中外凈零能耗建筑（NZEB）設(shè)計(jì)：回顧、分析及展望

栗旭升 曹雪縈

2020年9月中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，作為最大的能源消耗行業(yè)，建筑的能耗“歸零”迫在眉睫。我國(guó)零能耗建筑的發(fā)展剛剛起步，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。在此背景下，本文對(duì)中外凈零能耗建筑的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)、分析，梳理出當(dāng)前可持續(xù)能源利用、建筑節(jié)能措施等方面的做法，最后總結(jié)中外凈零能耗建筑發(fā)展的異同，面臨的挑戰(zhàn)，提出進(jìn)一步研究的方向，助推我國(guó)凈零能耗建筑的發(fā)展走向成熟。

一、凈零能耗建筑的定義

零能耗建筑的定義可以追溯至1976年丹麥技術(shù)大學(xué)學(xué)者Esbensen在研究冬季住宅太陽(yáng)能的利用時(shí)提出，發(fā)展至今，對(duì)于凈零能耗建筑的定義主要有凈零現(xiàn)場(chǎng)能耗建筑、凈零一次能源能耗建筑、凈零能源成本建筑、凈零排放建筑等。其中凈零現(xiàn)場(chǎng)能耗建筑以現(xiàn)場(chǎng)能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建筑全年可再生能源產(chǎn)能不低于全年的耗能，是目前采用最廣的定義（圖1）。

圖1 凈零現(xiàn)場(chǎng)能耗建筑示意圖

二、凈零能耗建筑設(shè)計(jì)方法

實(shí)現(xiàn)凈零能耗的途徑，首先是盡可能地降低建筑的能源負(fù)荷，其次是以可再生能源的方式滿足建筑的負(fù)荷。因此，本部分重點(diǎn)闡述可持續(xù)能源利用和建筑設(shè)計(jì)的節(jié)能措施。

1.可再生能源利用

關(guān)于可持續(xù)能源的利用，應(yīng)優(yōu)先建筑和場(chǎng)地范圍內(nèi)的產(chǎn)能，以減少占地及輸送損失。由于風(fēng)能、水力及生物質(zhì)能源主要在區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)用，筆者重點(diǎn)介紹太陽(yáng)能和地?zé)崮軆煞N應(yīng)用更為廣泛的可再生能源。

（1）太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是最早、應(yīng)用最廣泛的可再生能源，包括被動(dòng)式利用和主動(dòng)式利用兩種。被動(dòng)式是指通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射熱的蓄積和利用，例如特隆布?jí)透鞣N改進(jìn)式的陽(yáng)光房，其太陽(yáng)能利用效率高達(dá)70%。主動(dòng)式最典型的是光伏發(fā)電，可以供應(yīng)建筑設(shè)備、家電，還可以并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力的雙向流動(dòng)。然而光伏的能量轉(zhuǎn)換效率只有5%-46%左右，且造價(jià)昂貴，鋪設(shè)面積有限。在歐洲，零能耗建筑僅依靠太陽(yáng)能時(shí)，最多層數(shù)是三層。因此，為了最大化其利用，建筑一體化光伏（BIPV）成為當(dāng)前光伏研究的趨勢(shì)，它不單獨(dú)占土地，建筑的墻面、屋面、門(mén)窗等都可以集成光伏模塊。

（2）熱泵

廣泛應(yīng)用的熱泵技術(shù)主要有空氣源熱泵（ASHP）和地源熱泵（GSHP）。空氣源熱泵以空氣為熱源，配置簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可以長(zhǎng)期在較低溫度（20℃）下實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)移，但在寒冷條件下性能顯著下降。使用模式包括空氣-空氣和空氣-水兩種，分別供應(yīng)暖氣和熱水。相比之下，地源熱泵由于熱源更加穩(wěn)定，性能系數(shù)（COP）比空氣源熱泵高。設(shè)計(jì)凈零能耗建筑時(shí)，熱泵技術(shù)往往是首選項(xiàng)，例如在瑞士，90%的建筑已經(jīng)配置了熱泵系統(tǒng)。

