夏熱冬冷地區(qū)居住建筑近零能耗技術研究

許一鳴

（安徽建筑大學建筑與規(guī)劃學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球環(huán)境污染與能源緊缺問題日趨嚴重。為有效應對全球能源危機及環(huán)境問題，我國提出了“碳達峰、碳中和”的遠大目標。在建筑領域對于這一目標的實現(xiàn)，國家和各級政府相繼出臺了關于近零能耗建筑的標準及要求。在我國嚴寒與寒冷地區(qū)，對近零能耗建筑有著較多的實踐應用，取得較好的效果。然而在面積較大且居住密集的夏熱冬冷地區(qū)，近零能耗建筑的應用相對較少。位于我國長江中下游的夏熱冬冷地區(qū)，其夏季氣候炎熱、冬季濕冷，室內(nèi)舒適感差。該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，大部分居民通過輔助設備進行制冷或取暖，以使室內(nèi)環(huán)境達到舒適。因此，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑運營階段的能耗極大。新建和改建近零能耗建筑，將極大降低該地區(qū)建筑能耗，加快“碳達峰、碳中和”的進程。

1 近零能耗建筑介紹

近零能耗中的能耗是指建筑在運營階段為了達到室內(nèi)舒適度而消耗的能源，其中包括營造室內(nèi)舒適度的聲、光、熱以及改善空氣環(huán)境帶來的能源消耗。近零是指為了滿足室內(nèi)舒適環(huán)境而消耗的碳排放能源盡可能低，包括對能源的高效利用以及可再生能源的高效利用[1]。在零能耗建筑施行過程中發(fā)現(xiàn)，一味地追求建筑的零能耗，反而會提高建造成本，同時技術上的限制也使得零能耗建筑的目標難以實現(xiàn)，因此提出了近零能耗建筑這一概念[2-3]。

我國近零能耗建筑的發(fā)展晚于西方國家，2015年，住房和城鄉(xiāng)建設部在《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》中指出，要提高建筑圍護結構的氣密性和保溫隔熱性，以此減少建筑室內(nèi)制冷、取暖的能耗，并且要提高可再生能源的使用率。此后，各地政府相繼出臺了有關被動式超低能耗綠色建筑的技術細則。2017年以后，在住房和城鄉(xiāng)建設部提出的“積極開展近零能耗示范建筑”的號召下，全國各地近零能耗建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)。2019年，我國GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》要求利用被動式技術極大降低建筑運營所需能源需求，同時通過主動式技術提高設備使用效率，并且大力推廣使用可再生能源，以最低的碳排放能源消耗提供舒適的建筑室內(nèi)環(huán)境[4-5]。在碳達峰、碳中和的目標要求下，未來近零能耗建筑將逐步在夏熱冬冷地區(qū)推廣建設。

2 近零能耗建筑在夏熱冬冷地區(qū)推廣的必要性

一方面，我國社會總能耗中約1/3是建筑帶來的能耗，根據(jù)近年來我國建筑能耗持續(xù)增加的趨勢，我國建筑能耗占社會總能耗的比例將升至40%。大體量的能源消耗不僅會導致現(xiàn)有不可再生能源的巨大消耗，還會帶來大量的碳排放，誘發(fā)更加嚴重的環(huán)境污染問題[6]。

另一方面，夏熱冬冷地區(qū)主要集中在長三角地區(qū)，該地區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達。在夏熱冬冷地區(qū)，夏季高溫炎熱，主要采用空調制冷；冬季寒冷，未設暖氣，主要依靠空調。因此，在夏熱冬冷地區(qū)，追求室內(nèi)舒適度將消耗大量能源，而其中極大部分能源可以依靠近零能耗建筑實現(xiàn)節(jié)約。因此，在夏熱冬冷地區(qū)開展近零能耗建筑的建設和改造，將大幅降低我國建筑能耗總量[7]。

3 夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑技術措施

居住建筑的本意是給人以舒適的環(huán)境，使人們居住在舒適的微環(huán)境中，區(qū)別于外界的不適感環(huán)境。通過更加先進的科學技術手段，結合建筑所處的地域環(huán)境與建筑建造的經(jīng)濟合理性，在滿足建筑使用功能的同時，使建筑的綜合能耗趨近于零。

3.1 被動式節(jié)能技術

在建筑的設計階段，通過相關建筑軟件對建筑建造地區(qū)總體氣候進行分析，可掌握夏熱冬冷地區(qū)氣候變化規(guī)律，結合該規(guī)律，適當調整建筑的體形系數(shù)和位置朝向，可有效改善建筑室內(nèi)微環(huán)境，使建筑達到一定的節(jié)能水平。合理布置建筑朝向，不僅可以使建筑采光最大化，同時有利于建筑獲得更好的通風。有效通風有利于調節(jié)建筑室內(nèi)環(huán)境，進而降低建筑能耗。

