實現凈零能耗建筑的邊界條件研究

鄭清濤 ,榮中秋，羅 多，程 妍，李 進，曾澤榮（.水發能源集團有限公司， 山東 濟南 50000；.珠海興業綠色建筑科技有限公司， 廣東 珠海 59000 ）

2019 年底，GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》和 T/CABEE 003—2019《近零能耗建筑測評標準》開始實施，明確規定了“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”“零能耗建筑”以及“產能建筑”在滿足標準要求的室內環境條件下的能效指標，在超低能耗建筑大力示范推廣的今天給更高能效標準的建筑以更明確的定義和指導。用“被動優先，主動優化”的設計理念建造“零能耗建筑”已經得到國內外學者和建筑節能從業人員的普遍認同。在歐洲，甚至分為“被動建筑”和“主動建筑”2 個流派，但最終導向還是二者主要技術的綜合應用以實現“零能耗建筑”的總體目標，只是技術側重點有所不同。

被動房崇尚節能、經濟、舒適和建筑美學的有機融合，通過優化建筑方式減少供暖和制冷能源需求，主要措施包括良好保溫的圍護結構、高效節能門窗、夏季遮陽、防止結構熱橋、高氣密性的外圍護結構和有組織的室內新風供應和熱回收系統。但是，要實現“近零”和“凈零”，必須要加入可再生能源進行建筑的自我能源的生產從而全部或部分抵消建筑自身的能耗。由于在建筑本體中生產可再生能源是有相當大的局限的，所以，一方面必須盡可能地進行建筑本體的節能；另一方面建筑的 6 個面（南向面、北向面、東向面、西向面、屋面及接地面）都應考慮利用自然資源，進行充分的能源交換。最終，通過耗能和產能的完全平衡，實現建筑全年的“零能耗”指標。

即便如此，據不完全了解，在美國，能實現零能耗的最高建筑是位于西雅圖的生命建筑（international living future institute,ILFI）公司總部大樓。該項目于 2013 年竣工的 6 層商業辦公建筑，總建筑面積約 4 831 m2。實現了凈零能耗、凈零水耗和凈零廢棄物的目標，是 1 棟無須支付能源費用，并通過生產能源實現收益的建筑。

為了實現“零能耗”，這個非四邊形的建筑在屋頂建了一個超出建筑立面 3～5 m 的“光伏大帽子”，其總面積達1 329 m2，使得該項目在實際運行能耗 31 kWh/(m2·a)（相較于西雅圖能源法令 2009 年建筑能耗要求低 79%）的前提下，通過光伏發電每年生產可再生電能超過 15 萬 kWh，滿足建筑全年用能而實現“零能耗”需求。

通過上述例子可知利用現有的建筑科學技術建造本體實現“零能耗”的建筑是有一定局限性的，這也是某能源聯合研究中心在建筑節能領域中需要通過不斷的技術研發來擴展實現“零能耗”建筑的邊界的原因。根據現有的標準和技術，本文分析了在公共建筑中實現“零能耗建筑”的前提條件。

1 “零能耗建筑”前提條件

1.1 建筑高度

“零能耗建筑”是通過“開源節流”來實現全年的能源平衡的，也就是盡可能少地使用能源和盡可能多地生產可再生能源。從最易集成和使用的可再生能源— 光伏發電技術的使用條件來講，建筑屋頂無疑是最寶貴的資源：南立面是次一級選擇，東西立面為再次一級選擇。如果想要增加立面的太陽能利用面積，無論是增加建筑的開間還是進深，都同時增加了建筑面積從而同等比例增加了建筑能耗。因此，從建筑的尺度上來說，高度或者層數是決定是否實現“零能耗”的至關因素，顯然越高的建筑越難以實現“零能耗”。

