節能建筑新起點零能耗建筑

瞿 燕（華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200011）

1 研究背景

自 20 世紀 70 年代石油危機以來，世界各國開始意識到建筑節能的重要性，并開始制定建筑節能相關的政策和標準、研發建筑能耗分析軟件，以推動和強化建筑節能事業[1]。根據美國、日本及歐洲等發達國家和地區建筑節能相關標準體系的發展情況可知，當前各國建筑節能標準包括兩類：一是以各類技術參數作為指標，指導建筑設計等過程環節；二是以建筑整體能耗為指標，對建筑運行能耗進行約束[1]。從國際上來看，從“相對節能”走向“用能限額”形式的絕對能耗控制，是發達國家建筑節能的發展趨勢之一。多個歐盟成員國的建筑節能標準采用規定新建建筑整體能耗限額或排放指標的方式，而不再單獨規定不同圍護結構部位的熱工性能系數[2]。丹麥、德國等國家對低能耗建筑給出了能耗指標的絕對值要求[3]。美國、日本和歐盟等國家和經濟體向建筑零能耗發展[4]。從目前各國對于零能耗建筑的探索和發展來看，一些發達國家和經濟體政府在過去的 5～10 a 間相繼制定了邁向零能耗建筑的發展目標，各個國家關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展的技術體系和優化路徑。

我國建筑節能標準化工作從 20 世紀 80 年代開始，從北方采暖地區居住建筑起步，逐步擴展到了夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和公共建筑，建筑節能標準也完成了 30% 節能率、50% 節能率和 65% 節能率三步走的跨越[5]。經過 30 多年的發展之后，初步形成了以建筑節能專用標準為核心的獨立建筑節能標準體系。發展更高標準的節能建筑，是我國建筑節能工作深入開展的內在需求，其中零能耗建筑作為在國際上被廣泛接受的理念，也引起了行業的重視。2019 年頒布實施的 GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技術標準》首次對零能耗建筑的概念和指標予以明確的界定。其中，“零能耗建筑”被定義為：室內環境參數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，使可再生能源年產能大于或等于建筑全年全部用能的建筑[5]。

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

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模，多呈單點的項目發展。究其原因，主要在于實現零能耗建筑有一定的難度和挑戰，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、照明等需求，這是建筑本體設計需要完成的工作。如要降低建筑的能源需要，需要在建筑形體朝向、圍護結構熱工、自然采光與通風、建筑遮陽等方面開展精細化的設計。由于所處的地域、環境以及資源的不同，各國家和地區發展零能耗建筑需要有不同的技術路徑。以德國和中國為例：德國被動房對圍護結構厚保溫的要求適用于當地的氣候條件；但中國地域遼闊，氣候差異大，不同氣候區建筑物冷熱負荷差別較大，圍護結構厚保溫并非都適宜。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路徑也有差異。以商業建筑為例，大人流和高密度的設備導致室內發熱量大，如何選擇適宜的降負荷措施這點就與辦公等類型有差別。

因此發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措施。

2.2 最大限度應用可再生能源

可再生能源是零能耗建筑技術體系中重要的組成部分。合理地使用太陽能熱水系統、太陽能光伏系統、太陽能光電系統、太陽能照明系統、地源熱泵系統及風電系統等技術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在目前的技術水平下轉化效率并不高，要實現零能耗的可再生能源供應量需要充足的應用面積，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，實現零能耗的難度較大，這也是當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熱利用，在不同的地區可利用的條件有較大差異。

因此如何根據當地的資源和建筑自身條件進行可再生能源應用是零能耗建筑發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結構、高效建筑能源系統、充足的可再生能源供應和精細化運行管理與控制來實現，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能建筑的 1.4 倍。即使考慮太陽能發電所節約和結余的電能獲益，以及國家關于分布式光伏發電的補貼，零能耗建筑在生命周期內（50 a）累計成本約為普通節能建筑的 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展

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

3.1 理念更新

（1）重視氣候響應設計。氣候響應設計是指適應氣候特征和自然條件，以氣候特征為引導進行建筑方案設計，基于項目當地的氣象條件、生活居住習慣，借鑒本地傳統建筑被動式措施進行建筑平面總體布局、朝向、采光通風、室內空間布局的適應性設計。以地域特征為基礎的氣候響應設計，能夠以最小的經濟代價營造一個優良的建筑本體，為建筑節能創建良好的基礎條件，應該成為零能耗建筑在設計時的首要原則。基于上海地區的典型辦公案例研究表明，良好的朝向能夠降低供暖空調負荷需求 10%，良好的自然通風設計可以減少空調運行時間 15%。

（2）堅持以能耗目標為導向的建筑節能設計。常規的建筑節能設計是以節能措施的應用為導向。對于零能耗建筑而言，設計中應該轉變思路，以明確的能耗目標為導向開展反向設計。所謂“以能耗目標為導向的建筑節能設計”是指以建筑能耗指標為性能目標，利用能耗模擬計算軟件，對設計方案進行逐步優化，最終達到預定性能目標要求的設計過程。基于能耗目標為導向的定量化設計與優化，分析計算確定各部分性能參數，圍繞能耗目標，綜合考慮建筑本體設計、圍護結構、機電設備及可再生能源利用各部分的節能技術，優化設計與技術組合，以求相互配合，共同實現節能目標。

