雙碳目標下近零能耗建筑設計影響因素分析

趙盈盈 涂中強

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

中國建筑節能協會發布的《2022中國建筑能耗與碳排放研究報告》指出，2020 年全國能耗為49.8 億tce，其中建筑與建造能耗為22.7 億tce，占比45.5%，幾乎占據了半壁江山。所以，為了實現“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”的“雙碳”目標，建筑領域確立了“零能耗建筑”的建設目標，但是技術、資金等因素決定了要完全實現零能耗建筑并非易事，所以有了“近零能耗建筑”作為階段性目標。我國于2019年發布了《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350-2019），同時相關部門相繼出臺了很多有關的政策規范，為我國近零能耗建筑的發展起到巨大的推動作用[1-3]。本文就雙碳目標下近零能耗建筑設計的影響因素進行分析，針對被動式節能設計影響因素，及主動式高效用能系統展開研究。

1 我國近零能耗建筑發展現狀

1.1 近零能耗建筑的界定

雖然“近零能耗建筑”一詞起源于歐盟，但由于歐盟各國氣候跨度和經濟差距較大，所以對近零能耗建筑的具體定義和要求也不盡相同。根據我國《近零能耗建筑技術標準》，“近零能耗建筑”可以理解為：結合環境氣候和建筑場地特點，通過被動設計降低建筑對冷熱的需求量，同時提高用能系統效率，再結合可再生能源的利用，既能提高室內環境的舒適度，又能達到控制能耗的目標。

其實，超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑三個概念是一脈相承的，三者要求的室內環境參數相同，只是能耗水平不同。以2016 年發布的國家建筑節能設計標準為基準，近零能耗居住建筑的能耗標準為：在嚴寒和寒冷地區，不再需要傳統的供熱方式,且能耗降低70%～75%以上；在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區，能耗降低60%以上。近零能耗公共建筑的能耗標準為：能耗平均降低60%以上（不分氣候區）。超低能耗建筑的能耗標準為：能耗降低50%以上。零能耗建筑也并非能耗為零，而是在近零能耗建筑的基礎上，充分利用可再生能源，達到建筑用能和產能的平衡。所以三者的關系可以簡單地理解為：超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級表現形式（預備級），而零能耗建筑是近零能耗建筑的高級表現形式（升級版）。

1.2 近零能耗建筑發展的政策背景

自20 世紀80 年代至今，我國建筑節能已有30 多年的歷史，期間經歷了建筑節能30%、50%、65%“三步走”的戰略實施，通過新建建筑節能建造及既有建筑節能改造，建筑節能65%標準現已基本在全國范圍內普及。現階段，我國的建筑節能工作又邁向了新的臺階，建設部正在推行“新三步走”策略，即在2016 年建筑節能標準要求在低能耗建筑的基礎上，逐步實現超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑。目標的實現離不開政策支持，國務院及相關部門相繼出臺了相關政策和標準規范，為我國近零能耗建筑的普及提供了良好的政策支持。

2022 年3 月，國務院出臺《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》，提出京津冀等重點區域開展超低能耗建筑規模化建設，其他地區開展近零能耗建設示范，并明確了2025 年的建設目標：超低能耗、近零能耗示范項目達0.5 億m2以上。2022 年6 月，建設部發布了《城鄉建設領域碳達峰實施方案》，提出要加快推進建設領域節能減排，明確2030 年前建設領域達到碳峰值，2016 年前建設方式全面實現綠色低碳轉型。2019年6 月，《近零能耗建筑技術標準》的發布，從室內環境參數、能效指標、技術參數、技術措施及評價等方面，為超低能耗、近零能耗及零能耗建筑的設計和施工提供了技術參考。

1.3 國內近零能耗建筑發展現狀

在良好的政策環境下，我國近零能耗建筑呈現良好的發展態勢，具有代表性的項目有：中科院近零能耗示范項目（我國首座近零能耗辦公建筑）、珠海興業新能源產業研發樓（我國首座夏熱冬暖地區零能耗辦公建筑）、零舍（農宅近零能耗示范項目）、河北高碑店列車新城（全球最大規模的近零能耗建筑）等等。另外，近零能耗建筑具有很大的推廣價值，預期將會為上下游關聯產業帶來5～10 萬億的GDP 增長，所以國家及各地方也出臺了相關財政等激勵政策推進近零能耗建筑的規模化發展，僅僅“十三五”期間，專項財政激勵就超過10 億元，近零能耗建筑正在從單個示范性項目向規模化、社區化方向發展。然而，為了實現近零能耗建筑的順利推廣，亟需解決兩個關鍵問題：首先，結合“雙碳”目標進一步完善技術標準體系，制定高效的激勵機制；其次，基于我國的氣候特點，從設計、建材、建造及運營全壽命周期各階段加強技術創新研究，進而形成近零能耗建筑相關產業鏈。

