关于我国“近零能耗建筑”发展的思考

徐伟，刘志坚，陈曦，张时聪

（1．中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院，北京100013；

2．华北电力大学动力工程系，河北保定071000）

 [摘要]积极应对全球变暖、减少碳排放和减缓石化能源燃烧已成为全球共同的战略选择。中国的能源主要消费于工业生产、交通运输及建筑行业，其中建筑行业能耗约占总能耗的28%左右，随着建筑面积的逐年递增，建筑能耗所占比例不断增高。“近零能耗建筑”由于其超低能耗、高热舒适等特点，越来越受到我国建筑行业和相关科研院所的广泛关注。本文主要针对国内外“近零能耗建筑”发展及研究的现状，探讨了我国“近零能耗建筑”发展所面临的相关问题，明确了“近零能耗建筑”在我国发展的技术路线，最后为“近零能耗建筑”在我国的健康发展指明了方向。

 [关键词]近零能耗建筑；技术路线；超低能耗；建筑节能

0  引言

 “零能耗建筑”一词，可以最早追溯到1976年。丹麦技术大学Torben V．Esbensen等通过理论计算和实验测试研究了丹麦地区一栋单层独户居住建筑太阳能冬季供暖综合利用过程，首次提出“零能耗建筑（住宅）”。通过对此建筑的外保温围护结构的精细处理，从而实现此建筑冬季供暖能耗从20 000 kW - h/a降低至2 300  kW - h/a。同时采用主动式太阳能集热器和储热水箱对此建筑进行冬季供暖和供生活热水。虽然Torben V．Esbensen等首次提出了“零能耗建筑”，但实质仅仅考虑了不使用传统的常规的能源对建筑进行冬季供暖。实现“零能耗建筑”往往要求精细的围护、精心的设计、高性能的设备，然而这又导致了建筑成本大幅度提升。鉴于此，目前国内更加广泛认可实施“近零能耗建筑”(nearly zero energy buildings)。对于“近零能耗建筑”，世界各国定义都有所差异。如1988年，瑞典德隆大学的博·亚当森教授( Bo Adamson)和德国住房与环境研究所的沃尔夫冈·费斯特教授(WolfgangFeist)就今后建筑发展进行了探讨，在此过程中首次提到了“被动房”这一概念，此“被动房”即为欧洲的“近零能耗建筑”的一种形式。1992年，德国Fraunhofer太阳能研究所Voss.K等，通过采用光一热一电一体化太阳能供暖技术对其一独栋建筑进行冬季供暖，通过3a的相关实验数据测试得出：在德国气候较为温和的相关区域，通过对围护结构和热回收装置的精心设计，能够使建筑物的全年热需求降低至10 kW - h/( m2．a)，而建筑物所需相关能耗可以通过太阳能供给。通过此相关研究，Voss.K教授提出“无源建筑”( Energy Autonomous House，也称为Self-sufficient Solar House)，“无源建筑”也为“近零能耗建筑”的一种形式。1994年，瑞士暖通空调专家鲁埃迪·克里西( RuediKriesi)博士和经济学家海因茨·尤伯萨克斯( HeinzUebersax)博士共同提出“迷你能耗房”( Minergie)概念，“迷你能耗房”主要强调建筑可持续发展、超低能耗及高舒适度等特征，其具体层面包括10项关键技术要求，主要包括体型系数要求、围护结构气密性要求、玻璃密封性要求、墙体和屋顶围护结构保温特性要求、新风及室内空气品质要求、可再生能源利用要求、余热利用及热回收要求、绿色健康可回收建筑材料使用要求、楼板辐射空调系统使用要求及高效节能灯具及电器使用要求等。目前，Minergie得了到瑞士政府支持，是瑞士商业性绿色建筑认证主要依据和标准，其中“Minergie”划分为MINERGIE⑧、MINERGIE⑧一P和MINERGIE⑩-ECO三级标准。“迷你能耗房”( Minergie)也是“近零能耗建筑”的一种形式。2002年，意大利国家建筑研究中心Stefano Fattor和FlavioRuffini博士提出“气候房”(Climate HouseKlimaHausCasaClima) -词，与常规建筑相比，“气候房”能节约90%的常规能源，且通风空调系统低于30 kW．h/( m2．a)。其中意大利的“气候房”也为“近零能耗建筑”的一种表现形式。世界范围内不同国家对“近零能耗建筑”定义及称谓方式多种多样，主要还包括“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。

