节能建筑新起点零能耗建筑

瞿 燕（华东建筑设计研究院有限公司， 上海 200011）

1 研究背景

自 20 世纪 70 年代石油危机以来，世界各国开始意识到建筑节能的重要性，并开始制定建筑节能相关的政策和标准、研发建筑能耗分析软件，以推动和强化建筑节能事业[1]。根据美国、日本及欧洲等发达国家和地区建筑节能相关标准体系的发展情况可知，当前各国建筑节能标准包括两类：一是以各类技术参数作为指标，指导建筑设计等过程环节；二是以建筑整体能耗为指标，对建筑运行能耗进行约束[1]。从国际上来看，从“相对节能”走向“用能限额”形式的绝对能耗控制，是发达国家建筑节能的发展趋势之一。多个欧盟成员国的建筑节能标准采用规定新建建筑整体能耗限额或排放指标的方式，而不再单独规定不同围护结构部位的热工性能系数[2]。丹麦、德国等国家对低能耗建筑给出了能耗指标的绝对值要求[3]。美国、日本和欧盟等国家和经济体向建筑零能耗发展[4]。从目前各国对于零能耗建筑的探索和发展来看，一些发达国家和经济体政府在过去的 5～10 a 间相继制定了迈向零能耗建筑的发展目标，各个国家关于零能耗建筑的定义、名称、路线、政策、推广方式有所差异，并且都在寻找适合本国的零能耗建筑发展的技术体系和优化路径。

我国建筑节能标准化工作从 20 世纪 80 年代开始，从北方采暖地区居住建筑起步，逐步扩展到了夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和公共建筑，建筑节能标准也完成了 30% 节能率、50% 节能率和 65% 节能率三步走的跨越[5]。经过 30 多年的发展之后，初步形成了以建筑节能专用标准为核心的独立建筑节能标准体系。发展更高标准的节能建筑，是我国建筑节能工作深入开展的内在需求，其中零能耗建筑作为在国际上被广泛接受的理念，也引起了行业的重视。2019 年颁布实施的 GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技术标准》首次对零能耗建筑的概念和指标予以明确的界定。其中，“零能耗建筑”被定义为：室内环境参数与近零能耗建筑相同，充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源，使可再生能源年产能大于或等于建筑全年全部用能的建筑[5]。

从全球建筑节能的发展脉络来看，实现建筑能耗强度的不断降低始终是发展目标。无论基于何种定义，零能耗建筑均实现了建筑能耗的中和，因此在节能建筑的发展道路上，零能耗建筑似乎是奔跑的终点。但零能耗建筑是节能建筑的终点吗？面对零能耗建筑，我们应该保有怎样的认识与态度？要回答这一问题，需要对零能耗建筑的挑战与机遇有充分的认识。

2 零能耗建筑的难度分析

世界各国在零能耗建筑的实践上相继迈出脚步，但总体来看，在零能耗建筑的项目实践上还未成规模，多呈单点的项目发展。究其原因，主要在于实现零能耗建筑有一定的难度和挑战，可以归纳为如下三点。

2.1 最大限度降低能源需求

要降低建筑能耗，首先需要降低建筑的采暖空调、照明等需求，这是建筑本体设计需要完成的工作。如要降低建筑的能源需要，需要在建筑形体朝向、围护结构热工、自然采光与通风、建筑遮阳等方面开展精细化的设计。由于所处的地域、环境以及资源的不同，各国家和地区发展零能耗建筑需要有不同的技术路径。以德国和中国为例：德国被动房对围护结构厚保温的要求适用于当地的气候条件；但中国地域辽阔，气候差异大，不同气候区建筑物冷热负荷差别较大，围护结构厚保温并非都适宜。不同建筑功能类型在使用特征上有显著差异，降低其能源需求的技术路径也有差异。以商业建筑为例，大人流和高密度的设备导致室内发热量大，如何选择适宜的降负荷措施这点就与办公等类型有差别。

因此发展零能耗建筑需要因地制宜地考虑地域因素、气候因素以及建筑本身的功能差异，需选择适宜的降低需求技术措施。

2.2 最大限度应用可再生能源

可再生能源是零能耗建筑技术体系中重要的组成部分。合理地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等技术是中和建筑自身能耗的必要措施。但太阳能光伏等可再生能源技术在目前的技术水平下转化效率并不高，要实现零能耗的可再生能源供应量需要充足的应用面积，这与建筑通常可提供的面积资源有冲突。尤其是中高层的建筑项目，其总能耗需求更高，而能提供的太阳能利用面积资源有限，实现零能耗的难度较大，这也是当前的零能耗建筑项目普遍体量较小的原因。同时，可再生能源的资源分布不均，无论是太阳能还是地热利用，在不同的地区可利用的条件有较大差异。