（3）開展建筑整體氣密性設計。長期以來，我國建筑節能設計要求的是構件的氣密性，只對外窗的氣密性提出要求。對于零能耗建筑，需要轉變設計理念，開展建筑整體氣密性設計。建筑物整體氣密性，是在封閉狀態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 n50，即室內外 50 Pa 壓差下換氣次數來表征建筑氣密性。零能耗建筑應以建筑整體氣密性的控制作為設計目標，對氣密層、門窗構件、墻面洞口的設置予以重點考慮。

3.2 新材料應用

（1）高性能門窗。建筑門窗是建筑節能關鍵之一，應當著重處理門窗的密封性能和保溫性能。我國各地目前應用的節能門窗，其整體傳熱系數通常在 2.0 W/(m2·K)以上，氣密性通常在 6 級以上。而要實現零能耗，需要更高性能的門窗應用。如按照德國被動房標準建設，通常外窗傳熱系數要達到 0.80 W/( m2·K)，外窗氣密性達到 8 級以上。該類高性能門窗，需要熱工性能更優的窗框及玻璃，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、鋁合金等傳統型材，也有鋁包木、鋁木復層、玻纖聚氨酯等新型的型材。為了保證更高的氣密性指標，需要更嚴密的氣密性構造。此外，對于夏季炎熱的地區而言，外遮陽也是重要的節能措施。將外遮陽與外窗一體化的產品，如中置百葉的節能窗，也是零能耗建筑應用的選擇之一。隨著變色薄膜技術的發展，可以通過改變外窗玻璃的顏色來調節窗戶在冬季和夏季的太陽得熱系數，實現可調節遮陽的新型技術選項。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）高效制冷產品。除了建筑圍護結構保溫等被動式技術及可再生能源外，提高建筑暖通空調系統的能效也是實現建筑節能減排的重要途徑。根據國家發改委等 7 部委聯合印發的《綠色高效制冷行動方案》，到 2022 年，我國家用空調、多聯機等制冷產品的市場能效水平要在 2017 年的基礎上提升 30% 以上，綠色高效制冷產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，綠色高效制冷產品的市場占有率提高 40%以上。不斷提升空調制冷產品能效，發展應用磁懸浮等新型高效空調設備，將是推進零能耗建筑發展的重要市場助力。

（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建筑立面、屋頂和幕墻等。其主要優勢在于集成的 BIPV 組件可以構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用面積，兼具現場發電的功能，將建筑從耗能方轉變為供能方，為實現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”規劃中，明確提出了光電建筑發展的發展路線，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展契機。早在2015 年，我國已經發布了 CECS 418—2015《太陽能光伏發電系統與建筑一體化技術規程》，指導太陽能光伏發電系統與建筑一體化的設計、安裝、驗收與運行維護，以推動其在建筑的應用。

4 從歷史維度看零能耗建筑的未來

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

2001 年，JGJ 134—2001《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》發布，對居住建筑外窗傳熱系數的最低要求是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。在當時，無論成本，抑或技術，絕大部分人都不會接受應用斷橋隔熱 low-E 中空玻璃窗。2015年，DGJ 08-205—2015 《上海居住建筑節能設計規范》發布，外窗最低要求達到 2.2 W/(m2·a)以下，需要斷橋隔熱以及中空等要求才能達到。可見，僅 14 a 時間，外窗熱工要求提高 50%以上，這個變化的背后，是社會對建筑節能的更深了解和更廣泛接受、是門窗行業的技術進步和成本降低。

另外一個顯著的案例是光伏發電。10 a 前，光伏發電系統在建筑上應用的突出標簽是不經濟、造價高、以發電效益計算的投資回收期過長。2009 年前后光伏發電系統在建筑上應用的系統單價，約在 30～40 元/WP。10 a 間，隨著光伏發電制造行業的技術發展進步，光伏發電系統的成本不斷降低。2019 年建筑工程項目上光伏發電系統報價已達到 5～6元/WP 以下。成本的大幅度降低，使得光伏發電建筑應用的綜合效益大幅度提升，投資回收期越來越短，光伏發電系統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用技術。

面對零能耗建筑，應該保有怎樣的認識與態度？從歷史的眼光來看，零能耗建筑發展面臨的挑戰會隨著技術的進步、行業的發展、社會的接受而逐步克服，有著光明而燦爛的未來。從更遠的未來看，全球應對氣候變化的挑戰，建筑節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與機遇也表明，零能耗建筑不是節能建筑的終點，而是新的起點，需要行業有更大的接受度和更多的技術投入。建筑節能從業者需要充分的接納、擁抱這種新的節能建筑理念，深入開展技術研究、工程實踐、標準體系建設等工作，努力作為參與者推動零能耗建筑的發展和應用，為地球的可持續發展貢獻力量。

5 結 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的應用兩大方面提出相應應對措施。研究認為，應從氣候響應、加強被動節能設計、提升建筑氣密性等設計理念著手，轉變設計思維，同時配合以高性能門窗、高效制冷產品與光伏產品的不斷更新提升，達到最終實現零能耗的目標。任何新理念從提出到推廣都需要經過時間的檢驗，在這一過程中，需要行業有更大的接受度和更多的技術投入。零能耗建筑不是節能建筑的終點，而是新的起點。