關于我國“近零能耗建筑”發(fā)展的思考
徐偉，劉志堅，陳曦，張時聰
（1．中國建筑科學研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院，北京100013；
2．華北電力大學動力工程系，河北保定071000）
[摘要]積極應對全球變暖、減少碳排放和減緩石化能源燃燒已成為全球共同的戰(zhàn)略選擇。中國的能源主要消費于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及建筑行業(yè)，其中建筑行業(yè)能耗約占總能耗的28%左右，隨著建筑面積的逐年遞增，建筑能耗所占比例不斷增高。“近零能耗建筑”由于其超低能耗、高熱舒適等特點，越來越受到我國建筑行業(yè)和相關科研院所的廣泛關注。本文主要針對國內(nèi)外“近零能耗建筑”發(fā)展及研究的現(xiàn)狀，探討了我國“近零能耗建筑”發(fā)展所面臨的相關問題，明確了“近零能耗建筑”在我國發(fā)展的技術路線，最后為“近零能耗建筑”在我國的健康發(fā)展指明了方向。
[關鍵詞]近零能耗建筑；技術路線；超低能耗；建筑節(jié)能
0 引言
“零能耗建筑”一詞，可以最早追溯到1976年。丹麥技術大學Torben V．Esbensen等通過理論計算和實驗測試研究了丹麥地區(qū)一棟單層獨戶居住建筑太陽能冬季供暖綜合利用過程，首次提出“零能耗建筑（住宅）”。通過對此建筑的外保溫圍護結構的精細處理，從而實現(xiàn)此建筑冬季供暖能耗從20 000 kW - h/a降低至2 300 kW - h/a。同時采用主動式太陽能集熱器和儲熱水箱對此建筑進行冬季供暖和供生活熱水。雖然Torben V．Esbensen等首次提出了“零能耗建筑”，但實質(zhì)僅僅考慮了不使用傳統(tǒng)的常規(guī)的能源對建筑進行冬季供暖。實現(xiàn)“零能耗建筑”往往要求精細的圍護、精心的設計、高性能的設備，然而這又導致了建筑成本大幅度提升。鑒于此，目前國內(nèi)更加廣泛認可實施“近零能耗建筑”(nearly zero energy buildings)。對于“近零能耗建筑”，世界各國定義都有所差異。如1988年，瑞典德隆大學的博·亞當森教授( Bo Adamson)和德國住房與環(huán)境研究所的沃爾夫岡·費斯特教授(WolfgangFeist)就今后建筑發(fā)展進行了探討，在此過程中首次提到了“被動房”這一概念，此“被動房”即為歐洲的“近零能耗建筑”的一種形式。1992年，德國Fraunhofer太陽能研究所Voss.K等，通過采用光一熱一電一體化太陽能供暖技術對其一獨棟建筑進行冬季供暖，通過3a的相關實驗數(shù)據(jù)測試得出：在德國氣候較為溫和的相關區(qū)域，通過對圍護結構和熱回收裝置的精心設計，能夠使建筑物的全年熱需求降低至10 kW - h/( m2．a(chǎn))，而建筑物所需相關能耗可以通過太陽能供給。通過此相關研究，Voss.K教授提出“無源建筑”( Energy Autonomous House，也稱為Self-sufficient Solar House)，“無源建筑”也為“近零能耗建筑”的一種形式。1994年，瑞士暖通空調(diào)專家魯埃迪·克里西( RuediKriesi)博士和經(jīng)濟學家海因茨·尤伯薩克斯( HeinzUebersax)博士共同提出“迷你能耗房”( Minergie)概念，“迷你能耗房”主要強調(diào)建筑可持續(xù)發(fā)展、超低能耗及高舒適度等特征，其具體層面包括10項關鍵技術要求，主要包括體型系數(shù)要求、圍護結構氣密性要求、玻璃密封性要求、墻體和屋頂圍護結構保溫特性要求、新風及室內(nèi)空氣品質(zhì)要求、可再生能源利用要求、余熱利用及熱回收要求、綠色健康可回收建筑材料使用要求、樓板輻射空調(diào)系統(tǒng)使用要求及高效節(jié)能燈具及電器使用要求等。目前，Minergie得了到瑞士政府支持，是瑞士商業(yè)性綠色建筑認證主要依據(jù)和標準，其中“Minergie”劃分為MINERGIE⑧、MINERGIE⑧一P和MINERGIE⑩-ECO三級標準。“迷你能耗房”( Minergie)也是“近零能耗建筑”的一種形式。2002年，意大利國家建筑研究中心Stefano Fattor和FlavioRuffini博士提出“氣候房”(Climate HouseKlimaHausCasaClima) -詞，與常規(guī)建筑相比，“氣候房”能節(jié)約90%的常規(guī)能源，且通風空調(diào)系統(tǒng)低于30 kW．h/( m2．a(chǎn))。其中意大利的“氣候房”也為“近零能耗建筑”的一種表現(xiàn)形式。