“雙碳”目標(biāo)下近零能耗建筑的節(jié)能性探索

沈澤南

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

0 前言

2020年我國(guó)提出了爭(zhēng)取2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。據(jù)資料顯示，2018年我國(guó)建筑全過程碳排放總量占全國(guó)碳排放的51.3%[1]；在能源消耗方面，建筑能耗約占社會(huì)總能耗的46.7%，而傳統(tǒng)方式供能建筑的能源利用率僅為33%；由建筑耗能產(chǎn)生的碳排放占全球溫室氣體排放的25%[2]，建筑業(yè)按高能耗建筑與高碳排放的發(fā)展趨勢(shì)，難以于限定時(shí)間實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。在此背景下，因地制宜地發(fā)展近零能耗建筑等成為建筑節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和綠色低碳社會(huì)的重要手段。本文對(duì)近零能耗建筑的背景、技術(shù)、設(shè)計(jì)元素及相關(guān)案例進(jìn)行分析研究，旨在推動(dòng)建筑領(lǐng)域中綠色節(jié)能低碳型建筑的實(shí)踐與發(fā)展。

1 近零能耗建筑

近零能耗建筑的概念最早來(lái)源于1976年丹麥Esbensen教授利用太陽(yáng)能進(jìn)行節(jié)能改造試驗(yàn)后提出的“零能耗住宅”，之后在發(fā)達(dá)國(guó)家中形成相似的建筑定義，如德國(guó)的“被動(dòng)房”與意大利的“氣候房”等。根據(jù)應(yīng)對(duì)氣候變化與節(jié)能需求，各國(guó)制定相應(yīng)的建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定建筑能效達(dá)標(biāo)情況。美國(guó)住宅能源能效評(píng)定等級(jí)系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 能耗目標(biāo)的差異性

據(jù)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》定義，近零能耗建筑是適應(yīng)氣候與場(chǎng)地的情況下，建筑結(jié)合被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)和主動(dòng)式技術(shù)措施，充分利用可再生能源進(jìn)行供能，最大化減少維持舒適的室內(nèi)環(huán)境所需不可再生能源的消耗，最終使室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、能耗水平與能效指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。2011年國(guó)家住建部出臺(tái)的《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》中初次提出了超低能耗建筑，超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑具有相同的技術(shù)體系，為同一技術(shù)路徑上的3個(gè)階段，在級(jí)別、節(jié)能率（嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)公建比其余氣候區(qū)高10%）、主動(dòng)式與被動(dòng)式技術(shù)應(yīng)用配比、可再生能源利用率與碳排放量等特征上存在明顯差異，如表1所示。

表1 不同建筑分類能耗

1.2 推動(dòng)近零能耗建筑發(fā)展的必要性

近零能耗建筑綠色節(jié)能的理念響應(yīng)節(jié)能減排的社會(huì)需求，降低建筑室內(nèi)能耗90%[3]，提高室內(nèi)活動(dòng)舒適度和維持自然生態(tài)平衡。近零能耗建筑結(jié)合被動(dòng)式設(shè)計(jì)與先進(jìn)的建筑科技高效地整合空間、綠色建材、建筑設(shè)備及可再生能源利用，根據(jù)地域氣候差異提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提供溫和、舒適、健康的室內(nèi)環(huán)境，保護(hù)綠色生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展及減少碳排放。

1.3 近零能耗建筑推廣實(shí)施的影響因素

（1）在2016年發(fā)布的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中首次由中央層面提出，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粴夂颍l(fā)展綠色節(jié)能建筑的要求，到2021年4月各省市推出加大近零能耗建筑及綠色建筑專項(xiàng)建設(shè)力度的支持政策。連續(xù)7年全國(guó)各地頒布多項(xiàng)綠色節(jié)能政策，其中以寒冷地區(qū)數(shù)量最多，占所有氣候區(qū)的71%，又以河北、河南及山東三省政策較多[4]。上層政策類型多而層級(jí)分明，覆蓋區(qū)域廣，形成精準(zhǔn)的政策導(dǎo)向，國(guó)家將發(fā)展近零能耗建筑作為未來(lái)建筑能效提升的重要途徑并具體到實(shí)施階段。

（2）各省市推出資金補(bǔ)助、容積率獎(jiǎng)勵(lì)及綠色金融等7類經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，普遍按超低能耗建筑面積補(bǔ)貼200～500元/m2來(lái)刺激并推動(dòng)綠色節(jié)能建筑的發(fā)展[4]。在此情況下，國(guó)家進(jìn)一步設(shè)立為建設(shè)單位提供全過程咨詢的創(chuàng)新機(jī)制，聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)維，過程中實(shí)時(shí)修正與優(yōu)化，保證全過程的高質(zhì)量管理，從而實(shí)現(xiàn)近零能耗建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)和高質(zhì)量建設(shè)。

