凈零能耗建筑的未來意義及其實施路徑＊

孫彤宇 劉莎 史文彬

同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院

面對全球氣候變化的挑戰(zhàn)，減少溫室氣體排放和化石能源利用成為當務(wù)之急，而城市、建筑領(lǐng)域一直以來都是能源消耗和碳排放的大戶。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署的研究報告，全世界城市的面積只占地球表面的4%，但卻消耗了67%的能源，占溫室氣體排放量的70%[1]。隨著城市化的發(fā)展，預計到2030年，約60%的世界人口將生活在城市，未來幾乎所有的人口增長都將發(fā)生在城市地區(qū)[2]。聯(lián)合國對日益增長的城市化和氣候變化，以及城市對環(huán)境的巨大影響所造成的前所未有的自然災害之間的致命沖突發(fā)出警告，城市必須立即采取行動和措施減少溫室氣體排放，促進城市環(huán)境更可持續(xù)和更公平的發(fā)展[3]。

在建筑領(lǐng)域，以節(jié)能和減排為主要目標的綠色建筑成為重要研究領(lǐng)域，各類建筑節(jié)能標準、綠色建筑評價標準等均作為推動綠色建筑發(fā)展的主要手段。在技術(shù)上，從一般性的建筑節(jié)能到“被動式房屋”“低能耗建筑”“近能耗建筑”到“凈零能耗建筑”（NZEB），甚至是增能建筑（Ennergy Plus House）等，新技術(shù)不斷刷新，建筑節(jié)能效率的提高也達到前所未有的水平。

國際上包括中國在內(nèi)的主要國家和地區(qū)，對建筑節(jié)能都提出了相關(guān)的目標政策，如歐盟批準的《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive，EPBD）[4]提出要在2020年底，所有新建筑物應(yīng)為近零能耗建筑物；美國能源部（DOE，US）的建筑技術(shù)計劃中提及，要在2020年實現(xiàn)可銷售的零能耗房屋[5]；英國綠色建筑委員會（GBC，UK）承諾到2016年所有新建住宅為零碳建筑，到2030年所有新建筑的凈碳排放為零[6]；日本做出2030年全部新建筑達成零能耗建筑的承諾[7]；中國住建部提出，2016—2030建筑節(jié)能新三步走戰(zhàn)略規(guī)劃[8]等，這些政策在很大程度上提升了凈零能耗建筑在國際城市建設(shè)領(lǐng)域的滲透率[9]。到2020年，許多國家將要完成全部新建建筑的零能耗，部分國家也將完成公建或住宅的局部零能耗（圖1）。到目前為止，凈零能耗建筑技術(shù)已逐漸從實驗性建筑慢慢開始走向市場并進入推廣、普及階段。但是我們也看到，在房屋建筑市場，目前大量建筑仍然處于一種建造慣性中，盡管政府和行業(yè)力推的各種規(guī)范、標準、綠色建筑評級以及獎勵政策等，都對推進低能耗建筑和凈零能耗建筑起到了十分顯著的作用，但是在實現(xiàn)全面零能耗建筑乃至零能耗城市的道路上，仍然充滿各種阻力和巨大的挑戰(zhàn)。

