邁向零能耗建筑的技術與實踐

中國建筑科學研究院建筑環境與節能研究院院長 徐偉

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邁向零能耗建筑的技術與實踐

中國建筑科學研究院建筑環境與節能研究院院長 徐偉

對于建筑節能的討論，首先我提出兩個問題：第一，建筑節能有沒有終極目標呢？1986年，中國第一本建筑節能標準誕生，標志著我們國家建筑節能工作的開始，到現在近30年，我們建筑節能有沒有一個最終目標？有，那么目標是什么？是不是零能耗建筑就是我們的終極目標？值得我們思考。第二，我國綠色建筑方興未艾，各個省、市在過去十年里大量推廣，那綠色建筑的最高表現形式或者我們叫高性能的綠色建筑有沒有呢？是什么？我想零能耗建筑就是它的一個表現形式，就像美國或者是國際社會正在推零能耗綠色建筑。

nZEB(NET ZERO ENERGY BUILDING)國際社會普遍用的詞，這個詞有意思，凈零能耗建筑，也可以叫近零能耗建筑（NEARLY ZERO ENERGY BUILDING），英文和中文正好一樣。現在全球是什么階段呢，邁向零能耗的階段（TOWARD TO NZEB），邁向多少年？可能是五年、十年、二十年，甚至三十年或者更遠。

近零能耗是大家普遍認同的目前發展的主要階段，比如說歐盟提出來的20-20-20，歐盟成員國2020年的時候所有新建建筑要達到近零能耗，近零能耗有什么樣的表現形式呢？今天我們談的是被動房，大家聽得很多，還有主動房，我們今天所要講的近零建筑，實際上是國際社會特別是歐盟比較明確的發展目標和方向。我們現在從事的被動式超低能耗建筑或者德國講被動房是近零能耗建筑的一個體系或者說是一種表現方式。

下面我將分三個方面來詳細講解nZEB。

一、nZEB發展背景

從表1中我們可以看到， 2020年歐盟不同國家實現近零能耗的目標，其中有的國家，像挪威執行的是被動房的標準，但是有的國家并不是，像丹麥比2006年降低75%就是近零能耗。這就是歐盟在EPBD規定下實現了2020年的具體目標。

表1 歐盟政策-EPBD下各國建筑節能發展目標

表2 美國的目標

就在不久前，美國能源部正式頒布了美國零能耗、零能耗住區和零能耗建筑群的定義，美國提出，在2030年聯邦新建建筑都要達到凈零能耗（表2）。

表3 韓國計劃到2020減少建筑行業26.9 % 的溫室氣體排放，2025年實現零能耗住宅

再看看近鄰韓國（表3），韓國在吸收歐洲經驗的基礎上提出來到2025年要達到零能耗的住宅，分三個步聚實施。

關于零能耗各個國家的定義是不同的，稱呼也不完全一樣，我們展現出來的是它的內涵。比如說供暖、供冷、照明、熱水、家用電器算不算？可能不同的國家在發展零能耗過程當中不完全一致，說明什么？說明雖然是全球的發展方向，但是實際上各個國家出于國情的不同，發展的標準也不一樣，實際上定義也不完全一致。

圖1 IEA-全球凈零能耗建筑地圖

圖1是國際能源組織IEA提出在全球過去十年里零能耗建筑主要發展的一個分布圖，可以看到基本上都是北半球，而且緯度越高占比越多，也就是說以供暖為主的零能耗實施項目非常多，赤道附近供暖就沒有了，主要以制冷為主。

表4 定義名詞

二、nZEB典型工程分析

前面我講的發展背景實際上也是要表達一層意思，全球各個國家都在根據自己發展的計劃來制定零能耗、近零能耗的路線圖和時間表，反過來也給我們提出一些思考和提示，下面我結合幾個工程介紹一下他們是怎么實現零能耗和近零能耗的。

圖2 美國可再生能源國家實驗室-零能耗辦公樓

圖2是美國非常推崇的可再生能源國家實驗室，這個實驗室投資103萬美元，將近六個億人民幣建設的零能耗辦公樓。

通常去過美國都知道，美國建筑形式一般來講都是比較低層、大體量，但是為了采光、通風，把建筑分成了前后兩段。除了被動技術，主動技術也很多，包括光伏、地源熱泵、置換通風都是實現零能耗的手段，這幢大樓在丹佛的附近，很多人看過，非常著名，是美國在能源部支持下的典型的示范工程。