（3）在政府與市場(chǎng)的共同促進(jìn)下，國(guó)家投入上億元經(jīng)費(fèi)設(shè)立科研合作項(xiàng)目支持近零能耗建筑理論研究、技術(shù)創(chuàng)新及工程實(shí)踐，各省市也已相繼開展超過40次關(guān)于近零能耗建筑設(shè)計(jì)理念、技術(shù)拓展及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的交流研討會(huì)及培訓(xùn)[4]，整合各省市的高新人才資源。然而國(guó)內(nèi)近零能耗建筑發(fā)展起步晚、時(shí)間短，行業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力較弱，各工種缺乏相應(yīng)技術(shù)與管理的高質(zhì)量人才。

（4）國(guó)家及地方從2015～2019年逐步推出近零能耗建筑的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等相關(guān)的規(guī)范、導(dǎo)則與圖集[4]，促進(jìn)近零能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，明確并加強(qiáng)綠色節(jié)能建筑的技術(shù)指標(biāo)與氣候區(qū)特征的聯(lián)系，快速為近零能耗建筑發(fā)展提供強(qiáng)力的技術(shù)支持。而據(jù)“雙碳”目標(biāo)，2022年4月初實(shí)施的GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》強(qiáng)制規(guī)定公建能耗水平較節(jié)能72%再降低20%，居建整體再降低30%，并引入建筑碳排放計(jì)算。而節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與新指標(biāo)的不匹配、技術(shù)成本效益比高等現(xiàn)實(shí)條件逐漸無(wú)法適應(yīng)不斷提高標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求。

2 近零能耗建筑的主要特征

2.1 氣候適宜性

我國(guó)主氣候區(qū)分為7個(gè)，包含20個(gè)子氣候區(qū)，考慮地區(qū)之間微氣候差異引起溫度、濕度、降雨雪等氣候區(qū)域特征不同，同屬嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱與烏魯木齊，夏季平均氣溫差異使空氣相對(duì)濕度前者高于后者。近零能耗建筑的氣候適宜性體現(xiàn)在對(duì)不同氣候區(qū)的建筑設(shè)定具有偏向差異性的節(jié)能指標(biāo)及相應(yīng)限值，建筑在實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能達(dá)標(biāo)的技術(shù)體系上需根據(jù)差異化的氣候特征作出調(diào)整，在空間、材料、設(shè)備選型和能源利用的組合上進(jìn)行適應(yīng)性分析，相互協(xié)調(diào)使節(jié)能性能疊加，促進(jìn)整體能效提升，實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)氣候的正向回饋，并且推動(dòng)節(jié)能減排能技術(shù)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立。

2.2 近零能耗建筑應(yīng)用的節(jié)能措施

2.2.1 被動(dòng)式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

（1）結(jié)合場(chǎng)地的自然條件。近零能耗建筑實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式設(shè)計(jì)，在前期調(diào)研階段需對(duì)場(chǎng)地所處區(qū)域進(jìn)行氣候分析，并獲得平均氣溫、日照率、輻射溫差比、風(fēng)向頻率、年降雨量、采暖與制冷天數(shù)等氣象數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)建筑空間及節(jié)能設(shè)計(jì)，同時(shí)可利用ANSYS軟件的CFD進(jìn)行三維可視化數(shù)據(jù)形式的建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬分析及Grasshopper中的Ladybug+遺傳算法（galapagos）對(duì)建筑熱環(huán)境進(jìn)行日照分析（如圖2所示），得出不同方案下外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均照度，調(diào)整整體布局與單體形態(tài)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)建筑布局、空間功能形態(tài)及立面形式的最優(yōu)化，尤其在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，減小建筑體形系數(shù)，利于大幅減少熱損耗和總耗能，展示綠色低碳的節(jié)能理念與氣候適應(yīng)性。

（2）墻體構(gòu)造的節(jié)能設(shè)計(jì)。將收集的場(chǎng)地氣候等自然信息結(jié)合高性能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)是被動(dòng)式技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要手段。針對(duì)不同氣候條件，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施：炎熱地區(qū)外圍護(hù)構(gòu)造采用填充隔熱材料、設(shè)置外遮陽(yáng)系統(tǒng)、通風(fēng)間層及窗戶的導(dǎo)風(fēng)作用等，隔絕夏季太陽(yáng)輻射，并通過空氣對(duì)流快速疏散熱量，避免室內(nèi)過熱；寒冷地區(qū)則注重防寒與保溫，采用低傳熱系數(shù)的非透明復(fù)合外墻構(gòu)造及高保溫隔熱性能窗戶，減少構(gòu)造冷橋，提高氣密性，保證冬季室內(nèi)充足日照。夏熱冬暖與嚴(yán)寒地區(qū)的同類型規(guī)格的窗戶玻璃傳熱系數(shù)相差約5倍[5]，體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)適應(yīng)氣候的特點(diǎn)。節(jié)能型墻體構(gòu)造的目標(biāo)是降低建筑供冷與供暖需求，同時(shí)可引入綠色建材進(jìn)一步減少碳排放。

