發布時間：2021-02-25所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘 要] 我國建筑節能工作經過 30 年的發展，取得了舉世矚目的成就，但是建筑節能工作的下一步發展路線和目標尚不清晰。從世界范圍看，為了應對氣候變化，實現可持續發展戰略，超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的概念得到了廣泛關注。本文首先對近零
[摘 要] 我國建筑節能工作經過 30 年的發展，取得了舉世矚目的成就，但是建筑節能工作的下一步發展路線和目標尚不清晰。從世界范圍看，為了應對氣候變化，實現可持續發展戰略，超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的概念得到了廣泛關注。本文首先對近零能耗建筑發展存在的問題進行深入探討，其次提出適宜的解決路徑。
[關鍵詞] 建筑節能; 超低能耗建筑; 近零能耗建筑; 零能耗建筑
0 引 言
我國正處在城鎮化快速發展時期，經濟社會快速發展和人民生活水平不斷提高，導致能源和環境矛盾日益突出，建筑能耗總量和強度上行壓力不斷加大。實施能源資源消費革命發展戰略，推進城鄉發展從粗放型向綠色低碳型轉變，對實現新型城鎮化，建設生態文明具有重要意義。自 1980 年以來，在住房和城鄉建設部的領導及各級政府和科研機構的共同努力下，以建筑節能標準為先導，我國建筑節能工作取得了舉世矚目的成果，尤其在降低嚴寒和寒冷地區居住建筑供暖能耗、公共建筑能耗和提高可再生能源建筑應用比例等領域取得了顯著的成效 ( 圖 1) 。我國的建筑節能工作經歷了 30 a 的發展，現階段建筑節能 65% 的設計標準已經基本普及，建筑節能工作減緩了我國建筑能耗隨城鎮建設發展而持續高速增長的趨勢，并提高了人們居住、工作和生活環境的質量[1]，但面向未來建筑節能工作的中長期發展路線和目標尚不清晰。
從世界范圍看，為了應對氣候變化，實現可持續發展戰略，超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的概念得到了廣泛關注，歐美等發達國家先后制定了一系列中長期發展目標和政策，以不斷提高建筑的能效水平。歐盟 2010 年修訂的《建筑能效指令》( Energy Performance of Building Directive， EPBD) 要求歐盟國家在 2020 年底前所有新建建筑都必須達到近零能耗水平[2-3]。美國能源部建筑技術項目設立目標，到 2020 年零能耗住宅市場化， 2050 年實現零能耗公共建筑在低增量成本運營[4]。
2002 年開始的中瑞超低能耗建筑合作，2010 年上海世博會的英國零碳館和德國漢堡之家是我國建筑邁向更低能耗的初步探索[5]。2011 年起，在中國住房和城鄉建設部與德國聯邦交通、建設及城市發展部的支持下，住房城鄉建設部科技發展促進中心與德國能源署引進德國建筑節能技術，建設了河北秦皇島在水一方、黑龍江哈爾濱溪樹庭院、河北省建筑科技研發中心科研辦公樓等建筑節能示范工程[6]。2013 年起，中美清潔能源聯合研究中心建筑節能工作組開展了近零能耗建筑、零能耗建筑節能技術領域的研究與合作，建造完成中國建筑科學研究院近零能耗示范建筑[7]、珠海興業近零能耗示范建筑等示范工程，取得了非常好的節能效果和廣泛的社會影響。
2016 年發布的《中國超低/近零能耗建筑最佳實踐案例集》[8]，對我國開展超低/近零能耗建筑工程項目的技術方案、施工工法以及運行效果加以總結、梳理和提煉。示范工程涵蓋嚴寒、寒冷、夏熱冬暖、和夏熱冬冷四個氣候區，包括居住建筑、辦公建筑、商業建筑、學校、展覽館、體育館、交通樞紐中心等不同建筑類型。超低/近零能耗建筑已從試點成功向示范過渡，未來具有廣闊的發展前景。