1 對可持續(xù)發(fā)展和建筑節(jié)能認識轉(zhuǎn)變的緊迫性

1 國際節(jié)能目標時間軸

早在1987年，聯(lián)合國全球大會就提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念[10]。由于建筑能耗占據(jù)全球能源消耗的主要部分（2015年，建筑能耗占全球能源消費的40%），在20世紀90年代初，聯(lián)合國引入了“節(jié)能建筑”作為減少氣體排放并改善建筑環(huán)境的經(jīng)濟、健康和績效的高潛力解決方案[11-12]。在一段時間內(nèi)，建設(shè)節(jié)能建筑成為了減少世界總體能耗和CO2排放最有效的策略之一。為了使節(jié)能建筑得到更好的推行，世界各地都提出了相關(guān)政策，如歐盟的《建筑物能源性能指令》（EPBD）、中國的“十三五”規(guī)劃提出的“30-30-30”計劃等，政府計劃以強制方式來刺激市場建造（凈）零能耗建筑。但是在這樣的宏觀調(diào)控下，卻忽視了公眾對可持續(xù)的支持和認可的重要性。許多調(diào)研發(fā)現(xiàn)民眾對建筑節(jié)能措施并不感興趣，他們只有在絕對必要，如當設(shè)備出現(xiàn)故障需要更換時才會采取節(jié)能措施。歐洲建筑性能研究所（BPIE）在2011年對歐盟26個國家的節(jié)能建筑項目推行障礙進行研究，發(fā)現(xiàn)公眾意識障礙是阻礙能源效率的相關(guān)投資第二關(guān)鍵因素，僅次于經(jīng)濟障礙[13]。

雖然抵御全球氣候變暖的重要性早已深入人心，但是具體到對待單個建筑的節(jié)能問題時，人們更多地還是會從自身利益出發(fā)考慮，諸如造價的經(jīng)濟性問題、單個建筑對長期的可持續(xù)發(fā)展目標關(guān)聯(lián)性問題、部分節(jié)能的量級與全球能源利用和碳排放量級的懸殊性等，都對最新建筑節(jié)能技術(shù)的推廣利用形成阻力。事實上，技術(shù)的進步與認識上的落后已成為目前發(fā)展綠色建筑最大的矛盾。產(chǎn)生這些認識上誤區(qū)的原因是復雜的，但是給予重視才是解決問題的開始，對認識誤區(qū)的解讀也許能夠有所幫助。

（1）建筑節(jié)能的經(jīng)濟性問題

由于公眾或非專業(yè)人士對綠色建筑和建筑節(jié)能缺乏了解和相關(guān)經(jīng)驗，通常大家的直覺都是綠色建筑確實可以節(jié)能，但是一定很貴，而且也不清楚到底跟建筑的實際使用有多大關(guān)系。因而，初始成本的增加經(jīng)常被建筑物所有者甚至是設(shè)計開發(fā)團隊認為是阻礙實現(xiàn)綠色（節(jié)能）建筑的主要障礙之一[14]。然而，綠色建筑相比普通建筑而言是否有成本的增加，增加的程度又是否真的高到難以接受？

國際上主要通過兩個關(guān)鍵術(shù)語：“綠色成本溢價”1（Premium Costs）與“增量成本”2對綠色（節(jié)能）建筑的經(jīng)濟性進行研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然有一些研究表示綠色建筑的成本價格超過其現(xiàn)實價格（即有溢價成本）[15]，但也有研究表明能夠以非常低的成本實現(xiàn)綠色建筑。其中最具影響力的研究之一是在2003年美國加利福尼亞州的可持續(xù)建筑工作組（Sustainable Building Task Force in the State of California）委托一群可持續(xù)發(fā)展顧問以及來自聯(lián)邦機構(gòu)和國家實驗室的專家，對33座美國綠色建筑評價體系（LEED）建筑物（主要是學校和辦公樓）進行了分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的成本溢價約為2%，增加成本約$4/ ft2（約302元/m2），這大大低于原本的預期[16]。除此之外，在最佳的情況下，綠色建筑和普通建筑之間并沒有明顯的成本差異[17]。英國的專業(yè)成本咨詢公司Davis Langdon前后三次對綠建成本進行實驗，分別收集了美國19個縣的600座可持續(xù)公共建筑物以及144個LEED待申請項目（分兩次實驗進行），研究得出許多項目無需額外的預算就能滿足LEED認證[18]。甚至有研究表明，綠色建筑不僅不會增加成本，反而從建筑生命周期的角度來看，由于維護成本低，考慮到運營成本，可持續(xù)建筑的成本實際上比常規(guī)建筑低，甚至還會帶來經(jīng)濟收益[19]。