我国对于“近零能耗建筑”相关技术引进较晚。直到最近几年国家政策开始向节能减排倾斜，“近零能耗建筑”技术作为建筑节能的有效途径被纳入研究人员的视野。2010年上海世博会上引人注目的“德国汉堡之家”是中国引进的第一座经过认证的“近零能耗建筑”。此建筑的功能实现过程中很好地体现了“需求最小化”和“供给最优化”这两种策略。前者主要得益于建筑良好的隔热性、气密性以及其独有的紧凑体积结构，后者则因为该建筑在无需电能输入且没有空调供暖设备辅助的情况下，全年维持室内温度在25℃左右，满足了人体对于住宅房间的舒适性要求。2014年，住房和城乡建设部科技司组织开展，由中国建筑科学研究院具体组织实施了“被动式超低能耗绿色建筑项目”征集调研。截至2014年10月，共收到全国上报项目12个，其中住宅项目3个，公共建筑项目9个。从地域分布来看，严寒地区项目2个，寒冷地区项目6个，夏热冬冷地区项目2个，夏热冬暖地区项目2个。其具体项目名称及相关参数如表1所示。

1  “近零能耗建筑”研究现状

 国外“近零能耗建筑”技术起步早且发展较为迅速。其中德国的“被动房”相关研究更为活跃。Jurgen Schnieders等研究了不同气候区的适应性问题，最后得出被动房在不同气候区节能性能有所差异，在温度和湿度较高且持续时间较长的气候区，潜热和显热去除的热需求量可能超过70  kW．h/( m2．a)；Tamara Bajc等数值模拟了带有Trombe墙的“被动房”的能量需求，结果表明Trombe墙是一种使用太阳能有效的手段，能够为Belgrade地区的被动房设计提供有利的手段；Yongjun Sun等对“近零能耗建筑”设计过程中微观系统的敏感性进行研究，结果表明通风空调系统、可再生能源系统及建筑储能系统直接制约着“近零能耗建筑”运行的性能指标；Tommerup等对丹麦境内6栋示范居住建筑的监测数据的分析结果也验证了文献[9]的相关结论；Martin Thalfeldt等研究了寒冷地区“近零能耗建筑”外表面结构，最终得出三层Low-E玻璃所占外墙比例最高为25%，同时外墙的传热系数不超过0. 16 W/( m2．K)才能满足Estonian地区的超低能耗需求；EikeMusall等的研究结果表明高性能保温结构、热泵技术和太阳能热水系统在被动式住房中应用较多，其次是自然采光、遮阳系统以及被动通风等被动式技术；李慧星等通过Dest软件数值模拟了严寒地区“近零能耗建筑”与常规建筑空调能耗，结果表明“近零能耗建筑”冬季供暖负荷比常规建筑节能73. 7%，全年综合节能率达到55. 2%，仅空调系统一项就有巨大的节能潜力；李怀等通过现场实测探讨了“近零能耗建筑”地源热泵系统运行特性，结果表明在严寒地区“近零能耗建筑”中，夏季运行工况的过程，地源热泵系统可以提供53%的冷负荷，而冬季运行工况中，地源热泵可以提供97%的热负荷，几乎满足了“近零能耗建筑”中全部供暖需求；张时聪等分析了国际典型“近零能耗建筑”示范工程技术路线，最终得出“近零能耗建筑”中广泛应用的技术主要包括高性能保温结构、光伏系统、太阳能热水系统以及热泵可再生能源应用系统等；Musall等通过对国外282栋“近零能耗建筑”示范项目运用的技术进行汇总分析，结果表明目前“近零能耗建筑”的设计中，太阳能技术、机械通风热回收技术、建筑遮阳技术以及免费供冷等技术使用比例相对较高。

