零能耗建筑的意义——美国奥尔多·利奥波德遗产中心给我们的启示

范圣东 ，彭仲雄 （安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽 合肥 230000）

1 零能耗建筑

1.1 零能耗建筑概念提出

“零能耗建筑”的概念最早可追溯至1976年，丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的Torben V.Esbensen教授团队通过对丹麦一栋单层住宅的冬季太阳能采暖综合利用实验测试研究，提出“零能耗住宅”（Zero Energy House）。他们对建筑外墙保温进行严格处理，同时增加42m2的太阳能集热器和30m3的保温蓄水池。外墙保温使建筑冬季采暖能耗从原先的20000kWh/a降至2300kwh/a，增设的太阳能集热器可吸收热量7300kWh/a，去除设备能耗损失，即可满足住宅冬季供暖需求，从而不依靠传统的外部能源输入，实现采暖能耗自给自足[1]。受限于当时技术水平，Torben V.Esbensen教授团队的零能耗建筑仅从外墙保温和太阳能集热两方面处理，与现今应用各种综合技术方法的零能耗建筑有较大差距。

1.2 零能耗建筑发展

1992年，德国Voss.K团队考虑到建筑与城市公共电网连接的情况，提出建筑物和城市电网之间打破传统的单向供电模式。当太阳能光电系统供电量大于建筑所需量时，可将多余电量传输至公共电网供其他建筑使用；当太阳能光电系统供电量小于建筑所需量时，从公共电网接入电量。在以年为单位的统计情况下，光电系统产生的能源与建筑所消耗的能源达到平衡，这样建筑就实现零能耗[2]。

技术的发展使零能耗建筑在技术操作层面更具可行性。高性能维护结构可以极大地减少建筑热能损失。例如2006年德国建成的零能耗示范楼，窗户传热系数0.7W/（m2·K），远低于我国严寒地区居住建筑节能设计标准的1.9～2.5W/（m2·K），外墙传热系数仅为0.12W/（m2·K），地板传热系数为0.16W/（m2·K）[3]。地源热泵系统、水源热泵系统也打破了以往单一的太阳能光电系统，为零能耗建筑提供更多的自然清洁能源。

设计方法的改变也促进了零能耗建筑的发展，被动式设计通过调节建筑体形系数、遮阳、通风和采光，最大限度的使用自然采光和通风，降低建筑对传统暖通空调系统的依赖。

2 奥尔多·利奥波德遗产中心零能耗设计方法

奥尔多·利奥波德遗产中心被誉为美国第一座当代碳中和建筑，其设计符合美国绿色建筑委员会的最高标准（LEED白金标准）。遗产中心位于北纬43。，美国威斯康辛州巴拉布市的乡下，处于四季温度变化明显的寒带气候中，一月份平均气温低至零下17。，七月份平均气温高达28。。这一地区四季分明，气温、风向、日照时长、小气候、降水类型丰富[4]。

2.1 合理的平面布局

遗产中心主体建筑坐落于场地中心位置，包括公共入口、问询处、公共休息室、员工区和展览空间。会议大楼设在西侧，而首排大厅和车间都位于主体建筑的东南侧，围合庇护着中间花园（图1）。这个简单的场地设计提供了采光、风力发电、被动式采暖和自然通风，这些都是实现零能耗目标的必要条件。

2.2 被动式太阳能设计

六月当地每日日照时长可达16h，而十二月仅有9h。夏天与冬天的平均温度差为27℃。在这种情况下，建筑设备中占主导地位的是提供热负荷的设备，这增加了通过使用被动式太阳能达到建筑零能耗的难度。建筑师在设计时不仅把太阳能和风能用于制热和制冷，同时也尝试利用这些能量满足日常照明需求。

图1 建筑总平面图

不同的建筑空间对温度有不同需求，有员工工作及展览空间的主楼一年四季都使用空调调温，而会议室只在使用时供热。首排大厅和车间无机械制热与制冷系统，但大厅的柴炉在最寒冷的时期可以补充供热。主楼消耗的能源最多，因此将其设计为南北朝向，在冬天可以优化太阳能的获取。在供暖季节，南面的“热流通区”可收集和储存太阳热能，这些热能是从连接员工工作区的大型推拉门窗传入。在需要制冷的季节，一个结构简单的悬挑屋顶就阻挡了阳光直射。毗邻流通区域的遮蔽，用来接收十一月到一月的正午阳光，以及阻挡五月到七月的正午日照（图2）。