在綠色建筑成本方面，國內(nèi)學術(shù)界主要針對綠色建筑和建筑節(jié)能在全生命周期內(nèi)增量成本和增量效益3進行分析。其中，大部分研究認為在全生命周期內(nèi)，綠色建筑的增量效益要遠大于增量成本，并且20～30年內(nèi)可以回收建筑的增量成本[20]；有的項目全生命周期的增量效益甚至達到了增量成本的3.14倍[21]。就住宅而言，中國綠建住宅的增量成本為26.6元/m2（一星級）、281.74元/m2（二星級）、302.7元/m2（三星級），增量成本占總成本百分比分別為3.05%、7.93%和10.84%[22]。綜上可知，綠色建筑的增量成本要比預期低得多。特別是在華東地區(qū)（如上海），其普通建筑的建設(shè)成本比較高，所以綠色建筑的增量成本比例占建筑總造價會相對更小一些，加上上海等沿海地區(qū)普遍的高房價，使得這一增量成本顯得微乎其微。就公共建筑而言，綠色建筑的增量成本回收期會更短，如中國建筑科學研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院辦公樓作為近零能耗示范樓，在節(jié)能方面的增量成本為700元/m2左右，預計5～8年即可收回投資成本[23]。

為了提高綠色建筑的經(jīng)濟性，各個國家尤其是建筑發(fā)達地區(qū)，政府相繼推出了綠色建筑激勵政策來抵消大部分增量成本，如2012年中國財政部和住建部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于加快推動我國綠色建筑發(fā)展的實施意見》中就提出了具體的獎勵政策，如對二星級綠色建筑每平方米獎勵45元，對三星級綠色建筑每平方米獎勵80元[24]。隨著綠色建筑產(chǎn)品的成熟和標準化，綠色建筑的增量成本還會進一步下降。若直接采用回收期短的節(jié)能技術(shù)，如高性能窗戶、節(jié)能燈、水冷冷凝的空調(diào)器等，綠色建筑增量成本的回收期都不超過3～5年，其中高性能窗戶的回收期只要不到4個月[25]。

綜上，一味地認為綠建造價高是一種誤解，特別是從全生命周期的角度來看，綠建是有投資意義的。對于許多處于金融危機的歐洲國家，與許多其他形式的投資相比，針對節(jié)能措施的投資也被證明是更為保守的投資手段[12]。

（2）可持續(xù)的長期目標與具體建筑的關(guān)聯(lián)性問題

盡管可持續(xù)發(fā)展的概念已經(jīng)被主流社會所認同，但還沒有與公眾行為建立實質(zhì)性和主動性的關(guān)聯(lián)。如同英國環(huán)境保護部副主席Roland Clift所說，公眾認識的缺乏對于氣候變化是一個真正的威脅[13]。但是由于種種原因，雖然建筑物經(jīng)常需要維修或改善，但節(jié)能方案往往被業(yè)主忽視、拒絕或只是部分實現(xiàn)。例如，一般家庭會認為安裝一個低成本的節(jié)能燈可以節(jié)約能源，卻沒有可以通過改善圍護結(jié)構(gòu)的隔熱或升級鍋爐來節(jié)省更多能源的意識。