2“近零能耗建筑”技术路线

随着世界经济不断发展，能源战略重要的作用越发明显。减少建筑能耗和推进建筑节能相关工作成为各国政府及相关科研人员的迫切任务。“近零能耗建筑”作为一种超低能耗建筑，为此提供了完美的解决方案。“近零能耗建筑”作为一种较新的建筑节能综合技术，需要科学合理的技术路线，从而保障此技术的健康顺利地实施。纵观世界各国“近零能耗建筑”发展历程，如Wang Liping在英国卡迪夫区域实施的低层建筑住宅，Franco在法国留尼旺岛上实施的ENERPOS“近零能耗办公建筑”，Goncalves等在葡萄牙里斯本实施的“SOLARXXI近零能耗建筑”，Mahdavi等在奥地利维也纳地区实施的“被动房”，Morelli等对丹麦一栋1896年的建筑实施“近零能耗建筑”改造以及Miloard对塞尔维亚Kragujevac地区的3栋低层建筑进行改造等，上述所提的“近零能耗建筑”无不起到科学示范、理论研究和设计探索的作用。其不同国家“近零能耗建筑”示范项目特征参数如表2所示。

近年来，随着中国政府及相关科研人对建筑节能工作的不断重视，“近零能耗建筑”的出现为中国建筑节能提供了一个良好的技术支撑。正如前面所述，中国引入“近零能耗建筑”时间较晚，因此需寻求适合我国“近零能耗建筑”的技术路线。通过中国“近零能耗建筑”示范项目，积极探讨零能耗建筑的技术路线，同时不断总结相关技术经验，最终获得适合我国“近零能耗建筑”发展的技术路线。近三年来，中国建筑科学研究院通过示范工程积极探索和总结，得出相关技术路线如图1所示。

 从图1可以看出，准确预测建筑负荷和相关能耗是“近零能耗建筑”设计的基础，通过“被动式”设计降低负荷是关键，通过采用高性能建筑能源系统、暖通空调系统及可再生能源建筑系统是核心，监控、调试及运行策略控制是后期的有效保障，最终通过“近零能耗建筑”自愿标识和认证，从而促进和推动市场行业的发展。

3“近零能耗建筑”发展存在的问题

 近年来，“近零能耗建筑”在中国迅速发展，但仍存在一些问题需要加以解决。

 1)统一定义，设定中长期发展目标

 “近零能耗建筑”一词听起来很容易理解，似乎很容易定义，但目前各国政府及机构对于零能耗建筑研究的边界划分、计算范围、衡量指标、转换系数、平衡周期等问题还都不尽相同。物理边界的划分对能耗平衡的计算有着较大的影响。因此需要将其在中国范围内统一其定义。完成建筑节能不是一朝一夕的事情，同样完成中国建筑“近零能耗化”也不能一蹴而就，需要设定中长期的发展目标，统一规划，才能有利于“近零能耗建筑”在我国健康持久发展。未来50 a（或许时间更长），通过统筹规划，实现新建建筑的“近零能耗化”，实现既有建筑“近零能耗化”改造，从而逐步实现建筑超低能耗。

 2)明确“近零能耗建筑”指标及建筑特征

 在国际通常认定的指标包括室内环境指标、气密性指标、能耗指标等。室内环境指标究竟如何规定，超温频率如何定义，室内空气环境中二氧化碳阈值为多少，一次能源需求如何计算，供热需求如何核算等一系列细节问题需进一步明确。

 3)节能产品、设备的性能需大幅度提升

 相关节能产品及相关设备的性能直接决定着“近零能耗建筑”运行特性及后续的超低能耗节能特性。因此通过大幅度提升节能及相关设备的性能可以有效保障“近零能耗建筑”实现超低能耗。