因此如何根据当地的资源和建筑自身条件进行可再生能源应用是零能耗建筑发展中需要解决的问题之一。

2.3 解决高成本代价

由于零能耗建筑需要通过高性能建筑围护结构、高效建筑能源系统、充足的可再生能源供应和精细化运行管理与控制来实现，随之会带来建筑成本较高的问题。针对典型案例的研究表明，零能耗建筑在初建阶段成本约为普通节能建筑的 1.4 倍。即使考虑太阳能发电所节约和结余的电能获益，以及国家关于分布式光伏发电的补贴，零能耗建筑在生命周期内（50 a）累计成本约为普通节能建筑的 1.1 倍[6]。

如何降低零能耗建筑的成本投入，更好地平衡零能耗建筑的生命周期成本和节能效益，是提高零能耗建筑市场可行性的重要问题。

3 理念更新与新材料发展

如前所述，零能耗建筑是建筑节能的未来，但在当前阶段也面临多项挑战，需要建筑节能行业做出更多的努力才能推动零能耗建筑在更大范围的发展的应用。要应对挑战，需要在设计中更新理念，同时也依赖于新材料、新设备的发展和应用。

3.1 理念更新

（1）重视气候响应设计。气候响应设计是指适应气候特征和自然条件，以气候特征为引导进行建筑方案设计，基于项目当地的气象条件、生活居住习惯，借鉴本地传统建筑被动式措施进行建筑平面总体布局、朝向、采光通风、室内空间布局的适应性设计。以地域特征为基础的气候响应设计，能够以最小的经济代价营造一个优良的建筑本体，为建筑节能创建良好的基础条件，应该成为零能耗建筑在设计时的首要原则。基于上海地区的典型办公案例研究表明，良好的朝向能够降低供暖空调负荷需求 10%，良好的自然通风设计可以减少空调运行时间 15%。

（2）坚持以能耗目标为导向的建筑节能设计。常规的建筑节能设计是以节能措施的应用为导向。对于零能耗建筑而言，设计中应该转变思路，以明确的能耗目标为导向开展反向设计。所谓“以能耗目标为导向的建筑节能设计”是指以建筑能耗指标为性能目标，利用能耗模拟计算软件，对设计方案进行逐步优化，最终达到预定性能目标要求的设计过程。基于能耗目标为导向的定量化设计与优化，分析计算确定各部分性能参数，围绕能耗目标，综合考虑建筑本体设计、围护结构、机电设备及可再生能源利用各部分的节能技术，优化设计与技术组合，以求相互配合，共同实现节能目标。

（3）开展建筑整体气密性设计。长期以来，我国建筑节能设计要求的是构件的气密性，只对外窗的气密性提出要求。对于零能耗建筑，需要转变设计理念，开展建筑整体气密性设计。建筑物整体气密性，是在封闭状态下阻止空气渗漏的能力，可表征建筑物或房间在正常密闭情况下的无组织空气渗透量。通常采用压差实验检测建筑气密性，以换气次数 n50，即室内外 50 Pa 压差下换气次数来表征建筑气密性。零能耗建筑应以建筑整体气密性的控制作为设计目标，对气密层、门窗构件、墙面洞口的设置予以重点考虑。

3.2 新材料应用

（1）高性能门窗。建筑门窗是建筑节能关键之一，应当着重处理门窗的密封性能和保温性能。我国各地目前应用的节能门窗，其整体传热系数通常在 2.0 W/(m2·K)以上，气密性通常在 6 级以上。而要实现零能耗，需要更高性能的门窗应用。如按照德国被动房标准建设，通常外窗传热系数要达到 0.80 W/( m2·K)，外窗气密性达到 8 级以上。该类高性能门窗，需要热工性能更优的窗框及玻璃，通常采用三玻两腔中空玻璃、真空玻璃等高性能材料，而窗框除了塑钢、铝合金等传统型材，也有铝包木、铝木复层、玻纤聚氨酯等新型的型材。为了保证更高的气密性指标，需要更严密的气密性构造。此外，对于夏季炎热的地区而言，外遮阳也是重要的节能措施。将外遮阳与外窗一体化的产品，如中置百叶的节能窗，也是零能耗建筑应用的选择之一。随着变色薄膜技术的发展，可以通过改变外窗玻璃的颜色来调节窗户在冬季和夏季的太阳得热系数，实现可调节遮阳的新型技术选项。铝包木窗框、四玻三腔、中置百叶组成的高性能外窗，如图 1 所示。