對建筑節(jié)能潛力認識的缺乏，是導致上述問題的關(guān)鍵原因。根據(jù)中國人民大學國家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院發(fā)布的《中國家庭能源消費研究報告（2016）》研究顯示，從能源成本分析來看，我國普通居民家庭2014年的家庭消費支出為39 029元，而其中大量支出浪費在了漏水的窗戶或管道、舊設(shè)備或效率低下的加熱和冷卻系統(tǒng)上。所以，加強對家庭能源消耗對象（如家電、熱水器、空調(diào)等）及其對應(yīng)節(jié)能措施的了解，幫助公眾更直觀、輕松地節(jié)能，是重建可持續(xù)目標與現(xiàn)實生活關(guān)聯(lián)的重要方法。美國能源部（US，DOE）[26]一方面推出了專業(yè)的“價格與趨勢”（Price and Trends）服務(wù)項目，通過向商人和消費者提供當前汽油、煤炭、可再生能源和其他燃料的價格趨勢信息，幫助他們做出對節(jié)能最有利的決定，讓市民在生活中能夠輕松節(jié)能；另一方面，DOE通過節(jié)能省錢指南《Tips on Saving Money and Energy in Your Home》和自己動手節(jié)能項目（Do-It-Yourself Energy Savings Projects）項目，將與建筑氣密性、照明和采光、窗戶、門和天窗等方面的提供商或產(chǎn)品制造商的目錄羅列出來，讓公眾輕松知道各措施的節(jié)能量，并且鼓勵民眾自己動手（DIY）進行住宅節(jié)能改造。

（3）全球氣候挑戰(zhàn)與單體節(jié)能之間量級關(guān)系

盡管在人們的意識中認為建筑節(jié)能很重要，但仍然存在全球氣候挑戰(zhàn)與單體建筑節(jié)能之間量級關(guān)系懸殊的問題，這也是造成建筑業(yè)主對凈零能耗建筑主動性不足的主要原因之一。2019年3月30日，世界各地188個國家和地區(qū)的個人、企業(yè)和城市都參加了“地球一小時”（Earth Hour）活動，呼吁采取緊急行動來保護環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，在2007年3月31日的“地球一小時”活動中，僅悉尼節(jié)省的電能就足夠20萬臺電視機使用1h，相當于1h內(nèi)路上少跑了48 613輛汽車，其節(jié)能減排效果顯著。除此之外，還產(chǎn)生了全球性的“蝴蝶效應(yīng)”：自2007年以來，“地球一小時”動員了企業(yè)、組織、政府和數(shù)億人為可持續(xù)的未來而行動，在全球范圍內(nèi)推動了氣候政策及其相關(guān)意識和行動的實施。“地球一小時”活動促成了阿根廷350萬ha的海洋保護區(qū)，創(chuàng)造了烏干達2 700ha的“地球一小時”森林，在2014年加拉帕戈斯群島出臺了使用塑料的禁令，為哈薩克斯坦種植了1 700萬棵樹，并推動保護俄羅斯海洋和森林的新立法的設(shè)立……[27]。所以雖然個人的熄燈一小時對于節(jié)約能源、減少發(fā)電造成的溫室氣體和其他污染性氣體排放或許只是杯水車薪，但是由此激發(fā)的環(huán)保意識深入人心化為思想，當思想化為行動，當行動變成習慣，那對于全球環(huán)保事業(yè)的貢獻，將絕不限于數(shù)字。

2 建設(shè)凈零能耗建筑意義深遠

在節(jié)能建筑的歷史演變過程中，從低能耗建筑（Low-Energy Building）、超低能耗建筑（Ultra-Low Energy Building）、被動式房屋（Passive House）、近零能耗建筑（Nearly-Zero Energy Building）到2016年美國國家可再生能源實驗室（NREL）推出的（凈）零能耗建筑（Net-Zero Energy Building/ Zero Energy Building），這一過程顯示了建筑節(jié)能效率的不斷提高。雖然每個國家對各個階段的節(jié)能建筑沒有統(tǒng)一的定義和衡量標準，但追求的目標是相似的。無論是超低能耗還是近零能耗，他們的目標都是為了達到如同美國LEED、中國《綠色建筑評價標準》等對于節(jié)能率“數(shù)量”上的要求，比如美國規(guī)定近零能耗獨棟居住建筑的供暖、供熱水能耗在2010年基礎(chǔ)上降低40%[14]，日本規(guī)定近零能耗建筑比常規(guī)建筑能耗降低75%[28]。