在建筑體形系數(shù)和位置朝向設計的基礎上，對建筑外圍護結構進行保溫隔熱設計，有助于建筑室內(nèi)保持舒適的環(huán)境，降低建筑能耗。在保溫材料方面，根據(jù)近零能耗節(jié)能標準，同時兼顧建筑建造的經(jīng)濟性，需要選取保溫效果好的材料并且盡量降低保溫材料的厚度[8]。在外門窗方面，由于門窗的結構特點，其無法通過添加保溫材料而起到節(jié)能效果，但可結合現(xiàn)有的科學技術手段，使門窗具有更好的保溫節(jié)能效果。如我國現(xiàn)在常用的中空玻璃門和Low-e玻璃窗，利用夾層填充合適的氣體達到優(yōu)良的熱工性能，從而提高門窗的保溫性能，促進建筑外圍護結構的整體節(jié)能效果。在氣密性方面，近零能耗建筑標準中對近零能耗建筑門窗等結構的氣密性具有更高要求。夏熱冬冷地區(qū)通過空調等制冷、取暖設備，在提高居住舒適性的同時，使室內(nèi)外溫差增大。為了降低制冷取暖設備的能耗，需要建筑門窗具有優(yōu)良的氣密性，避免室內(nèi)與室外氣溫的交換。因此，對于必要的通風出口需要設置合適的啟閉式裝置，對于門窗洞口不僅要有效地處理熱橋，還要有效提高其縫隙處氣密性能[9]。

近零能耗建筑在設計階段要求設計師加強對被動式節(jié)能技術的應用，不僅要結合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點對建筑進行總體布局，還需要及時采用新型節(jié)能材料，對建筑進行節(jié)能設計，為建筑達到近零能耗邁出關鍵一步。

3.2 主動式節(jié)能技術

建筑經(jīng)過設計建造交付使用時，為了達到室內(nèi)的舒適性，會主動增加輔助制冷、取暖和通風的設備。在夏熱冬冷地區(qū)，使用最為廣泛的設備當屬空調，其不僅可在夏季室外炎熱時通過制冷使室內(nèi)溫度降低，還可在冬季室外寒冷時通過制熱使室內(nèi)溫度升高。近年來，居民收入水平提高，為了提升生活的舒適度，人們大量購買空調設備。隨著空調使用頻率的增加，更多的能源被消耗。為了在降低能源消耗的同時使居民獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境，應當提高空調等設備的工作效率，同時應大力推動設備智能化發(fā)展。采用智能化設備，可以根據(jù)室內(nèi)外溫度差異提供更高效的室內(nèi)舒適途徑，也可以在設備工作過程中，通過感應設備及時調整工作狀態(tài)，達到節(jié)約能耗的目的。

在光環(huán)境調節(jié)方面，智能化設備通過光傳感器感受室內(nèi)外光線環(huán)境，在室內(nèi)光線較弱、室外光線較好的條件下，通過對窗簾百葉和遮陽設施的調控，利用室外自然光線提高室內(nèi)照度，對于一些室外光線難以顧及之處，通過對燈光的開關調控，促進室內(nèi)各區(qū)域照明條件適宜。光環(huán)境調節(jié)有助于減少照明能耗。在室溫調節(jié)方面，通過各類傳感器數(shù)據(jù)收集后的綜合計算，合理高效地選取調節(jié)室溫的方式，如通風或采用其他設備，從而達到高效節(jié)省能源的目的。

近零能耗建筑在使用階段需要通過智能化管理主動式節(jié)能設備，一方面滿足居住建筑基本的舒適性需求，另一方面智能化管理可以大大提高夏熱冬冷地區(qū)制冷、采暖設備的使用效率，為近零能耗建筑使用階段的節(jié)能減排助力。

3.3 可再生能源利用

近年來，各地政府積極推廣可再生能源在新建筑中的優(yōu)先使用，并根據(jù)使用占比給予不同程度的扶持。可再生能源的使用極大減少建筑碳排放量，有利于從碳排放源頭減少碳污染，有利于近零能耗建筑和建筑領域碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)：①太陽能，逐步提高建筑設備對太陽能的轉化效率，積極拓展對太陽能的多方面實際應用；②地源熱泵，根據(jù)建筑的實際地理環(huán)境，擴大地源熱泵在夏季制冷、冬季供暖的使用范圍；③空氣能，高效的節(jié)能效率是其主要特點之一，加熱等量的水，空氣能僅需日常燃氣使用成本的1/3（見圖1）。

圖1 居住建筑空氣能轉換示意

隨著科技發(fā)展，越來越多的可再生能源被開發(fā)使用，結合科技的力量，加大對可再生能源轉化設備的研究，研發(fā)更多轉化能源的設備，提高能源的轉化效率。高轉化率是可再生能源廣泛使用的前提。

4 結語

在不同的環(huán)境和氣候區(qū)內(nèi)，為滿足近零能耗建筑能耗標準，應當因地制宜，采取適當?shù)墓?jié)能技術措施。一般建筑提升為近零能耗建筑的技術措施主要為“節(jié)流”與“開源”兩方面。在“節(jié)流”方面，可提升建筑圍護結構保溫隔熱性能、改進門窗的氣密性、利用科技手段提高主動式節(jié)能技術的能效轉換；在“開源”方面，著重于對清潔能源的開發(fā)利用。在具體的設計過程中，設計師應當根據(jù)所在地區(qū)的氣候條件，在滿足基本建筑需求的前提下，擇優(yōu)選擇節(jié)能措施。

在寒冷和嚴寒地區(qū)，近零能耗建筑得到較快發(fā)展，但在夏熱冬冷地區(qū)，對近零能耗建筑認同感較弱。夏熱冬冷地區(qū)大體量居住建筑節(jié)能減排是建筑業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要途徑[10]。為此，該區(qū)域相關政府應當出臺相關激勵政策，一方面引導社會積極參與近零能耗建筑的設計改造，另一方面引導相關行業(yè)加強對近零能耗建筑建材性能的提升研究。近零能耗建筑在夏熱冬冷地區(qū)的推廣建設，將為我國可持續(xù)發(fā)展及節(jié)能減排目標的實現(xiàn)作出積極貢獻。