實(shí)踐中，相變材料（PCM）因?yàn)榫薮蟮臒醿?chǔ)存能力，當(dāng)選擇具有適宜融化溫度的PCM（往往是和熱舒適溫度接近）和熱泵結(jié)合時(shí)，能夠通過(guò)相變吸收或釋放能量，將室內(nèi)溫度維持在一個(gè)波動(dòng)較小的范圍，從而提高熱舒適性，降低熱負(fù)荷。

（3）能源儲(chǔ)存

富余的產(chǎn)能可以被儲(chǔ)存起來(lái)，以備不時(shí)之需。例如，德國(guó)Freiburg的一個(gè)案例中，夏季富余的光伏發(fā)電量通過(guò)水電解效應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的化學(xué)能，在冬季再通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)氫氣作為燃料可以供烹飪、取暖的需要。實(shí)踐中，V2H電動(dòng)汽車(chē)可以充當(dāng)可再生能源的儲(chǔ)電系統(tǒng)，而不需要再額外建設(shè)，有著廣闊的前景。與能源完全自給相比，配置儲(chǔ)電系統(tǒng)且聯(lián)網(wǎng)會(huì)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)高峰期的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，并且不必為實(shí)現(xiàn)完全自給而負(fù)擔(dān)高額的建設(shè)投入。

2.建筑節(jié)能設(shè)計(jì)措施

對(duì)于凈零能耗建筑，節(jié)能措施主要針對(duì)兩個(gè)方面：（1）降低建筑的冷熱負(fù)荷。（2）利用可再生能源，提高能源效率。在降低負(fù)荷方面，主要通過(guò)建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)，朝向，遮陽(yáng)等。在提高能效方面，高效HVAC系統(tǒng)，節(jié)能燈具，智能控制等更為關(guān)鍵。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常來(lái)說(shuō)，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，氣密性對(duì)于降低冷熱負(fù)荷至關(guān)重要，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)需要阻隔不利的室外環(huán)境。在以熱負(fù)荷為主的氣候區(qū)內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能提升能持續(xù)的降低能耗，而以冷負(fù)荷為主的氣候區(qū)內(nèi)，卻不總是如此，保溫性能存在一個(gè)拐點(diǎn)，超過(guò)這個(gè)數(shù)值后，能耗不降反升，這是因?yàn)樵谙募疽归g，如果保溫性能過(guò)高，室內(nèi)的熱量無(wú)法與室外較低溫度的環(huán)境進(jìn)行有效的熱交換。在建筑朝向上需要注重太陽(yáng)能的利用，結(jié)合遮陽(yáng)板的合理設(shè)計(jì)，在太陽(yáng)高度高的夏季，太陽(yáng)輻射熱被遮陽(yáng)板阻隔在室外；在太陽(yáng)高度低的冬季，則允許太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)蓄熱。

（2） HVAC系統(tǒng)優(yōu)化

HVAC系統(tǒng)可以通過(guò)廢熱回收提高能源效率。HRV系統(tǒng)和ERV系統(tǒng)可以分別實(shí)現(xiàn)顯熱和潛熱的回收，從而將熱負(fù)荷降到最低。而ERV系統(tǒng)由于可以回收潛熱，比HRV系統(tǒng)能節(jié)約更多的能源。除了上述兩種熱回收方式，被動(dòng)式通風(fēng)，即通過(guò)風(fēng)壓或熱壓作用實(shí)現(xiàn)的通風(fēng)冷卻，也是一種常見(jiàn)的節(jié)能手段（圖2）。歐洲地區(qū)通過(guò)土壤埋管的預(yù)冷/預(yù)熱方式，將預(yù)期溫度的空氣引入室內(nèi)，獲得更加穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境。其策略是通過(guò)土壤埋管的尺寸，材料，埋深，壁厚及場(chǎng)地占用等的合理取值，確保系統(tǒng)的成本和能效取得最佳平衡，雖然這通常是因當(dāng)?shù)貧夂颉⒔ㄖ嶝?fù)荷而異的，其原理是一致的，就是確保熱交換系統(tǒng)獲得最佳的熱循環(huán)，例如，在炎熱的夏季，白天熱交換系統(tǒng)從土壤中獲取冷量，土壤溫度升高；到了夜間室外溫度變低，土壤需要從與室外空氣的熱交換中恢復(fù)原始溫度，從而為第二天的熱交換繼續(xù)提供冷量，周而復(fù)始（圖3）。