“凈”零能耗建筑是在近零能耗建筑基礎(chǔ)上，增加了智能電網(wǎng)、分布式能源等概念，并強調(diào)建筑產(chǎn)出的能量要比消耗的能耗更多[29]。基于此，有別于其他節(jié)能建筑，凈零能耗建筑的特殊意義在于創(chuàng)造一種可以自我運作的自循環(huán)系統(tǒng)，盡可能減少對環(huán)境的破壞和對資源的依賴，具備應(yīng)對未來極端氣候條件挑戰(zhàn)的能力。愈發(fā)頻繁的自然災難一直提醒著人們應(yīng)對全球氣候的緊迫性。根據(jù)美國外國災難援助辦公室（OFDA）的緊急災難數(shù)據(jù)庫EMDAT顯示，近幾十年來每年報告的自然災害總量一直在穩(wěn)步增加[30]，這在一定程度上預示在未來氣候惡化會有不可逆的可能[31]。加拿大學者Amélie Robert認為全球氣候變化劇烈，現(xiàn)階段建筑設(shè)計應(yīng)該考慮未來的氣候變化對建筑物能耗的影響[32]。英國綠色建筑協(xié)會（UK，GBC）在2019年11月8日發(fā)起了一項長期計劃的集會號召，呼吁在建筑環(huán)境中采取行動應(yīng)對氣候變化，并呼吁“到2030年，所有建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施將在整個生命周期中具有氣候適應(yīng)力，并通過優(yōu)先考慮最大化環(huán)境凈收益的解決方案”[31]。

從學界到政府都清楚地認識到，發(fā)展建筑節(jié)能并不只是單純地減少化石能源和碳排放這么簡單，應(yīng)對未來極端氣候挑戰(zhàn)的意義更加深遠。要為未來積累和儲備相關(guān)技術(shù)，發(fā)展凈零能耗建筑有其獨特的優(yōu)勢。首先，如果能夠在一定區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)建筑的零能耗，那么就可以減少城市的發(fā)電站，從本質(zhì)上為城市建設(shè)降低對化石能源的依賴奠定基礎(chǔ)，還能夠減少城市能源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)施的成本投入。其次，凈零能耗建筑具備不依賴外界而“自我循環(huán)”的可能，這對于未來抵御極端氣候有著非常重要的意義。同時，實現(xiàn)建筑或建筑群的“自我循環(huán)”將意味著實現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)人工生態(tài)環(huán)境的可能性，為未來人類不依賴于地球環(huán)境而在星際生存創(chuàng)造條件。

可以說，凈零能耗建筑與通常意義的建筑節(jié)能雖然看起來相似，但在本質(zhì)意義上有著分野。由于凈零能耗建筑意味著離網(wǎng)（即不再依賴城市管網(wǎng)系統(tǒng)）的可能性，因而對運行效果的檢驗非常簡單，不需要計算使用了多少城市供能，而只需要看能否正常使用即可，當然也要不斷記錄用能情況和使用特征，用以不斷推動完善建筑的能效。但凈零能耗這種極致的要求，將會至少在四個方面推動建筑技術(shù)的快速發(fā)展：1）推動可再生能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，由于不再使用化石能源，建筑用能將全部采用可再生能源，如太陽能、地能、風能、生物能等，是人類可以隨時獲得的能源，不受自然資源的制約，大大降低了人類對外部生存環(huán)境條件的依賴；2）推動建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱材料技術(shù)與構(gòu)造技術(shù)的進步，使建筑能耗降至最低；3）推動能源儲存技術(shù)的發(fā)展和進步；4）推動高能效用能設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和進步，各類用能設(shè)備將可能實現(xiàn)最優(yōu)化的功能與最少用能的耦合。