2 被動式節能設計影響因素

被動式節能設計是指通過對建筑本身的朝向、窗、外圍護構件（如外墻、屋頂）保溫構造等方面的設計，使建筑達到節能的目的。

2.1 建筑朝向

建筑朝向是設計時首先應考慮的因素，因為建筑朝向直接影響整個建筑的得熱性能，節能標準中明確建議建筑宜朝向太陽輻射最強的方向。在采暖季，合理的建筑朝向可以使建筑得到更多的太陽輻射熱量，同時減少窗縫滲透的熱損失；而在制冷季，太陽輻射量又是空調制冷能耗的重要組成部分，所以建筑能耗高低跟其朝向有密切的關系。

以我國北方寒冷地區為例，大多數建筑都呈現“坐北朝南”的朝向特點，但每個地區的合理朝向又略有偏差，例如，北京地區建筑的合理朝向為正南至南偏東30°，最佳朝向為南偏東20°，而太原地區建筑的合理朝向卻為南偏西30°至南偏東15°，最佳朝向為南偏西10°。所以，進行建筑設計時，應結合當地的地理位置，充分調研統計當地的地勢及太陽高度角，以確定建筑的合理朝向。

2.2 建筑窗戶

外墻上的窗具備采光通風的功能，從能耗角度講，通過窗可增加建筑的太陽輻射量，使建筑內部溫度升高，這對冬季采暖能耗的控制極為有利，但若因為窗戶材料的原因導致散熱較快，又不利于采暖能耗的控制。所以建筑節能設計時，應該將窗墻比和窗戶材料兩個方面作為重要因素。

我國的建筑節能標準中，對建筑的窗墻比有明確的限制，例如寒冷地區的公共建筑，窗墻比要求不大于0.7。總體來說，窗墻比與建筑全年能耗成正比，但一味的降低窗墻比，又會影響室內的采光通風和舒適度。所以建筑設計時應該通過精確的計算分析，得到最佳的窗墻比。

如今，越來越多的公共建筑采用玻璃幕墻的設計方案，窗墻比非常的大，所以要控制整個建筑的能耗就必須保證窗戶的密封性，最好選用傳熱系數小的材料，包括玻璃以及窗框材料。建筑窗常用的玻璃材料有普通單層玻璃、熱反射玻璃、Low-e（低輻射玻璃）以及中空玻璃，它們的熱工性能存在很大的差別，如表1 所示。其中，中空玻璃因為其特殊的構造形式，具有更高的熱工性能，尤其采用Low-e 玻璃時，傳熱系數可控制在1.5W/（m2·K）以下，則滿足近零能耗建筑標準中對外窗傳熱系數的要求。

表1 常見玻璃的傳熱系數[單位：W/（m2·K）]

2.3 建筑外圍護構件

建筑外圍護構件是指直接與外界接觸，對整個建筑起到維護作用的構件，如外墻及屋頂等。外圍護構件的熱工性能對整個建筑的能耗影響很大，通常的做法是在外墻、屋頂的構造層中附加保溫層，建筑設計時需要進行精確的熱工計算，確定保溫層材料和厚度，以及保溫層在所有構造層次中的位置，確保外圍護構件的傳熱系數達到近零能耗建筑標準的要求。

從保溫材料來看，常見的有巖棉板、聚苯板、聚氨酯板，相比之下，聚苯板成本低、保溫效果好、施工簡便，所以是保溫材料的首選。另外，保溫層的厚度直接影響著建筑能耗，例如對于建筑外墻，保溫層厚度越大，建筑能耗就越低，但一味地增加保溫層厚度，會帶來成本增加、施工難度大、易脫落，維修難度大等問題，所以常見的外墻保溫層厚度一般在100mm 以內，50～70mm 居多。為了使設計滿足近零能耗建筑標準的要求，保溫層厚度一般會超過100mm，以確保更小的傳熱系數，具體厚度要經過熱工計算而定。

對構件構造層次的設計也是建筑設計的主要任務之一。對于外墻來說，一般有“外墻外保溫”和“外墻內保溫”兩種做法，其中“外墻內保溫”是將保溫層做在墻體的內側，容易產生熱橋效應致使墻體變形，所以“外墻外保溫”應用較為廣泛，將保溫層做在墻體的外側，在為墻體保溫的同時，還保護了墻體。“外墻外保溫”構造層次如圖1所示。