圖2 被動(dòng)式通風(fēng)

圖3 土壤熱交換系統(tǒng)預(yù)熱

（3）采光及智能控制

室內(nèi)照明占建筑總能耗約15%，因此建筑照明的優(yōu)化可以顯著改善能源利用現(xiàn)狀。主要方式有以下幾種：

①爭(zhēng)取自然采光。通過(guò)建筑形式如中庭、內(nèi)院引入自然光線，利用反射遮陽(yáng)板將自然光引入室內(nèi)進(jìn)深較大處，或利用光導(dǎo)管技術(shù)等（圖4）。

圖4 爭(zhēng)取自然采光（圖片來(lái)源：《可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)指南》，（法）SERGE SALAT著）

②使用節(jié)能燈具。節(jié)能LED燈具比白熾燈具有更好的視覺(jué)舒適性和性能系數(shù)，可以節(jié)約50%左右的能源，并且平均使用壽命是傳統(tǒng)白熾燈的30倍。

③智能控制。在聲控、光控等控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，新一代的人工智能能夠讀取公共場(chǎng)所內(nèi)人們對(duì)照明的使用模式，通過(guò)優(yōu)化照明時(shí)間、照明強(qiáng)度和照明環(huán)境布局，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。

總結(jié)以上，在提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和HVAC系統(tǒng)效率的基礎(chǔ)上，綜合利用各種可再生能源，滿足建筑所需的最低能源負(fù)荷，是凈零能耗建筑設(shè)計(jì)的基本思路。然而，建筑因其氣候區(qū)位、建筑類型、布局等不同，其設(shè)計(jì)往往是難以復(fù)制的，在推動(dòng)凈零能耗建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐走向常規(guī)化的進(jìn)程中，依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

三、分析及展望

基于中外凈零能耗建筑設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，筆者對(duì)當(dāng)前凈零能耗建筑面臨的問(wèn)題和未來(lái)的方向，提出自己的一些見(jiàn)解：

我國(guó)零能耗建筑起步較晚，案例集中在非常有限的示范項(xiàng)目，尚未形成零能耗建筑的設(shè)計(jì)體系，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)少，只有2019年印發(fā)的《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51350-2019，缺少零能耗建筑設(shè)計(jì)的工具。更重要的是，中國(guó)的城市住宅大部分是中高層建筑，體型系數(shù)大，氣密性差，所以實(shí)現(xiàn)零能耗是困難的，因此，必須從多種可持續(xù)能源的利用和建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化的整合中尋找解決手段。而中國(guó)農(nóng)村的住宅相對(duì)分散，能源利用密度低，利用成本高，因此研究能源自給是前進(jìn)的方向，農(nóng)村住宅的單體規(guī)模較小，可以積極借鑒歐洲零能耗建筑的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)氣候區(qū)的特點(diǎn)，探索出適宜性的零能耗建筑典型做法。凈零能耗建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)集中在運(yùn)行能耗上，缺少生命周期的綜合評(píng)價(jià)（LCA），包含材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、建設(shè)等方面的隱含能源不容忽視；評(píng)價(jià)的維度單一，以節(jié)能技術(shù)指標(biāo)為主，缺少對(duì)熱舒適性、社會(huì)性等方面的考慮。因此，基于可持續(xù)理念的綜合性評(píng)價(jià)方法有待開(kāi)發(fā)。

可再生能源和可持續(xù)建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展為零能耗建筑設(shè)計(jì)提供了多種可能性，與此同時(shí)，因?yàn)楦蟮闹R(shí)技術(shù)壁壘，也對(duì)建筑師提出了更大的挑戰(zhàn)。在可持續(xù)發(fā)展理念愈加完善的背景下，設(shè)計(jì)決策越來(lái)越傾向于多標(biāo)準(zhǔn)化，考慮成本、社會(huì)、能效、碳排放等多方面因素，如何將凈零能耗建筑的設(shè)計(jì)落地到常規(guī)的設(shè)計(jì)流程中，是其從示范走向普及的重要環(huán)節(jié)。筆者認(rèn)為，凈零能耗建筑的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，無(wú)法直接套用其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，且面臨跨學(xué)科的復(fù)雜性等挑戰(zhàn)，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)更有可能成為下一步為設(shè)計(jì)提供決策支持的有效工具。