2 康奈爾科技園宿舍樓

3 康奈爾科技園宿舍樓裝配式外墻高保溫性能和高氣密性細部節(jié)點

綜上所述，凈零能耗建筑已超越了建筑節(jié)能的一般概念范疇，是未來儲備人類生存環(huán)境建設(shè)技術(shù)體系的必由路徑，因而意義深遠。

3 實現(xiàn)凈零能耗建筑技術(shù)路徑

實現(xiàn)凈零能耗建筑的“技術(shù)路徑”主要體現(xiàn)在兩個方面，一是充分降低建筑用能，二是充分利用可再生能源。根據(jù)大多數(shù)研究，技術(shù)路徑主要分為四步：第一步，基于對建筑負荷和相關(guān)能耗的預測，先通過“被動式”的優(yōu)化設(shè)計降低建筑能耗；第二步，通過采用高性能建筑能源（如照明、冰箱等）系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)的主動優(yōu)化方式，進一步實現(xiàn)建筑節(jié)能；第三步，使用可再生能源來滿足剩余能源的需求；最后，通過智能建筑運營管理系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)建筑的自調(diào)試和自運行[33]。當然，凈零能耗建筑在不同使用情況下的用能通常按最大能耗來配置可再生能源的生產(chǎn)，那么在其他工況下多余的能源就需要有較好的儲存設(shè)施來進行時間維度上的平衡，或者進行小型局域聯(lián)網(wǎng)，在建筑群之間實現(xiàn)用能共享。因此，以上四點可以概括為——最大程度降低建筑用能需求、最大可能提高能源使用效率、最大可能產(chǎn)出可再生能源、最有效的能源儲存和共享。

（1）最大程度降低建筑能源需求

最大程度降低建筑能源需求的設(shè)計通常被稱為“被動式”設(shè)計，一般作為NZEB設(shè)計的第一步[34]。首先要讓建筑最大限度地使用自然采光和自然通風，以此來減少建筑對日間照明及暖通空調(diào)的使用。主要措施有兩個：一是對朝向、體形系數(shù)、窗墻比、遮陽等進行設(shè)計來使建筑獲得最大限度的自然采光和通風；二是最大程度提高建筑自身的性能，如提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、低能耗的新風系統(tǒng)等（圖2）。

通過提高圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能和氣密性等來達到建筑節(jié)能的潛力非常大，是建筑節(jié)能中最關(guān)鍵的一步。在我國北方地區(qū)，當住宅的氣密性從0.98h-1提高到0.5h-1時，區(qū)域供暖能耗將減少12.6%[35]；與單層玻璃相比，低輻射率的雙層或三層玻璃窗可將建筑每平方米的能耗降低40%以上[36]。圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能策略主要包括高效隔熱系統(tǒng)、高性能窗戶、良好的氣密性等，而更高的性能主要是通過控制傳熱系數(shù)來達成，通過對比可知我國近零能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)性能提高較快，已經(jīng)達到國際水平（表1）。加上如今如膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等絕熱材料的傳熱系數(shù)已經(jīng)低至0.02～0.046W/（m2·k），是國標中近零能耗建筑規(guī)定要求的1/3～1/5，它的推廣將會使得圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能趨向最優(yōu)。

紐約康奈爾科技園宿舍樓是目前世界上第一座高層住宅被動式建筑，其通過極高保溫性能和極高氣密性的圍護結(jié)構(gòu)來降低用能需求，同時采用機械通風熱回收技術(shù)進行回補，實現(xiàn)超低能耗（圖2，3）。

（2）最大可能提高能源使用效率

最大可能提高能源使用效率，即將照明、家電、動力設(shè)備等各類用能設(shè)備盡可能實現(xiàn)最優(yōu)化的功能與最少用能的耦合。通過對歐洲12個國家進行調(diào)查，電器和照明用電量占總用電量的22%，而且通過選擇高效照明與家電設(shè)備措施是具有很高成本效益的。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲如果在解決建筑技術(shù)系統(tǒng)的同時優(yōu)化家庭照明、家用電器，如將白熾燈照明裝置更換為緊湊型熒光燈（CFL）或發(fā)光二極管（LED）裝置，將冰箱、洗碗機、洗衣機、烘干機等更換為全套A ++電器，則可以實現(xiàn)電力中和。在大多數(shù)情況下，這種提高家電效率的措施能夠?qū)⒓矣秒娖鞯挠秒娏繙p少35%或更多，對于實現(xiàn)NZEB目標至關(guān)重要[37]。