世界范圍內(nèi)不同國家對“近零能耗建筑”定義及稱謂方式多種多樣，主要還包括“Low energy house”，“Highperformance buildings", “Energy saving house",“Ultra low energy house"，“Zero energy house",“Zeroenergy buildings”,“Zero heating energy house",“Plusenergy house”,“Zero carbon house”,“Emission freehouse”, “Carbon free house”, “Energy selfsufficient". “BREEAMbuilding", “EQuilibriumhouse”,“Green building",“Very low energy house”等。
我國對于“近零能耗建筑”相關技術引進較晚。直到最近幾年國家政策開始向節(jié)能減排傾斜，“近零能耗建筑”技術作為建筑節(jié)能的有效途徑被納入研究人員的視野。2010年上海世博會上引人注目的“德國漢堡之家”是中國引進的第一座經(jīng)過認證的“近零能耗建筑”。此建筑的功能實現(xiàn)過程中很好地體現(xiàn)了“需求最小化”和“供給最優(yōu)化”這兩種策略。前者主要得益于建筑良好的隔熱性、氣密性以及其獨有的緊湊體積結構，后者則因為該建筑在無需電能輸入且沒有空調(diào)供暖設備輔助的情況下，全年維持室內(nèi)溫度在25℃左右，滿足了人體對于住宅房間的舒適性要求。2014年，住房和城鄉(xiāng)建設部科技司組織開展，由中國建筑科學研究院具體組織實施了“被動式超低能耗綠色建筑項目”征集調(diào)研。截至2014年10月，共收到全國上報項目12個，其中住宅項目3個，公共建筑項目9個。從地域分布來看，嚴寒地區(qū)項目2個，寒冷地區(qū)項目6個，夏熱冬冷地區(qū)項目2個，夏熱冬暖地區(qū)項目2個。其具體項目名稱及相關參數(shù)如表1所示。
1 “近零能耗建筑”研究現(xiàn)狀
國外“近零能耗建筑”技術起步早且發(fā)展較為迅速。其中德國的“被動房”相關研究更為活躍。Jurgen Schnieders等研究了不同氣候區(qū)的適應性問題，最后得出被動房在不同氣候區(qū)節(jié)能性能有所差異，在溫度和濕度較高且持續(xù)時間較長的氣候區(qū)，潛熱和顯熱去除的熱需求量可能超過70 kW．h/( m2．a(chǎn))；Tamara Bajc等數(shù)值模擬了帶有Trombe墻的“被動房”的能量需求，結果表明Trombe墻是一種使用太陽能有效的手段，能夠為Belgrade地區(qū)的被動房設計提供有利的手段；Yongjun Sun等對“近零能耗建筑”設計過程中微觀系統(tǒng)的敏感性進行研究，結果表明通風空調(diào)系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)及建筑儲能系統(tǒng)直接制約著“近零能耗建筑”運行的性能指標；Tommerup等對丹麥境內(nèi)6棟示范居住建筑的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結果也驗證了文獻[9]的相關結論；Martin Thalfeldt等研究了寒冷地區(qū)“近零能耗建筑”外表面結構，最終得出三層Low-E玻璃所占外墻比例最高為25%，同時外墻的傳熱系數(shù)不超過0. 16 W/( m2．K)才能滿足Estonian地區(qū)的超低能耗需求；EikeMusall等的研究結果表明高性能保溫結構、熱泵技術和太陽能熱水系統(tǒng)在被動式住房中應用較多，其次是自然采光、遮陽系統(tǒng)以及被動通風等被動式技術；李慧星等通過Dest軟件數(shù)值模擬了嚴寒地區(qū)“近零能耗建筑”與常規(guī)建筑空調(diào)能耗，結果表明“近零能耗建筑”冬季供暖負荷比常規(guī)建筑節(jié)能73. 7%，全年綜合節(jié)能率達到55. 2%，僅空調(diào)系統(tǒng)一項就有巨大的節(jié)能潛力；李懷等通過現(xiàn)場實測探討了“近零能耗建筑”地源熱泵系統(tǒng)運行特性，結果表明在嚴寒地區(qū)“近零能耗建筑”中，夏季運行工況的過程，地源熱泵系統(tǒng)可以提供53%的冷負荷，而冬季運行工況中，地源熱泵可以提供97%的熱負荷，幾乎滿足了“近零能耗建筑”中全部供暖需求；張時聰?shù)确治隽藝H典型“近零能耗建筑”示范工程技術路線，最終得出“近零能耗建筑”中廣泛應用的技術主要包括高性能保溫結構、光伏系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)以及熱泵可再生能源應用系統(tǒng)等；Musall等通過對國外282棟“近零能耗建筑”示范項目運用的技術進行匯總分析，結果表明目前“近零能耗建筑”的設計中，太陽能技術、機械通風熱回收技術、建筑遮陽技術以及免費供冷等技術使用比例相對較高。