為了建立符合中國國情的超低能耗建筑技術及標準體系，并與我國綠色建筑發展戰略相結合，更好地指導超低能耗建筑和綠色建筑的推廣，受住房和城鄉建設部委托，中國建筑科學研究院在充分借鑒國外被動式超低能耗建筑建設經驗并結合我國工程實踐的基礎上，編制了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則( 試行) 》[9]，并于 2015 年 11 月發布。導則頒布實施后，一批示范工程參照本導則進行建設。此外，北京市、河北省、山東省等地也相繼編制和出臺了適用于本地的被動式超低能耗建筑技術導則或設計標準。在導則實施的過程中，也發現了一些問題。例如，導則雖對被動式超低能耗綠色建筑進行定義，但對于目前較為流行的近零能耗建筑、零能耗建筑等名詞的定義與其之間的差別尚不清楚。此外，導則僅針對居住建筑提出技術要求，而缺少對被動式超低能耗公共建筑的技術指導。與國外發達國家相比，我國在氣候特征、建筑室內環境、居民生活習慣等方面都有獨特之處，發達國家技術體系無法完全復制，需要針對我國具體情況開展基礎理論研究，建立技術及指標體系，開發設計及評價工具，相關科研工作也在陸續開展。
2017 年 9 月，由中國建筑科學研究院牽頭、共 29 家單位參與的“十三五”國家重點研發計劃項目 “近零能耗建筑技術體系及關鍵技術開發”啟動。該項目旨在以基礎理論研究和指標體系建立為先導，以主被動技術和關鍵產品研發為支撐，以設計方法、施工工藝和檢測評估協同優化為主線，建立我國近零能耗建筑技術體系并集成示范。
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為促進“十三五”時期建筑業持續健康發展，住建部以及部分省市地區政府都對超低/近零能耗建筑發展提出明確目標要求[10]，具有巨大市場需求和廣闊發展前景。但是，我國近零能耗建筑仍處在起步階段，面臨未來 5 ～ 20 a 發展需求，近零能耗建筑仍存在諸多技術瓶頸。本文首先對近零能耗建筑發展存在的問題進行深入探討，其次提出適宜的解決路徑。
1 發展存在的問題
1. 1 我國發展近零能耗建筑的特殊性
中國作為一個歷史悠久、國土廣袤的多民族發展中大國，不同地區的文化和氣候差異很大，我國研究近零能耗建筑的特殊國情主要體現在以下 3 個方面:
1) 不同于發達國家的高舒適度和高保證率下的高能耗，我國建筑能耗特點為低舒適度和低保證率下的低能耗。研究表明，無論是人均建筑能耗還是單位面積建筑能耗，我國目前都遠低于發達國家，這主要是由于我國的建筑形式和能源使用方式決定的[11-12]。在我國長江流域及以南地區，由于采用 “部分時間、部分空間”的采暖方式，采暖能耗遠遠低于同樣氣候狀況的歐洲國家[11]。在室內溫度方面，我國夏季室內溫度高于歐美，冬季室內溫度普遍偏低[13]。并且，我國開窗是居住建筑獲得新風的普遍形式[14]，而在歐美發達國家通常使用機械通風保證新風量的供應。如果我國近零能耗建筑追求歐美的全空間全時間的高舒適度，勢必導致建筑能耗的快速上升。就現階段而言，使用國際相關指標體系中的一次能源消耗量要求對于我國是不適用的。
2) 我國地域廣闊，氣候差異大。國家標準 GB 50178—1993《建筑氣候區劃標準》將我國劃分為五個氣候區，不同氣候區的氣候差異巨大。從采暖/供冷度日數的概念來看，深圳、武漢和北京地區的平均年供冷度日數分別為 2107、1189 以及 840[15]，差異巨大。因此，我國無法實施統一的近零能耗建筑能耗指標，各氣候區需要建立自己的指標體系。
3) 多層、高層居住建筑是我國住宅建筑的主要形式，空置率過高導致的戶間傳熱損失大和集中設備負荷率低對建筑能耗產生重要的影響。
1. 2 目標與技術路線不清晰
科學界定我國近零能耗建筑的定義及不同氣候區能耗指標是發展近零能耗建筑的基礎。目前尚存在近零能耗建筑定義、能耗指標以及技術指標體系缺失的問題。