圖1 外墻外保溫的構造層次

3 主動式高效用能系統

主動式高效用能系統主要是指通過先進的設備系統提高能源利用效率，例如空調系統、智能照明系統以及可再生能源利用系統等。主動式高效用能系統作為被動式節能技術的輔助手段，為整個建筑達到近零能耗的目標提供保障。

3.1 空調系統

在整個建筑運營階段，空調系統能耗將占運行總能耗的50%以上，可見高效的空調系統對降低建筑運營能耗的作用不容小覷。近年來，隨著地源熱泵技術的推廣應用，其在建筑節能方面的優勢得到普遍認可，節能效率能達到40%以上，被稱為暖通空調領域的“綠色空調技術”。

然而，地源熱泵技術并非適用于任何氣候條件，所以在進行空調系統設計時，需要因地制宜，選擇最優的設計方案。例如在寒冷地區地源熱泵技術能達到最佳的節能效果，而在嚴寒地區或者夏熱冬冷地區，由于冷熱負荷嚴重失衡，不宜單獨使用地源熱泵系統，但若與太陽能技術聯合使用，便會有更佳的節能效果。

另外，在進行建筑空調系統設計時，需要結合項目所在地的實際情況，選擇合適的地源熱泵設備，最常見的地源熱泵設備有三種：大地耦合熱泵、地下水熱泵及污水源熱泵，其特點如表2所示。

3.2 智能照明系統

《2022 中國建筑能耗與碳排放研究報告》指出：建筑直接碳排放已于2016 年到達峰值，“十三五”期間年均增速-3.1%，而建筑電力碳排放卻保持著年均7%的增速，所以在進行電氣照明系統設計時，應將物聯網、計算機等信息化技術融入到傳統照明系統中，實現照明系統智能化、高效化，進而降低建筑運行能耗。

當然，在進行智能照明系統設計時，甚至在建筑設計初期，自然光的充分利用是必要的。自然光具有零成本獲取、頻率變動、零光污染等優勢，在自然光下進行工作和生活，更加舒適，而且眼睛不易疲勞，這是任何高技術人工光源都無法媲美的。所以，在進行智能照明系統設計時，需要與建筑遮陽蓬、百葉窗相結合，借助光敏傳感器，感知光照強度，來調節室內的人工光源。

物聯網技術屬于智能照明系統的核心技術，依托傳感器進行信號采集和輸出，最終傳遞給控制系統。傳感器型號選擇應該“以人為本”，主要采集人員動作、人員密度、人員位置信息輸入至控制系統，才能滿足人們的照明需求。例如，紅外線傳感器用來采集人體存在信息；漫反射光電傳感器用來采集人員密度信息；電磁波和光纖傳感器用來采集人員位置信息。真正實現“人來燈亮、人走燈息”，避免“長明燈”，并可依據一定空間范圍內人員的數量自動開啟對應數量的燈具，從而節約能源、降低能耗。

3.3 可再生能源利用系統

近零能耗建筑并非是不允許建筑產生耗能，在合理的被動式節能設計以及主動式高效用能系統的雙重作用下，建筑能耗將會大大降低，實現“節流”，但未必能達到近零能耗建筑的標準，這就需要“開源”，即充分利用可再生能源，以替代石油、煤炭等不可再生能源。可再生能源種類有很多，比如太陽能、風能、水能以及地熱能等等。在進行建筑設計時，應該結合項目的實際情況，比如項目所在地的氣候特征、地理環境、建筑的類型等因素，合理制定可再生能源的利用方案。當然，也可考慮將兩種可再生能源聯合利用，例如太陽能及地熱能聯合利用，在我國已有很多成功案例。

4 結束語

在雙碳目標背景下，我國相繼出臺相關政策，近零能耗建筑將由點到面，會有很大的發展空間。要實現近零能耗建筑甚至零能耗建筑的目標，必須做到“兩手抓”，即“節流”和“開源”。首先在進行建筑設計時，要將建筑朝向、建筑門窗及建筑外圍護構件等作為節能設計的關鍵因素，另外基于地源熱泵等新型技術的空調系統以及基于物聯網技術的智能照明系統，將會大大降低建筑后期運行能耗，這些措施都稱為節流措施。而近零能耗建筑并非是不允許建筑產生耗能，還可以充分利用可再生能源，以替代石油、煤炭等不可再生能源。建筑設計直接決定著后期的施工階段能耗及運行階段能耗，所以建筑節能必須把好“設計”關。