2“近零能耗建筑”技術路線
隨著世界經(jīng)濟不斷發(fā)展，能源戰(zhàn)略重要的作用越發(fā)明顯。減少建筑能耗和推進建筑節(jié)能相關工作成為各國政府及相關科研人員的迫切任務。“近零能耗建筑”作為一種超低能耗建筑，為此提供了完美的解決方案。“近零能耗建筑”作為一種較新的建筑節(jié)能綜合技術，需要科學合理的技術路線，從而保障此技術的健康順利地實施。縱觀世界各國“近零能耗建筑”發(fā)展歷程，如Wang Liping在英國卡迪夫區(qū)域實施的低層建筑住宅，F(xiàn)ranco在法國留尼旺島上實施的ENERPOS“近零能耗辦公建筑”，Goncalves等在葡萄牙里斯本實施的“SOLARXXI近零能耗建筑”，Mahdavi等在奧地利維也納地區(qū)實施的“被動房”，Morelli等對丹麥一棟1896年的建筑實施“近零能耗建筑”改造以及Miloard對塞爾維亞Kragujevac地區(qū)的3棟低層建筑進行改造等，上述所提的“近零能耗建筑”無不起到科學示范、理論研究和設計探索的作用。其不同國家“近零能耗建筑”示范項目特征參數(shù)如表2所示。
近年來，隨著中國政府及相關科研人對建筑節(jié)能工作的不斷重視，“近零能耗建筑”的出現(xiàn)為中國建筑節(jié)能提供了一個良好的技術支撐。正如前面所述，中國引入“近零能耗建筑”時間較晚，因此需尋求適合我國“近零能耗建筑”的技術路線。通過中國“近零能耗建筑”示范項目，積極探討零能耗建筑的技術路線，同時不斷總結相關技術經(jīng)驗，最終獲得適合我國“近零能耗建筑”發(fā)展的技術路線。近三年來，中國建筑科學研究院通過示范工程積極探索和總結，得出相關技術路線如圖1所示。
從圖1可以看出，準確預測建筑負荷和相關能耗是“近零能耗建筑”設計的基礎，通過“被動式”設計降低負荷是關鍵，通過采用高性能建筑能源系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)及可再生能源建筑系統(tǒng)是核心，監(jiān)控、調(diào)試及運行策略控制是后期的有效保障，最終通過“近零能耗建筑”自愿標識和認證，從而促進和推動市場行業(yè)的發(fā)展。
3“近零能耗建筑”發(fā)展存在的問題
近年來，“近零能耗建筑”在中國迅速發(fā)展，但仍存在一些問題需要加以解決。
1)統(tǒng)一定義，設定中長期發(fā)展目標
“近零能耗建筑”一詞聽起來很容易理解，似乎很容易定義，但目前各國政府及機構對于零能耗建筑研究的邊界劃分、計算范圍、衡量指標、轉換系數(shù)、平衡周期等問題還都不盡相同。物理邊界的劃分對能耗平衡的計算有著較大的影響。因此需要將其在中國范圍內(nèi)統(tǒng)一其定義。完成建筑節(jié)能不是一朝一夕的事情，同樣完成中國建筑“近零能耗化”也不能一蹴而就，需要設定中長期的發(fā)展目標，統(tǒng)一規(guī)劃，才能有利于“近零能耗建筑”在我國健康持久發(fā)展。未來50 a（或許時間更長），通過統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)新建建筑的“近零能耗化”，實現(xiàn)既有建筑“近零能耗化”改造，從而逐步實現(xiàn)建筑超低能耗。
2)明確“近零能耗建筑”指標及建筑特征
在國際通常認定的指標包括室內(nèi)環(huán)境指標、氣密性指標、能耗指標等。室內(nèi)環(huán)境指標究竟如何規(guī)定，超溫頻率如何定義，室內(nèi)空氣環(huán)境中二氧化碳閾值為多少，一次能源需求如何計算，供熱需求如何核算等一系列細節(jié)問題需進一步明確。
3)節(jié)能產(chǎn)品、設備的性能需大幅度提升
相關節(jié)能產(chǎn)品及相關設備的性能直接決定著“近零能耗建筑”運行特性及后續(xù)的超低能耗節(jié)能特性。因此通過大幅度提升節(jié)能及相關設備的性能可以有效保障“近零能耗建筑”實現(xiàn)超低能耗。
4)可再生能源卡暖通空調(diào)系統(tǒng)的能效提升