近零能耗建筑的技術特征是根據氣候特征和場地條件，通過被動式設計降低建筑用能需求，提升主動式能源系統和設備的能效，進一步降低建筑能源消耗，再利用可再生能源對建筑能源消耗進行平衡和替代( 圖 2) 。通過對國際上相關定義的比對可以看出[16-17]，各國政府及機構對于近零能耗、零能耗建筑的物理邊界、能耗計算平衡邊界、衡量指標、轉換系數、平衡周期等問題都不盡相同。不同的定義對近零能耗建筑的計算的結果影響很大。因此，應以我國建筑特點、能源結構以及經濟生活水平特點為基礎，對我國近零能耗建筑進行定義。
近零能耗建筑能耗指標的確定應通過對建筑全生命周期內的經濟和環境效益分析得到。德國被動房的性能，即累計熱負荷小于 15 kW·h /( m2 ·a) ，就是考慮該能耗水平能使歐洲近零能耗建筑在經濟性上達到相對較優的水平，接近經濟最優點[18]。最優方案的確定，需要利用到快速自動優化能耗模擬計算工具。目前，我國尚缺少多參數多目標優化算法和工具，用以尋找不同氣候區、不同類型近零能耗建筑的經濟和環境效益最優方案，從而建立適宜的能耗指標體系。
要建立適合我國特點的近零能耗建筑技術體系，不同氣候區技術路線應有所差異。以建筑高保溫圍護結構為例，極低的傳熱系數是以供暖需求為主地區實現近零能耗建筑的關鍵[19]。有研究顯示，對于以供冷需求為主的地區，圍護結構熱工性能的提高，反而導致建筑能耗的增加[20]。這是由于內熱及輻射得熱不易散失導致的，即使增加通風量，對于保溫較好的建筑冷負荷仍會有增長。因此，建立適應我國建筑特征、氣象條件、居民習慣、能源結構、產業基礎、法規及標準體系的近零能耗建筑能耗技術體系尤為重要。
1. 3 基礎性理論研究缺乏
近零能耗建筑是指適應氣候特征和自然條件，通過被動式技術手段，最大幅度降低建筑供暖供冷需求，最大幅度提高能源設備與系統效率，利用可再生能源，優化能源系統運行，以最少的能源消耗提供舒適室內環境，且室內環境參數和能耗指標滿足標準要求的建筑物，已有的基礎性理論研究不適宜應用于近零能耗建筑。現階段，我國尚缺少對近零能耗建筑高氣密性、超低負荷等特性下，有關空間形態特征、熱濕傳遞、氣密性、空氣品質、熱舒適、新風系統能源系統等各參數間的耦合關系規律等基礎理論的研究。
以氣密性研究為例，首先，由于近零能耗建筑的高氣密性，盡管理論上室內污染源特征與普通建筑并無差別，但是由于高氣密性等新材料的使用，以及使用后形成的高氣密性室內環境，使得室內污染物在散發種類與速率、氣相中的傳播途徑等方面產生差異，最終影響室內污染物的分布。其次，由于我國由裝修和家具引起的室內污染較為嚴重，近零能耗建筑的新風全部依賴于機械通風，而非開窗通風，因此如何科學界定我國近零能耗建筑的基準新風量以及分時分季的修正方法以滿足室內空氣品質要求，需要進一步研究和確定。新風量的增加勢必導致能耗的上升。有研究表明[21]，由于使用初期，內裝修剛完成不久，殘留異味較大，需要不定時開窗通風，因此系統供冷初期試運行階段能耗較高。再次，對于可以開窗的普通建筑以及全部依賴機械通風的近零能耗建筑而言，科學評價熱舒適所應采用的方法和標準也應有不同[22]。
1. 4 主被動技術性能及集成度低
近零能耗建筑主被動技術性能及集成度低問題主要體現在 1) 缺少高性能墻體、外門窗、遮陽關鍵技術與產品; 2) 缺少集成式高效新風熱回收設備; 3) 不同氣候區低冷熱負荷建筑供暖供冷系統方式不明確; 4) 可再生能源和蓄能技術耦合集成應用不高。
1. 4. 1 被動式技術
2016 年發布的《中國超低/近零能耗建筑最佳實踐案例集》[8]對我國既有超低/近零能耗建筑進行調研，本研究選取 14 棟有完整以及合理數據的建筑進行分析。通過比較可以發現( 表 1) ，用于超低/ 近零能耗建筑的部品性能要遠遠高于現行節能標準。平均而言，超低/近零能耗建筑屋面、外墻和外窗的傳熱系數比普通建筑分別低 68% 、70% 和 62% 。因此，需要開發高性能產品與技術以推動近零能耗建筑的發展。——論文作者：徐 偉，楊芯巖，張時聰
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