采用能耗較低的采暖和空調(diào)方式，以及智能化的用能控制系統(tǒng)將對提高能效十分關(guān)鍵。通常情況下，大部分采暖和空調(diào)的能耗均在使用者不舒適的情況下被白白浪費，如冬季采暖期室內(nèi)溫度過高，對使用者舒適性影響很大；夏季空調(diào)系統(tǒng)會給使用者帶來“空調(diào)病”。如果能夠按照使用者的實際需求實現(xiàn)恰當?shù)臏囟瓤刂?，則會提高節(jié)能效率和舒適性。建筑物能耗和室內(nèi)熱環(huán)境在很大程度上受居住者行為的影響，使用者行為的不確定性使得預測能耗與實際使用能耗相差非常大?，F(xiàn)實環(huán)境中，建筑系統(tǒng)的運行和控制直接受到使用者行為的影響，會導致超過30%的浪費[38]。因此，利用傳感器反饋進而對采暖空調(diào)設(shè)備進行智能控制，可以在保證使用者舒適性的同時提高實際使用能效，而且潛力巨大。

表1 現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計標準圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比較圖

紐約康奈爾科技園布隆伯格中心被認為是美國規(guī)模最大的凈零能耗建筑之一，其最大限度使用太陽能電池板，并設(shè)置了122m深的閉環(huán)地熱井組成地熱系統(tǒng)，同時采用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)使用者不同需求提供相應(yīng)能源，提高能源使用效率（圖4～6）。

（3）最大可能產(chǎn)出可再生能源（RES）

太陽能、地熱能、風能、生物能等可再生能源能夠自然補充，是我們目前唯一的長期能源供應(yīng)的選擇?？稍偕茉吹臐摿艽?，太陽每年向地球連續(xù)入射約90 000TW（可用功率用太瓦為單位）的輻射，其中大約1 000TW可以直接以太陽能的形式獲得，10TW的風能以及波浪、水力和（非太陽能）潮汐能、地熱能的形式獲得，而全球主要電力需求約為18TW。因此，如果可以以合理的成本提取足夠的可用能源，可再生能源的可利用量將遠遠超過人類所需[39]。

以上海市為例，2018年上海每月的居民生活用電量為13.9億kW·h，可估算每戶人家一天的用電量不到10kW·h，根據(jù)漢能公司（中國一家全球化的清潔能源跨國公司）提供的數(shù)據(jù)，每1平方米薄膜太陽能安裝在立面上1天可以發(fā)1kW·h電（170W×6h），那么只要在立面上安裝10m2薄膜即可滿足一家人一天的用量。那么根據(jù)上海住宅的常規(guī)戶型來看，只南面安裝薄膜太陽能板就能夠滿足一般家庭的用電問題，其造價大約在2萬元左右。這對于高房價的發(fā)達城市而言，性價比是極高的。在葡萄牙，就已經(jīng)有運用針對現(xiàn)有建筑物外墻的新型預制改造模塊方案——通過對單戶和多戶住宅南向安裝有效面積為8.3m2、功率為1.05kW的光伏電池板，單戶及多戶家庭建筑能耗就分別減少了69%和60%[40]。在孟加拉的一個社區(qū)中，利用風能與太陽能在使用上的互補，發(fā)明了一種風能-光伏-電池混合系統(tǒng)，對于一個年消耗量為53 317kW·h的社區(qū)，每年可產(chǎn)生的能量是消耗能量的近1.6倍（約89 151kW·h）[41]。所以，隨著技術(shù)的不斷更新，可再生能源的產(chǎn)出會不斷增加，直至最大化。

（4）最有效的能源儲存和共享系統(tǒng)