表5

它是怎么實現的？表5中可以看到美國目前既有辦公建筑能耗是300千瓦小時/平米，通過執行節能規范達到150千瓦小時/平米，在節能標準基礎上通過高性能辦公建筑的設計又減一半，達到75千瓦小時/平米，75千瓦小時/平米是包括他們所有耗電，包含供暖供冷照明、電器辦公設備等，余下75千瓦小時/平米靠的是現場的可再生能源節能手段來實現。

圖3韓國建設科學研究院-零能耗高層居住建筑

另外再講講韓國，圖3是一幢韓國的住宅樓，也是在學習借鑒歐洲經驗的基礎上，近幾年開發的一座高層零碳住宅。

韓國采用的一些技術其實和我們講的被動式超低能耗技術的體系可以說基本一致，不過稱呼不同，只是叫零碳或者叫零能耗住宅。

表6

我們從表6看它是如何實現的。第一步就是和現有的居住項目相比，通過被動式建筑技術節約87%的供暖能源，插座是很難減的，因為家庭的各種電器，微波爐、烤箱、照明或者電視，這些都是要耗電的。然后，再通過現在的可再生能源再降低70%的電，就達到了零碳的高層住宅。最后的結果是熱消耗15千瓦小時/平米，電消耗8千瓦小時/平米。可能有很多人并不知道我們現在家庭的耗電量耗能量是多少，我可以告訴大家一個數據，采暖耗熱量這一項平均來講在100千瓦小時/平米，中國家庭耗電量是30千瓦小時/平米，有了我們的數據對比，才會對達到15千瓦小時/平米，達到8千瓦小時/平米有一定對比概念。

圖4 中國建筑科學研究院-近零能耗辦公樓

當然我也講講中國建筑科學研究院-近零能耗辦公樓，我不講它的技術途徑，只講最后的數值，它的能耗指標是什么？全年供熱、制冷和照明電耗，一共是25千瓦小時/平米，而在北京，普通寫字樓是100千瓦小時/平米，這是耗電，不包括耗熱，因為在北京是集中供熱為主。對比一下25千瓦小時/平米，也就是說比普通辦公樓要節省80%至90%。簡單來講，就是冬天不用化石能源供暖，也就是既不用燃煤，也不用燃氣。夏天比普通建筑的空調能耗降低50%，靠什么降低50%呢？主要是靠太陽能制冷降低50%。照明能耗相對一般建筑要降低75%。

最后講一下德國的被動式建筑，秦皇島“在水一方”項目采用的是德國被動房標準，它對于室內環境有明確的要求：冬季供暖溫度要達到20℃；夏季供冷溫度要到25℃；新風量是每人30立方米/小時。在能耗方面，供暖需求≤ 15kWh/（m2·a）或熱負荷≤ 10W /m2；當采用空調時，對供冷需求的要求與供暖需求一致；建筑一次能源用量≤120 kWh/(m2a)；氣密性必須滿足N50≤0.6，即在室內外壓差50Pa的條件下，每小時的換氣次數不得超過0.6次；超溫頻率≤10%（25℃）。

表7 中國標準與德國被動房屋的對比

在過去幾年里，我們有很多人對它的理解是不正確或者是不全面的。首先，比如說我們講供暖需求不是供暖能耗，供暖需求15千瓦/小時，不是我們講的供暖能耗。第二，就是我們的理解的一次能源能耗120千瓦小時/ 平米，是基于德國的一次能源轉換系數得到的。我們河北省，乃至華北、東北，我們一次能源轉換系數跟德國不一樣。簡單來講，我們發電不可能跟德國的發電轉化效率是一樣的。前一段時期，我們在制訂《中國被動式超低能耗技術導則》的時候，住建部組織專家討論的時候，為這個問題爭議很長時間，因為我們國家發改委沒有公布的一次轉換系數。最后，還有超溫頻率，何為超溫頻率呢？有供暖沒有空調只有夏天有超溫頻率，有空調沒供暖是冬天的超溫頻率，如果有空調有供暖沒有超溫頻率。

前面所講的每個指標都是德國被動房研究所過去幾十年研究、應用、完善的過程，但是我們的理解一定要全面、正確，包括面積。他講的每年每平米是什么面積？是建筑面積還是使用面積或者是套用面積。中國的標準這個面積是什么面積？建筑面積和使用面積平均差了0.8，需要認真思考。

圖5 德國被動房主要技術措施

當然被動房主要的技術是經典的，五大理念很好理解，但五大理念加上一條，就是人的行為。技術上的問題我們都可以解決，但是生活習慣，人的行為要有所改變。實踐告訴我們，由于我們過去的生活習慣，我們的生活方式和文化傳統會給我們的被動房居住、使用帶來變化，因此，在中國五大理念還要加上一個生活習慣或者叫人們的行為。