2.2.2 主動(dòng)式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。建筑能耗的60%～70%來(lái)自室內(nèi)采暖與空調(diào)，以天然氣、煤炭、電力等傳統(tǒng)化石能源供能的方式耗能過大，且生產(chǎn)過程易對(duì)環(huán)境造成破壞。近零能耗建筑結(jié)合空氣濕度、溫度等氣候條件對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)和創(chuàng)新組合，如在潮濕炎熱的地區(qū)應(yīng)用創(chuàng)新型混合冷卻系統(tǒng)，利用吊扇提高空氣流速，擴(kuò)大空調(diào)送風(fēng)范圍，提高組合后的設(shè)備性能和室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，降低制冷負(fù)荷和空調(diào)耗能[6]，作為被動(dòng)式設(shè)計(jì)的補(bǔ)充手段，以較低能耗彌補(bǔ)被動(dòng)式設(shè)計(jì)的能效不足。

（2）綜合利用可再生能源。應(yīng)用可再生能源系統(tǒng)替代與平衡原有能源消耗為建筑供能，這是近零能耗建筑主動(dòng)式技術(shù)的運(yùn)作核心，主要包括地源熱泵供熱供冷和太陽(yáng)能光伏板發(fā)電等智能化技術(shù)集成系統(tǒng)。在高緯度地區(qū)，采暖時(shí)長(zhǎng)約為6個(gè)月，供暖用電需求大，住宅屋頂大面積鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板或結(jié)合景觀設(shè)立的太陽(yáng)能裝置，利用當(dāng)?shù)厝旮呷照蛰椛淞刻峁┙ㄖ桦娔埽壳耙阎奶?yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換率最高為33%。在“雙碳”背景下，科學(xué)家持續(xù)致力于對(duì)新型礦質(zhì)材料的研發(fā)，隨著生產(chǎn)方式和建筑科技的創(chuàng)新發(fā)展，可降低生產(chǎn)成本，使太陽(yáng)能光伏板突破既有的發(fā)電效率，提高可再生能源利用率。

3 氣候作用下的建筑節(jié)能元素

近零能耗建筑在氣候影響下重點(diǎn)關(guān)注空間形態(tài)與可再生建筑材料，兩者相輔相成，支撐綠色節(jié)能建筑中被動(dòng)式設(shè)計(jì)的技術(shù)軸心，影響主動(dòng)式設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)作效率，通過創(chuàng)新發(fā)展可促進(jìn)低碳綠色建筑的建設(shè)。

3.1 綠色空間形態(tài)

以綠色節(jié)能的被動(dòng)式思路組織建筑內(nèi)部空間與室外綠化空間，并且合理的空間組合可形成適應(yīng)氣候的節(jié)能形態(tài)。對(duì)于炎熱地區(qū)的住宅，中心布置寬敞的公共活動(dòng)空間，墻體的凹凸形成陽(yáng)臺(tái)，體量懸挑，窗戶與天窗相對(duì)開設(shè)，增加夏季最大風(fēng)頻方向的建筑通透性，利用煙囪效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聚風(fēng)、吸風(fēng)作用，加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)，保證室內(nèi)舒適的居住熱環(huán)境，如圖3所示。寒冷地區(qū)的建筑則減少里出外進(jìn)的表皮形態(tài)變化，建筑高度與進(jìn)深盡量統(tǒng)一，體形系數(shù)越小，建筑因材料熱量傳遞及施工誤差導(dǎo)致的熱損耗越小，越能減輕室內(nèi)供能負(fù)荷，如圖4所示。

3.2 可再生建材

3.2.1 傳統(tǒng)材料高碳排放

據(jù)資料顯示，建筑材料在生產(chǎn)及運(yùn)行階段的碳排放分別約占建筑全生命周期碳排放總量的10%和80%。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中廣泛采用的混凝土與擠塑聚苯板（XPS）在相同用量和運(yùn)輸距離下，由生產(chǎn)產(chǎn)生的單位碳排放量分別為0.27、11.11 kg CO2[7]，材料化學(xué)性質(zhì)差異下的單位碳排放量相差較大。

發(fā)展近零能耗建筑著重研發(fā)新型綠色建材、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，以及優(yōu)化材料構(gòu)造組合，以此平衡碳排放量與節(jié)能能效水平差異，是節(jié)能減排的關(guān)鍵方向。

