房、高能效建筑。德國被動房研究所編制了被動房設計手冊、被動房計算軟件、被動房評價認證標準、被動房部品認證標準。瑞典頒布了低能耗建筑（minienergi）和被動房2個自愿性標準。挪威擬定了低能耗建筑和被動房標準NS 3700。芬蘭制定了低能耗建筑和被動房標準RIL249—2009。奧地利2008年建立了建筑能效認證制度，根據建筑采暖需求將建筑劃分為幾個等級，分別為A++，A+，A到G，其中A+相當于被動房的標準，A++是最優等級。瑞士2003年制定了針對低能耗建筑認證的標準Minergie，認證標識分為Minergie、Minergie-P和Minergie-ECO/P-ECO三類，其中Minergie-P相當于瑞士的被動房。

目前，近零能耗建筑雖然在國內日益受到重視，但是由于缺乏相關標準或規范，已經建成的被動房均參照德國的標準來設計，其核心技術指標都基于歐洲的氣候條件。其實我國5個熱工分區的氣象條件差異很大，不能盲目參照德國標準，應建立與采暖度日數、空調度日數相關的被動房能耗標準，確定被動房室內舒適度標準和模擬計算邊界條件[42]。應該根據自身國情，充分考慮氣候特點、居民生活習慣、建筑特點和能耗情況，制定被動房能耗指標體系[43]，實現被動房設計標準的本土化，對接我國法規和建筑標準體系，為我國不同氣候區的被動式超低能耗建筑建設項目提供設計指導[44]。

2015年10月，在充分借鑒國外被動式超低能耗建筑建設經驗并結合我國工程實踐的基礎上，我國居住建筑《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）》頒布。其明確了我國被動式超低能耗綠色建筑的定義、不同氣候區技術指標及設計、施工、運行和評價技術要點，為全國被動式超低能耗綠色建筑的建設提供了指導，這標志著我國正式步入近零能耗建筑發展階段。2016年，國家工程標準計劃——《近零能耗建筑技術標準》正式立項，預計該標準2018年完成報批，2019年實施。

4.4 構建適合國情的零能耗建筑技術體系

雖然各個國家關于零能耗建筑的定義、名稱、路線政策和推廣方式不盡相同，但各國都在尋找適合本國零能耗建筑發展的技術體系和優化路徑。我國現階段處在零能耗建筑發展初期，技術研究尚不成熟，還未健全適應我國不同地域氣候特征的零能耗建筑技術體系，應積極借鑒發達國家（地區）的實踐經驗和數據，但必須注重與本國國情的緊密結合。清華大學江億院士在接受《中華建筑報》記者采訪時說到：現在世界上已有的建筑節能新技術、新方式基本上都可以在國內找到工程應用案例，但是所有這些建筑無一座真正意義上的零能耗或超低能耗建筑，其能耗大都高于同類型的一般建筑。江億院士的尖銳評論，折射出我國零能耗建筑領域存在盲目的技術崇拜和技術堆砌。

我國的經濟發展水平、室內環境標準、建筑特點、建筑技術和產業水平以及人們的生活習慣，都和歐美國家存在較大差異，因此理應構建符合中國國情的零能耗建筑技術體系。另外，我國地域廣闊，由于地域性的差異，不同地區的氣候條件、地質條件、水文條件、生活習慣等均不盡相同。同時，即便是同一地區，隨著季節的變遷、氣象狀況的變化、晝夜的交替，這些都會導致相同建筑物的可用能源種類及能源效率不同，建筑總體能耗不同。因此，必須考慮技術的適用性問題和地域性問題。我國零能耗建筑技術體系的優化途徑應側重于以下幾點：建筑負荷及能耗的準確預測，降低建筑負荷及能耗的被動式技術，高效建筑能源系統，可再生能源高效轉換與利用，零能耗建筑運行優化控制，建筑能耗監測與評價 。