傳統(tǒng)建筑中，通風空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑能耗的40%。暖通空調(diào)系統(tǒng)主要由冷熱源系統(tǒng)、輸配系統(tǒng)及末端系統(tǒng)等構成。在“近零能耗建筑”設計及施工的過程中，通過整體提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的整體能效和采用余熱回收裝置，有助于降低建筑整體能耗。通過使用可再生能源系統(tǒng)，如使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能光電系統(tǒng)、太陽能照明系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)及風電系統(tǒng)，從而有效降低建筑整體能效。
5)既有示范建筑的后續(xù)監(jiān)測、評估和持續(xù)改進
正如本文第2節(jié)“近零能耗建筑”技術路線所述，中國“近零能耗建筑”健康科學發(fā)展離不開既有建筑的示范作用。對建成示范建筑數(shù)據(jù)監(jiān)測十分重要，通過實測數(shù)據(jù)分析既有建筑的節(jié)能特性及運行特性，尋求適合我國的“近零能耗建筑”的技術路線，從而評估和持續(xù)改進相關技術路線。
6)不能完全照搬國外的做法，建立符合我國國情的技術體系
目前，德國的“近零能耗建筑被動房”技術體系較為完善，而德國被動房標準相對較高，特別適用于當?shù)氐臍夂驐l件。中國幅員遼闊，有嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)及溫和地區(qū)等5個不同氣候區(qū)，不同的氣候區(qū)氣象條件差異較大，建筑物冷熱負荷差別較大，因此我國必須建立與供暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)相關的低能耗綠色建筑的技術指標體系和路線。我國建筑特點與德國相比也具有較大的差異，我國住宅多以多層和高層建筑為主，建筑密度大、容積率高、人住率差別較大。與德國相比，體型系數(shù)較小，建筑中公共區(qū)域較大，實現(xiàn)高層建筑超高性能難度較大。與德國相比，生活習慣也存在較大的差異。我國習慣通過自然通風解決室內(nèi)新風和過熱問題，習慣部分時間和部分空間的室內(nèi)參數(shù)保證，習慣過渡季開窗降溫。同時不同氣候區(qū)，不同經(jīng)濟水平居民生活方式、生活習慣差別較大，中餐餐飲方式，油煙、水蒸氣大，廚房和衛(wèi)生間具有間歇排風等。
與德國相比，在氣候特點、建筑特點、生活習慣及用能特點等方面都存在較大的差異，因此發(fā)展中國特色的被動式超低能耗建筑體系是我國建筑發(fā)展的必由之路。然而中德之間關于“近零能耗建筑”還存在很多相似之處。如以目標為導向，即規(guī)定性能目標，不規(guī)定具體技術措施。核心原則，即包括能耗、氣密性、一次能源消耗及室內(nèi)環(huán)境。高舒適度下的節(jié)能原則，即保證舒適的室內(nèi)環(huán)境的前提下最大限度地節(jié)約能源。自愿性先進原則，即通過自愿申請認證，其遠高于現(xiàn)有節(jié)能標準的超低能耗標準。
4展望
世界能源消耗主要分布于工業(yè)、交通及建筑三大領域。從建筑領域而言，世界各個國家都在制定“近零能耗建筑”發(fā)展的路線圖和對應的目標。如歐盟要求截止2020年，各成員國要基本達到建筑零能耗的目標，美國，韓國，日本、意大利及澳大利均制定了相關的節(jié)能目標。
世界各國已在“近零能耗建筑”的實踐上邁出了第一步，中國也在積極探索適合國情的“近零能耗建筑”發(fā)展路線，可以預言，“近零能耗建筑”將勢必引領建筑節(jié)能的發(fā)展，從而進一步提升新一代綠色建筑技術水平�；谏鲜鰞�(nèi)容，對我國“近零能耗建筑”未來發(fā)展展望如下：
1)“近零能耗建筑”已成為國際新的發(fā)展趨勢，積極吸收和借鑒國外成功經(jīng)驗，促進我國“近零能耗建筑”相關技術健康發(fā)展。
2)需要建立符合中國國情的“近零能耗建筑”技術體系，對接我國法規(guī)和建筑標準體系，分階段認證適應我國建筑建設管理程序。
3)需要產(chǎn)業(yè)升級換代，滿足市場的需求，充分考慮現(xiàn)有節(jié)能技術和產(chǎn)業(yè)支撐能力，促進產(chǎn)業(yè)升級。
4)需要盡快出臺行業(yè)技術指南或導則，從而科學評估既有和新建的“近零能耗建筑”。
5)需要有序科學推廣和認證，通過制定中長期目標，遵守市場規(guī)律，有序推廣“近零能耗建筑”在我國的健康發(fā)展。
6)通過降低其相關成本、提升性價比及擴大規(guī)模等措施推進“近零能耗建筑”市場化。
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