3.2.2 可再生材料分類和發(fā)展

環(huán)保型節(jié)能建材具有保溫、隔熱、隔聲性能高，消耗資源少、可再生、對(duì)環(huán)境破壞小及綠色低碳等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上常見的材料為利用廢棄的火山灰、鋼鐵渣等礦物摻合料結(jié)合新型加工工藝生產(chǎn)的生態(tài)水泥、絕熱的真空玻璃及以由粉煤灰、石粉、竹炭等為原料混合天然耐高溫輕骨料制成的墻板[8]。

增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造厚度或外窗的玻璃層數(shù)，可一定范圍內(nèi)能提高節(jié)能效果，但減排不理想，且過厚、過重影響建設(shè)成本及建筑美觀。而替換輕質(zhì)高性能的混凝土、水泥及玻璃，配合預(yù)制新型材料構(gòu)造連接工藝，探索并應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)保溫一體化墻體，以升級(jí)無(wú)機(jī)材料的保溫性能為核心，減少高碳排放的有機(jī)保溫材料用量，提高建筑整體節(jié)能減排效果，同時(shí)采用裝配式技術(shù)減小材料因施工現(xiàn)場(chǎng)組裝產(chǎn)生的能耗和碳排放。

4 建筑案例分析

4.1 寒冷地區(qū)應(yīng)用實(shí)例

2021年年底投入使用的北京通州智慧能源服務(wù)保障中心為國(guó)內(nèi)首個(gè)近零能耗建筑。該建筑在被動(dòng)式設(shè)計(jì)上采用添加絕熱原材料的鋁合金窗框+外鍍隔熱膜、中間充惰性氣體的三玻兩腔外掛幕墻系統(tǒng)，構(gòu)造上杜絕冷橋，大幅減少室內(nèi)外熱交換，并且在窗戶與墻體接縫上加設(shè)特殊膠帶，提高外墻系統(tǒng)的氣密性，如圖5所示。建筑采用地源熱泵與空氣源熱泵組合的主動(dòng)式系統(tǒng)進(jìn)行供冷與供熱，并且使用發(fā)電量超過100 kW的太陽(yáng)能光電系統(tǒng)提供電能，結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)施、微電網(wǎng)等智能化服務(wù)系統(tǒng)，維持舒適的室內(nèi)辦公環(huán)境，最大程度實(shí)現(xiàn)建筑能源的產(chǎn)需平衡，從而實(shí)現(xiàn)建筑近零能耗。

4.2 嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用實(shí)例

嚴(yán)寒地區(qū)較寒冷地區(qū)遭受更嚴(yán)峻的低溫冰凍天氣，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性、氣密性及建筑能效指標(biāo)要求更高。呼和浩特的中海河山大觀住宅項(xiàng)目充分應(yīng)用近零能耗設(shè)計(jì)理念與創(chuàng)新技術(shù)，節(jié)能率達(dá)90%以上。規(guī)劃布局上控制較遠(yuǎn)樓間距，景觀場(chǎng)地采用環(huán)保型硬質(zhì)鋪裝材料，結(jié)合海綿城市下的導(dǎo)流節(jié)水型綠化灌溉系統(tǒng)，保證建筑全年獲得充足的日照采光與生態(tài)化的室外環(huán)境。建筑單體采用整體剪力墻澆筑外貼250 mm厚的石墨聚苯板和巖棉組合保溫的外墻構(gòu)造系統(tǒng)，使用無(wú)熱橋錨栓固定，并采用高密封性的三玻兩腔外窗，極大降低傳熱系數(shù)，減小室內(nèi)外熱量傳遞損耗及室外粉塵侵入。建筑采用熱回收全置換的除霾新風(fēng)一體機(jī)，結(jié)合地下敷設(shè)電熱膜輔助供暖的主動(dòng)式技術(shù)，適應(yīng)當(dāng)?shù)貥O寒氣候，提高熱交換率，實(shí)現(xiàn)低能耗、低碳排的自主供暖，并維持室內(nèi)恒溫潔凈的居住空氣環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)需要在既有節(jié)能背景下明確符合國(guó)情的近零能耗建筑發(fā)展目標(biāo)，頂層加大政策與經(jīng)濟(jì)力度支持與推廣，各地積極推行適合區(qū)域氣候性的可實(shí)施技術(shù)細(xì)則，統(tǒng)一建設(shè)、設(shè)計(jì)與施工各方的市場(chǎng)匹配度。建筑師在充分理解近零能耗建筑的節(jié)能理念、技術(shù)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)要素后，堅(jiān)持以科學(xué)的方法探索環(huán)保低碳節(jié)能型建筑設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐道路，加快發(fā)展各氣候區(qū)近零能耗建筑并形成綠色網(wǎng)絡(luò)，打造節(jié)能型社區(qū)，推動(dòng)社會(huì)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排目標(biāo)，有效地應(yīng)對(duì)全球氣候變化。