4.5 加快自主研發，引領技術升級，提升產業支撐能力

雖然我國在節能建筑建造施工以及建筑材料的研發生產上已經具備了一定的基礎，歐洲被動房建筑所要求的材料和設備，在我國大多都有相同或者類似的產品。但是與國外相比，國內相關材料和產品在生產工藝、性能方面還有一定的差距，配套技術和產品的研發以及產業化水平還有待提高，例如：高效保溫系統的配套密封材料、有效的熱橋處理措施和構造等。一些高效節能設備及建筑材料仍然需要從國外引進，例如氣密性套環等。另外，國內很多新型設備及材料的安裝技術要求，沒有可供參照的標準或規范，這其中有技術原因，也有市場規模較小、經濟成本較高的原因。現階段，我們應加大自主研發力度，通過市場競爭和擴大規模，提升相關設備、材料及產品的性價比，實現標準化、工業化，促進產業升級，提升產業支撐能力。

4.6 科學推進工程示范、后續監測和評估認證工作

近年來，我國也開展了近零能耗建筑的示范工程建設實踐。2010年上海世博會上的“德國漢堡之家”是引進的第一座經過認證的近零能耗建筑。2014年，住建部組織開展“被動式超低能耗綠色建筑項目”，啟動了漢堡之家、在水一方、溪樹庭院、布魯克、幸福堡等項目的建設。依托中德、中丹、中美等國際合作平臺，以及中央和地方政府的積極推動，我國在近零能耗建筑的推廣方面發展很快，目前全國在建或者建成的案例大約為100 項，國內掀起了被動式超低能耗建筑的應用熱潮。我國近零能耗建筑的發展雖然比較快，但是與德國、美國等發達國家相比，還相去甚遠。比如：德國有6萬多座被動房；截至到2010年，奧地利的被動房也已達到8 500棟。下一階段，我國應根據中長期目標，遵守市場規律，有序推進近零能耗建筑的健康發展。這里，技術性應該不是主要問題，關鍵是經濟性問題。在近零能耗建筑的推廣過程中，如何提高性價比是一個需要首先解決的難題。近零能耗建筑的收益和所增加的額外投資是否能夠平衡，從而被市場所接受，這也是影響近零能耗建筑推廣的關鍵因素。如果不能有效提高被動房建筑的性價比，那它在中國將難于被市場所接受，而只能成為試驗性個例。

國內一些示范項目的調研和測試顯示，近零能耗建筑已經展示出初步的成效，大幅度降低了能耗，室內環境也得到較大改善。但是，我國目前對既有示范建筑的后續監測、評估還有待加強，還需進一步加快近零能耗建筑評價標準、檢測、評價體系的建設；同時也要開發評價工具，開展標識認證，完善新建近零能耗建筑或零能耗建筑的節能檢測、能耗統計、施工驗收、運營及評價標識工作，以推動我國近零能耗建筑的快速發展。

5 結語

零能耗建筑通過提高建筑和建筑設備及其系統的節能性、高效利用可再生能源等各種技術手段，減少建筑中的一次能源消耗，使建筑物中一次能源凈消耗量為零或近乎為零。隨著可持續發展和低碳概念深入人心，零能耗建筑已成為建筑節能的發展新趨勢。我國應堅持政策激勵與市場推動相結合，標準強制與技術創新相結合，過程監管與目標考核相結合，推進零能耗建筑的快速發展。

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（責任編輯：鄧光輝）

Prospects of the Current Research on Building Technologies with Zero Energy Consumption

WANG Zhiyong，WANG Jun，LIU Changrong
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on an analysis of the connotation of zero energy buildings, a whole review has been made of its historical development, followed by an introduction and investigation of the policies and development planning of zero energy buildings in foreign countries. An overall account has been given of the current research situation at home and abroad of zero energy buildings concerning the theoretical research, building energy strategy and optimization, its feasibility analysis, as well as its economic evaluation. What’s more, a prospect of the research has been made on building technologies with zero energy consumption in China from aspects of its target planning, policy guidance, standard speci fi cation, technical system, industrial support, and monitoring and evaluation systems.

zero energy building；nearly zero energy building；building energy conservation；renewable energy

TU201.5

A

1673-9833(2017)02-0008-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.002

2017-01-21

湖南省自然科學基金資助項目（2017JJ4030）

王志勇（1978-），男，山東濟寧人，湖南工業大學教授，碩士生導師，主要從事綠色建筑理論與技術，建筑節能技術等方面的研究，E-mail：zywang668@126.com