1.2 建筑功能

從國家現行標準 GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》中可以看出，不同建筑功能的建筑能耗差別是很大的，同一地區的公共建筑，如溫和地區：A 類的黨政機關辦公樓約束值是 50 kWh/(m2·a)，而 B 類的大型超市約束值卻是100 kWh/ (m2·a)，相差足足 1 倍；夏熱冬冷地區：A 類的黨政機關辦公樓約束值是 70 kWh/ (m2·a)，而 B 類的購物中心約束值卻達到了 260 kWh/ (m2·a)，是前者的 3.7 倍。因此，若要推廣“零能耗建筑”應從辦公類的公共建筑著手，無論是技術成熟度、增量投資還是運行管理，這類建筑都應屬于首選，尤其是自運營的辦公建筑。本文后面的數據分析則以 A 類的黨政機關辦公樓為建筑載體。

1.3 太陽能資源

近 10 年，光伏組件與傳統的光伏系統的價格降低了近80%，標準光伏組件價格甚至降到了 1.5 元/W，不到 300元/m2。這就加大了光伏組件集成到建筑構件中的可能性。光伏的 1 kWh 成本已經實現用戶側全面平價，電力行業內有一句話叫作：由于光伏有“即發即用”的優勢，所以光伏電可稱作用戶側全網最廉價電力。這就進一步地揭示了光伏能源與建筑結合具有巨大的技術和經濟潛力。根據美國勞倫斯伯克利實驗室在 SCI1 區 《可再生和可持續能源評論》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）雜志發表的論文《基于 34 個研究案例的熱濕氣候下的凈零能耗建筑綜述》(A review of net zero energy buildings in hot and humid climates Experience learned from 34 case study buildings)中可以看到，在全球濕熱地區稱為“凈零”的建筑全部采用了光伏發電技術，以補充建筑運行的能源消耗。關鍵技術的使用頻率如圖 1 所示。

圖 1 關鍵技術的使用頻率

因此，光伏發電技術作為建筑可再生能源應用是最經濟最成熟的主動技術，幾乎成為“零能耗建筑”的必備。太陽能資源的優劣也就決定了建筑的產能強度。我國根據太陽能資源豐富程度劃分為 5 類地區，從一類地區的每平方米面積上一年內接受的太陽輻射總量 6 680～8 400 MJ 到五類地區的 3 344～4 190 MJ，太陽能資源相差了 1 倍，也就是同樣的光伏電池年發電量相差了 1 倍。因此，太陽能資源越好的地區越容易實現“零能耗”。

1.4 地域條件

根據我國不同氣候帶的具體氣候條件，國家現行標準 GB/T 51161—2016 給出了同樣建筑類型不同的能耗約束值，如 A 類的黨政機關辦公樓：溫和地區的約束值是50 kWh/ (m2·a)，而夏熱冬冷地區的約束值卻是 70 kWh/(m2·a)，較前者增加了 40%，所以氣候越舒適的地區，越容易實現零能耗。

1.5 經濟發達程度與能源消耗強度

實現“零能耗建筑”顯然需要建設階段的增量投入。雖然在未來運營階段，“零”能耗的運行成本對投資方有一定有誘惑力，但估計 10% 以上的增量成本和 5～10 a 的投資回報率顯然還無法吸引資本的關注。更何況大部分的建筑投資方和使用方并不是同一個單位，因此“零能耗建筑”還在研究和示范階段，需要政府的支持和鼓勵。其接納程度也與各地市的經濟條件密切相關，與各省的建筑能耗強度密切相關。

如圖 2 所示，2000—2016 年全國建筑能耗占能源消費總量的比重為 17%～21%。建筑能耗比重的波動與經濟波動總體上呈現反向關系，經濟發展越快，GDP 增速變大，建筑能耗比重則變小；反之亦然。2002—2007 年，GDP增速逐年增大， 2007 年達到頂峰 14.23%，建筑能耗比重則從 2002 年的最高峰 20.15%，下降到 2007 年的最低谷17.68%；2007—2014 年，GDP 增速存在一定波動，建筑能耗比重則相應發生反向波動。2010 年后 GDP 增速逐年下降，建筑能耗比重則逐年上升。

圖 2 中國建筑能耗比重與 GDP 增速比較

這就說明建筑能耗的降低需要更多的經濟投入來實現，經濟不發達的地區，只可能以犧牲舒適度來換取能耗的降低，而不是依靠技術提升所需的增量投資。所以，推動“零能耗建筑”的示范建設要從經濟發達的一、二線城市開始。