 4)可再生能源卡暖通空调系统的能效提升

 传统建筑中，通风空调系统能耗约占建筑能耗的40%。暖通空调系统主要由冷热源系统、输配系统及末端系统等构成。在“近零能耗建筑”设计及施工的过程中，通过整体提高暖通空调系统的整体能效和采用余热回收装置，有助于降低建筑整体能耗。通过使用可再生能源系统，如使用太阳能热水系统、太阳能光伏系统、太阳能光电系统、太阳能照明系统、地源热泵系统及风电系统，从而有效降低建筑整体能效。

 5)既有示范建筑的后续监测、评估和持续改进

 正如本文第2节“近零能耗建筑”技术路线所述，中国“近零能耗建筑”健康科学发展离不开既有建筑的示范作用。对建成示范建筑数据监测十分重要，通过实测数据分析既有建筑的节能特性及运行特性，寻求适合我国的“近零能耗建筑”的技术路线，从而评估和持续改进相关技术路线。

 6)不能完全照搬国外的做法，建立符合我国国情的技术体系

 目前，德国的“近零能耗建筑被动房”技术体系较为完善，而德国被动房标准相对较高，特别适用于当地的气候条件。中国幅员辽阔，有严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及温和地区等5个不同气候区，不同的气候区气象条件差异较大，建筑物冷热负荷差别较大，因此我国必须建立与供暖度日数、空调度日数相关的低能耗绿色建筑的技术指标体系和路线。我国建筑特点与德国相比也具有较大的差异，我国住宅多以多层和高层建筑为主，建筑密度大、容积率高、人住率差别较大。与德国相比，体型系数较小，建筑中公共区域较大，实现高层建筑超高性能难度较大。与德国相比，生活习惯也存在较大的差异。我国习惯通过自然通风解决室内新风和过热问题，习惯部分时间和部分空间的室内参数保证，习惯过渡季开窗降温。同时不同气候区，不同经济水平居民生活方式、生活习惯差别较大，中餐餐饮方式，油烟、水蒸气大，厨房和卫生间具有间歇排风等。

 与德国相比，在气候特点、建筑特点、生活习惯及用能特点等方面都存在较大的差异，因此发展中国特色的被动式超低能耗建筑体系是我国建筑发展的必由之路。然而中德之间关于“近零能耗建筑”还存在很多相似之处。如以目标为导向，即规定性能目标，不规定具体技术措施。核心原则，即包括能耗、气密性、一次能源消耗及室内环境。高舒适度下的节能原则，即保证舒适的室内环境的前提下最大限度地节约能源。自愿性先进原则，即通过自愿申请认证，其远高于现有节能标准的超低能耗标准。

4展望

 世界能源消耗主要分布于工业、交通及建筑三大领域。从建筑领域而言，世界各个国家都在制定“近零能耗建筑”发展的路线图和对应的目标。如欧盟要求截止2020年，各成员国要基本达到建筑零能耗的目标，美国，韩国，日本、意大利及澳大利均制定了相关的节能目标。

 世界各国已在“近零能耗建筑”的实践上迈出了第一步，中国也在积极探索适合国情的“近零能耗建筑”发展路线，可以预言，“近零能耗建筑”将势必引领建筑节能的发展，从而进一步提升新一代绿色建筑技术水平。基于上述内容，对我国“近零能耗建筑”未来发展展望如下：

 1)“近零能耗建筑”已成为国际新的发展趋势，积极吸收和借鉴国外成功经验，促进我国“近零能耗建筑”相关技术健康发展。

 2)需要建立符合中国国情的“近零能耗建筑”技术体系，对接我国法规和建筑标准体系，分阶段认证适应我国建筑建设管理程序。

 3)需要产业升级换代，满足市场的需求，充分考虑现有节能技术和产业支撑能力，促进产业升级。

 4)需要尽快出台行业技术指南或导则，从而科学评估既有和新建的“近零能耗建筑”。

 5)需要有序科学推广和认证，通过制定中长期目标，遵守市场规律，有序推广“近零能耗建筑”在我国的健康发展。

 6)通过降低其相关成本、提升性价比及扩大规模等措施推进“近零能耗建筑”市场化。