表8 零能耗分析圖

根據我們在國內或者全球做過的零能耗的研究，得出來這張圖，不管零能耗建筑或者是近零能耗建筑，基本途徑就是要把全年的能耗指標通過被動和主動技術降在80千瓦小時/平米以下，全球各國基本上都是這樣的。只有達到這個標準之后，才有可能采用可再生能源等技術實現零能耗。

通過各個國家在過去這么多年開展近零能耗建筑，當然也包括被動式建筑，我們可以看到基本上它的技術途徑就是五項：一是準確的建筑負荷及能耗預測，普通的建筑可以算不準，如果超低能耗、近零能耗建筑算不準，就會出現風險，就出現能耗過大，大馬拉小車，所以必須要準確的進行計算；二是被動式建筑設計降低負荷，不管什么類型首先要把需求降下來我用一個詞叫“最大限度”地降低需求，或者是“極大可能”地降低需求，如果做不到這一點，想實現近零能耗不太可能；三是高性能建筑能源系統；四是可再生能源建筑一體化設計，其實要想實現近零能耗或者零能耗，可再生能源仍然是必不可少的，比如說很多地方政府在本地區推被動式建筑，無非就是對常規能源不依賴，減少燃燒和污染。包括京津冀地區、山東、河南都是一樣。也就是說不依賴傳統的以燃燒為主的供熱方式；五是零能耗監控、調試、運行策略，目前這點我們中國做得很不到位，做完了項目都沒有調試，大家都有體會，在我們建設程序里面沒有既沒有預算，也沒有時間，也沒有人力。

三、我國發展nZEB的思考

前面講完了，我們看看怎么促進近零能耗建筑的發展呢？

表10 全球20年能源發展的路線圖

第一，要統一定義，設定中長期發展目標。我們要有準確的定義，歐盟也在定義，剛才說不久前美國能源部公布了美國的定義，住建部即將頒布的《被動式超低能耗綠色建筑導則》有定義，明年我們還要啟動中國國家標準近零能耗建筑技術標準都會對它進行準確定義。

第二，大幅度提升節能產品和設備的性能，我們可以看，這是我們和德國和比利時的對比，在很多方法上我們還差得很遠。

第三，可再生能源+HVAC系統能效提升。表10是NREL做的全球過去20年可再生能源發展的路線圖，實際上規模達到一定程度后，可再生能源的價格一直在下降。

第四，既有示范建筑的后續監測、評估和持續改進。今天我們建設的示范項目，建造完成只是完成了第一步，因為在我們過去沒有這樣的成功經驗，行或者不行要靠數據說話，好或者不好不能由自己說了算，要有第三方的評價，要有全年的數據評價，否則就只是停留在理念、停留在別人的經驗之上。

第五，通過市場競爭和擴大規模，提升性價比。我們可以看到，如果我們發展近零能耗建筑，相關的產品設備要不斷的進行改造和提升，改造提升靠什么得到呢？一定是要擴大規模，也就是說標準化、工業化，只有這樣，我們真正才能夠把這種超低能耗建筑進行推廣，否則成本難以下降。我舉一個例子，比如說手機，20年前手機一萬塊錢一部，今天手機幾百塊錢一部，就是競爭發展的結果。只有通過競爭、通過規模化降低。

第六，近零能耗建筑的特征。集中體現現有技術先進性和產業發展水平的建筑節能技術集成；在適度提高室內舒適度的前提下，能耗比現行居住建筑節能標準節能70%以上，比現行公共建筑節能標準節能75%以上；不再需要傳統的集中供熱。

第七，不能照搬國外的做法。發展過程當中要考慮中國的國情，要考慮我們國家的一些特別的地方，要充分考慮中國氣候特點、居民生活習慣，考慮不同地區差異，對接中國法規和建筑標準體系，適應中國建設管理程序。

之前講我們要實現建筑節能的中國夢或者是終極目標，怎么實現？我們提出一個30-30-30，到2030中國新建建筑的30%達到近零能耗。通過什么呢？通過幾步走，通過2014年到2030年十五年的時間，通過一步、兩步、三步、四步來實現。

展望了一下，可以說近零能耗建筑已經成為國際的新的發展趨勢，需要我們自己建立符合中國國情的近零能耗建筑，同時我們產業要不斷的升級換代，滿足市場的需求，同時需要盡快出臺行業技術指南或導則標準。

最后，推廣過程當中，做得行或者是不行，合格不合格，要有科學的認證。總之一句話，方向是非常明確的，路徑并不是唯一的，我們要不斷的探索和實踐，共同來促進，共同來發展。

【文章編號】1671-3362(2016)01-0030-05

【文獻標識碼】C