能源儲存技術(shù)就像儲存食物一樣，是人類擺脫外界條件約束提高資源利用效率的重要手段。由于可再生能源的發(fā)電量不可預測，使得凈零能耗建筑和城市電網(wǎng)之間有長期不穩(wěn)定的供求關(guān)系，會嚴重影響電源的安全性和穩(wěn)定性[42]。因此，在可再生能源應(yīng)用中加強儲能系統(tǒng)非常重要?，F(xiàn)階段能源的儲存技術(shù)主要有熱能存儲和太陽能光伏發(fā)電自耗儲能等。熱能存儲技術(shù)（TES）可以很大程度上減少能源消耗和促進可再生能源的使用，合理的能量存儲系統(tǒng)的熱能存儲密度最高可達430MJ/m3、250MJ/m3，可以將能源消耗減少超過30%[43]。

在很多凈零能耗建筑中（特別是住宅建筑），光伏發(fā)電量比建筑本身的電力消耗量要多，需要將相當一部分可再生能源輸出到電網(wǎng)中，但是輸出的這部分電量很多時候又會輸回給建筑使用[44]，這就造成能源效率降低，電網(wǎng)難以管理，以及用戶的經(jīng)濟損失。因此，將建筑RES產(chǎn)生的多余能量自耗最大化成為了重點。光伏能源自耗的儲能系統(tǒng)就是解決問題的重要方案，其通過在高發(fā)電期間存儲能量以補償可再生能源供電的間歇性，存儲的能源可以供建筑在高需求期間使用[45]。據(jù)統(tǒng)計，高效率的光伏能源自耗的儲能系統(tǒng)可以減少建筑對電網(wǎng)用電量消耗的78.3%，使得建筑年度能源賬單減少87.2%[46]。

通過以上這些方式，凈零能耗建筑的技術(shù)路線圖已基本清晰，一些新建項目也在不斷做出嘗試。隨著大力推廣并在實踐中不斷探索使技術(shù)體系更加完善，從而降低成本。

4 結(jié)語

4 康奈爾科技園布隆伯格中心

5 布隆伯格中心地熱系統(tǒng)控制室

6 布隆伯格中心最大限度地利用了太陽能

走向凈零能耗建筑，并不是一種道義上的宣傳，而是真實地為建筑使用者創(chuàng)造了更加舒適的室內(nèi)微氣候，同時也為建筑在長期使用過程中節(jié)約開支。凈零能耗建筑的技術(shù)體系將為未來抵御極端氣候、實現(xiàn)建筑室內(nèi)微氣候自循環(huán)成為可能，是一項具有實踐性且有經(jīng)濟效益的公益事業(yè)。不管是在理論上還是在實踐案例中，凈零能耗建筑的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義都顯而易見。我們堅信隨著公眾意識的普及與技術(shù)體系的不斷完善，未來建筑將會實現(xiàn)人居環(huán)境的理想狀態(tài)，形成適宜人類生存、又對外部環(huán)境依賴極少的宜居空間和更美好的可持續(xù)城市。

注釋

1 經(jīng)濟學中的溢價成本是指在各種方案的成本比較決策時，當選定某一方案為基本方案，然后將其他方案與之相比較時所增加的成本，即兩個方案之間的成本差額是差別成本的一種表現(xiàn)形式。因此，通常需要建立一個基準建筑模型來輔助成本的對比計算。

2 綠色建筑的增量成本定義是在建造符合《綠色建筑評價標準》要求的建筑目標下，因選擇了節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和運營管理利用技術(shù)措施而增加的成本。

3 增量效益是指綠色建筑帶來的節(jié)能、節(jié)電、水費的直接經(jīng)濟效益、建筑運營管理上的節(jié)約效益，以及污染減排、技術(shù)示范等社會及環(huán)保邊際效益。

圖片來源

圖3 來源于文獻[47]；圖5 來源于文獻[48]；圖6 來源于網(wǎng)絡(luò)；其余為作者自攝或自繪。