2 “零能耗建筑”主要因素分析

綜上 5 個主要因素，建立一個簡單的建筑模型以分析什么類型的建筑是推動“零能耗建筑”示范建設的首批建筑。此建筑的界定條件為“光伏比”（光伏年發電量與建筑年耗電量的比值）≥1。模型的邊界條件如下。

2.1 建筑尺度

取建筑模型寬度為 30 m（該尺度被認為是建筑內部能實現自然采光的臨界尺寸），長度取 50 m，5∶3 的黃金尺寸。長度方向南北放置，寬度方向東西放置。通過逐級變化寬度和長度發現長度變化對“光伏比”完全無影響，寬度變化影響甚微。層高取 4 m，變量為 3～7 F。

2.2 建筑功能

取黨政機關辦公建筑。如前述分析，這類建筑的建筑能耗要求最低，也是容易被指定為“零能耗”示范建筑的類型。

2.3 地域

按照 GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》，分別取 5 個氣候帶具有代表性的 5 個省會級城市：哈爾濱、北京、上海、貴陽、廣州做預測能耗分析。

2.4 能耗預測

參考 GB/T 51161—2016 的“約束值”作為按照 GB 50189—2015 標準設計的能耗指標，包括了建筑空調、通風、照明、生活熱水、電梯、辦公設備以及建筑內供暖系統的熱水循環泵電耗、供暖用的風機電耗等建筑所使用的所有能耗。按照 T/CABEE JH—2019 評估“零能耗建筑”時的能耗，只包括建筑供暖、通風、空調、照明、生活熱水、電梯的終端能耗量，設備插座等不包括。根據大量的數據監測得知，正常設計和運行時，辦公設備和插座的能耗約占總建筑能耗的 30%。根據 T/CABEE JH—2019004對公共建筑的評價要求，嚴寒和寒冷地區的本體節能率需≥30%，其余地區≥20%。以此預測評估“零能耗建筑”時建筑本體的總能耗。

2.5 光伏預測

假定屋面可以全部用來設置太陽能光伏發電（Building Attached Photo Voltaic,BAPV）系統，南立面 20% 的面積用于設置光伏建筑一體化（Building Integrated Photo Voltaic,BIPV）系統。預估屋面 150 W/m2安裝功率，立面100 W/m2安裝功率；高緯度地區的哈爾濱、北京立面是最佳傾角發電量的 70%，低緯度地區的廣州、貴陽是最佳傾角發電量的 55%，而位于中間的上海取 60%。以上述邊界條件預測評估“零能耗建筑”時的最大光伏發電量。

2.6 “光伏比”

如將光伏年發電量/建筑年耗電量作為建筑的光伏比，當光伏比≥1 時，實現建筑本體的“零能耗”甚至“產能”目標，當光伏比＜1 時，則不能實現建筑本體的“零能耗”目標。無論是國內還是國際，目前都暫時認可可提供“使用可再生能源”證明的“off site（非本體）”的“零能耗”形式存在。本文僅就本體而言。

根據以上 6 個元素的假設，分析現階段采用現有建筑技術能做到的層數，見表 2。

表 2 “零能耗”建筑層高分析表

6 結 語

由表 2 分析可以得出以下結論。

（1）分別調節建筑體型的長和寬，對“光伏比”的影響微乎其微直至消失。

（2）由于北方嚴寒地區的建筑總體能耗較高，所以大概率的只能 3 層及以下建筑能夠實現本體建筑“零能耗”。其余地區原則上均能建設 4 層的“零能耗”建筑。

（3）要實現更廣范圍的“零能耗”建筑還必須研究更先進更高效的建筑技術，使得建筑能耗進一步降低，建筑產能越來越高。如某能源聯合研究中心建筑節能聯盟正在研究的“零能耗”技術產品：根據一年四季氣候變化可調圍護結構性能的智能幕墻；基于光伏發電和燃料電池的交直流混合微電網；基于人行為自學習的末端智能控制系統等。