图1 高性能外窗（铝包木窗框+四玻三腔+中置百叶）

（2）高效制冷产品。除了建筑围护结构保温等被动式技术及可再生能源外，提高建筑暖通空调系统的能效也是实现建筑节能减排的重要途径。根据国家发改委等 7 部委联合印发的《绿色高效制冷行动方案》，到 2022 年，我国家用空调、多联机等制冷产品的市场能效水平要在 2017 年的基础上提升 30% 以上，绿色高效制冷产品的市场占有率提高20%；到 2030 年，大型公共建筑制冷能效提升 30%，制冷总体能效水平提升 25% 以上，绿色高效制冷产品的市场占有率提高 40%以上。不断提升空调制冷产品能效，发展应用磁悬浮等新型高效空调设备，将是推进零能耗建筑发展的重要市场助力。

（3）光伏建材。光伏建材（BIPV）是指将太阳能电池组件与普通建筑材料结合成一体的新型建筑材料，如光伏瓦、光伏玻璃等。光伏建筑一体化适用于绝大多数建筑立面、屋顶和幕墙等。其主要优势在于集成的 BIPV 组件可以构成建筑外立面或遮阳等装置，大幅增加了建筑可提供的可再生能源应用面积，兼具现场发电的功能，将建筑从耗能方转变为供能方，为实现建筑零能耗和零碳排放提供一条可行的道路[7]。在我国“十三五”规划中，明确提出了光电建筑发展的发展路线，到 2020 年末，力争使新建光电建筑占新建绿色建筑的 25%，光伏建材有着良好的发展契机。早在2015 年，我国已经发布了 CECS 418—2015《太阳能光伏发电系统与建筑一体化技术规程》，指导太阳能光伏发电系统与建筑一体化的设计、安装、验收与运行维护，以推动其在建筑的应用。

4 从历史维度看零能耗建筑的未来

回顾建筑节能的发展历程，以历史的眼光来看，任何新的节能理念和技术在出现之初都会经受各种挑战，但最终经过历史的演变和社会的发展而被逐步接受。通过节能外窗和光伏两项产品的发展变化可以印证此点。

2001 年，JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》发布，对居住建筑外窗传热系数的最低要求是4.7 W/(m2·a)，单层玻璃窗即可满足要求，社会的接受度也在该水平。在当时，无论成本，抑或技术，绝大部分人都不会接受应用断桥隔热 low-E 中空玻璃窗。2015年，DGJ 08-205—2015 《上海居住建筑节能设计规范》发布，外窗最低要求达到 2.2 W/(m2·a)以下，需要断桥隔热以及中空等要求才能达到。可见，仅 14 a 时间，外窗热工要求提高 50%以上，这个变化的背后，是社会对建筑节能的更深了解和更广泛接受、是门窗行业的技术进步和成本降低。

另外一个显著的案例是光伏发电。10 a 前，光伏发电系统在建筑上应用的突出标签是不经济、造价高、以发电效益计算的投资回收期过长。2009 年前后光伏发电系统在建筑上应用的系统单价，约在 30～40 元/WP。10 a 间，随着光伏发电制造行业的技术发展进步，光伏发电系统的成本不断降低。2019 年建筑工程项目上光伏发电系统报价已达到 5～6元/WP 以下。成本的大幅度降低，使得光伏发电建筑应用的综合效益大幅度提升，投资回收期越来越短，光伏发电系统也被更多的工程接受，成为一种被广泛接受的可再生能源建筑应用技术。

面对零能耗建筑，应该保有怎样的认识与态度？从历史的眼光来看，零能耗建筑发展面临的挑战会随着技术的进步、行业的发展、社会的接受而逐步克服，有着光明而灿烂的未来。从更远的未来看，全球应对气候变化的挑战，建筑节能的要求必然会越来越高，零能耗建筑是降低建筑能耗的完美解决方案，将会得到越来越高的重视度。零能耗建筑所面临的挑战与机遇也表明，零能耗建筑不是节能建筑的终点，而是新的起点，需要行业有更大的接受度和更多的技术投入。建筑节能从业者需要充分的接纳、拥抱这种新的节能建筑理念，深入开展技术研究、工程实践、标准体系建设等工作，努力作为参与者推动零能耗建筑的发展和应用，为地球的可持续发展贡献力量。

5 结 语

实践表明，零能耗建筑面临着能耗极度降低、可再生能源最大限度应用与增量成本高企的三大困难。针对于此，从理念更新与新材料技术的应用两大方面提出相应应对措施。研究认为，应从气候响应、加强被动节能设计、提升建筑气密性等设计理念着手，转变设计思维，同时配合以高性能门窗、高效制冷产品与光伏产品的不断更新提升，达到最终实现零能耗的目标。任何新理念从提出到推广都需要经过时间的检验，在这一过程中，需要行业有更大的接受度和更多的技术投入。零能耗建筑不是节能建筑的终点，而是新的起点。