图2 能量传导分析

图3 餐厅内景

图4 展览区高侧窗采光

可开启的窗户保证室内通风，使气流穿过南立面，到达更远的区域。一个开放式的厨房巧妙地布置在员工区的中心，从上部南向的高侧窗采光（图3）。充足的光照在主楼中心区域营造了一个充满活力的社交空间。一排朝北的高侧窗贯穿中心员工区，并且最北端的工作区还有可开启的窗户，以此可以直接观景并提供了与场地的联系。展览区域为避免阳光直射，使用了一个北向高侧窗来提供间接照明（图4）。

2.3 太阳能设计与高性能材料

建筑屋顶上有大规模的光伏阵列进行现场发电（图5）。设计师认为太阳能设计是实现零能耗目标的基础：“太阳塑造了这个项目，你必须去感受阳光和气候，这样你就能解决更多的技术问题……一切始于太阳能收支平衡，这种能源收支决定了什么是可获得的，你可以从太阳那里获得多少能量，然后在能源收支平衡范围内设计建筑”。使用被动式策略进行建筑设计之后，设计师整合供热、制冷、通风、热水和光电系统为一体再应用到建筑中。设计师研究发现，为了实现零能耗建筑，大约需要280m2光伏电板用于产生建筑所需的能量。建筑获取太阳能可通过三个途径，包括被动式太阳能设计、主动式热水系统和光伏阵列。设计师创造的独立置换通风系统通过建筑物地下管道加热或冷却空气，并以0.018cfm/m2的量为建筑内部输送百分百的户外空气。太阳能热水加热系统满足热水需求，同时一个39.6kW的并网发电式光伏阵列每年可供应61250kWh的电量。

图5 建筑屋顶太阳能板

建筑整体采用高性能的玻璃、门、窗和细节设计来减少渗透，整体绝缘的建筑产生热质量是0.009Btu/h/m2，远低于ASHRAE（美国加热冷冻及空调工程师协会）要求的0.021Btu/h/m2。独立的制热区可以被分开，也可以合并，这取决于工作区是否需要供热或制冷。简单的被动式设计策略结合可再生能源和机械系统，即可以满足遗产中心全年的供热、制冷、通风和照明的需要。这表明在寒冷气候条件下的建筑可以实现零能耗的生态目标。

3 奥尔多·利奥波德遗产中心对我国现代建筑节能设计带来的启示

奥尔多·利奥波德遗产中心的成功告诉我们，一系列适度而周到的设计策略能够实现建筑零能耗，其对我国现代建筑节能设计有重要启示意义。

3.1 建筑融合技术

零能耗建筑的发展离不开科学技术的进步。太阳能光电系统、太阳能光热系统、高性能建筑外墙保温系统、HVAC系统以及建筑内部控制智能化等先进技术为实现建筑零能耗奠定了基础。相较于欧美发达国家，我们的建筑技术仍相对较低，太阳能和地热能的开发与利用仍受限于技术瓶颈，这就需要我们突破技术壁垒，转化利用技术成果。

3.2 因地制宜地选择适宜技术手段

我国幅员辽阔，气候条件差异巨大，东部与西部的太阳能资源、风力资源也相差巨大，因此，因地制宜地选择适合本地区的技术手段尤为重要。东部沿海地区是我国最大风能资源区，有效风能密度大，有效风力出现时间百分率达80%～90%，此地区建筑可以重点利用风能进行风力发电。西部地区是我国太阳能资源最丰富的地区，尤以西藏西部最为突出，日辐射量高达6.4kWh/m2，居世界第二，此地区建筑可以利用太阳能发电取暖，同时解决高寒地区电力设施无法铺设的问题。北部严寒和寒冷地区则可以利用地热能满足冬季供暖[5]。

3.3 重点建筑示范引导

零能耗建筑相较于普通建筑而言，全寿命周期运营成本低，但其一次性资金消耗较大，带来的效益需数年甚至数十年才能显现。因此，从我国国情出发，短期内全面实现建筑零能耗仍不现实。制定分步发展计划，重点地区实施，逐步推广是行之有效的方法[6]。通过重点建筑示范引导，鼓励业主积极尝试使用零能耗建筑技术。同时，制定相应的规范制度，引导与约束并重。

3.4 设计结合技术

单纯从技术手段实现建筑零能耗会造成资源极大浪费，我们需要将设计与技术相结合，通过被动式设计方法，合理控制建筑体形系数、建筑朝向、内外遮阳、自然通风与采光、房间功能性布局，采用高性能窗户与高性能保温结构，减少建筑对能源的依赖和建筑能耗损失。

4 结语

零能耗建筑有着巨大的发展潜力，其对提高人们生活品质，降低不可再生能源消耗，减少碳排放有着重要意义。奥尔多·利奥波德遗产中心为我们指明了零能耗建筑的发展方向，被动式设计加主动式技术，是每一座新建筑都可以尝试的方向，相信终有一天，我们也会沿着节能的道路实现建筑零能耗。