零能耗建筑的意義
——美國奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心給我們的啟示

范圣東 ，彭仲雄 （安徽建筑大學建筑與規(guī)劃學院，安徽 合肥 230000）

1 零能耗建筑

1.1 零能耗建筑概念提出

“零能耗建筑”的概念最早可追溯至1976年，丹麥技術大學（Technical University of Denmark）的Torben V.Esbensen教授團隊通過對丹麥一棟單層住宅的冬季太陽能采暖綜合利用實驗測試研究，提出“零能耗住宅”（Zero Energy House）。他們對建筑外墻保溫進行嚴格處理，同時增加42m2的太陽能集熱器和30m3的保溫蓄水池。外墻保溫使建筑冬季采暖能耗從原先的20000kWh/a降至2300kwh/a，增設的太陽能集熱器可吸收熱量7300kWh/a，去除設備能耗損失，即可滿足住宅冬季供暖需求，從而不依靠傳統(tǒng)的外部能源輸入，實現(xiàn)采暖能耗自給自足[1]。受限于當時技術水平，Torben V.Esbensen教授團隊的零能耗建筑僅從外墻保溫和太陽能集熱兩方面處理，與現(xiàn)今應用各種綜合技術方法的零能耗建筑有較大差距。

1.2 零能耗建筑發(fā)展

1992年，德國Voss.K團隊考慮到建筑與城市公共電網(wǎng)連接的情況，提出建筑物和城市電網(wǎng)之間打破傳統(tǒng)的單向供電模式。當太陽能光電系統(tǒng)供電量大于建筑所需量時，可將多余電量傳輸至公共電網(wǎng)供其他建筑使用；當太陽能光電系統(tǒng)供電量小于建筑所需量時，從公共電網(wǎng)接入電量。在以年為單位的統(tǒng)計情況下，光電系統(tǒng)產(chǎn)生的能源與建筑所消耗的能源達到平衡，這樣建筑就實現(xiàn)零能耗[2]。

技術的發(fā)展使零能耗建筑在技術操作層面更具可行性。高性能維護結(jié)構(gòu)可以極大地減少建筑熱能損失。例如2006年德國建成的零能耗示范樓，窗戶傳熱系數(shù)0.7W/（m2·K），遠低于我國嚴寒地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準的1.9～2.5W/（m2·K），外墻傳熱系數(shù)僅為0.12W/（m2·K），地板傳熱系數(shù)為0.16W/（m2·K）[3]。地源熱泵系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)也打破了以往單一的太陽能光電系統(tǒng)，為零能耗建筑提供更多的自然清潔能源。

設計方法的改變也促進了零能耗建筑的發(fā)展，被動式設計通過調(diào)節(jié)建筑體形系數(shù)、遮陽、通風和采光，最大限度的使用自然采光和通風，降低建筑對傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的依賴。

2 奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心零能耗設計方法

奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心被譽為美國第一座當代碳中和建筑，其設計符合美國綠色建筑委員會的最高標準（LEED白金標準）。遺產(chǎn)中心位于北緯43。，美國威斯康辛州巴拉布市的鄉(xiāng)下，處于四季溫度變化明顯的寒帶氣候中，一月份平均氣溫低至零下17。，七月份平均氣溫高達28。。這一地區(qū)四季分明，氣溫、風向、日照時長、小氣候、降水類型豐富[4]。

2.1 合理的平面布局

遺產(chǎn)中心主體建筑坐落于場地中心位置，包括公共入口、問詢處、公共休息室、員工區(qū)和展覽空間。會議大樓設在西側(cè)，而首排大廳和車間都位于主體建筑的東南側(cè)，圍合庇護著中間花園（圖1）。這個簡單的場地設計提供了采光、風力發(fā)電、被動式采暖和自然通風，這些都是實現(xiàn)零能耗目標的必要條件。

2.2 被動式太陽能設計

六月當?shù)孛咳杖照諘r長可達16h，而十二月僅有9h。夏天與冬天的平均溫度差為27℃。在這種情況下，建筑設備中占主導地位的是提供熱負荷的設備，這增加了通過使用被動式太陽能達到建筑零能耗的難度。建筑師在設計時不僅把太陽能和風能用于制熱和制冷，同時也嘗試利用這些能量滿足日常照明需求。

圖1 建筑總平面圖

不同的建筑空間對溫度有不同需求，有員工工作及展覽空間的主樓一年四季都使用空調(diào)調(diào)溫，而會議室只在使用時供熱。首排大廳和車間無機械制熱與制冷系統(tǒng)，但大廳的柴爐在最寒冷的時期可以補充供熱。主樓消耗的能源最多，因此將其設計為南北朝向，在冬天可以優(yōu)化太陽能的獲取。在供暖季節(jié)，南面的“熱流通區(qū)”可收集和儲存太陽熱能，這些熱能是從連接員工工作區(qū)的大型推拉門窗傳入。在需要制冷的季節(jié)，一個結(jié)構(gòu)簡單的懸挑屋頂就阻擋了陽光直射。毗鄰流通區(qū)域的遮蔽，用來接收十一月到一月的正午陽光，以及阻擋五月到七月的正午日照（圖2）。

圖2 能量傳導分析

圖3 餐廳內(nèi)景

圖4 展覽區(qū)高側(cè)窗采光

可開啟的窗戶保證室內(nèi)通風，使氣流穿過南立面，到達更遠的區(qū)域。一個開放式的廚房巧妙地布置在員工區(qū)的中心，從上部南向的高側(cè)窗采光（圖3）。充足的光照在主樓中心區(qū)域營造了一個充滿活力的社交空間。一排朝北的高側(cè)窗貫穿中心員工區(qū)，并且最北端的工作區(qū)還有可開啟的窗戶，以此可以直接觀景并提供了與場地的聯(lián)系。展覽區(qū)域為避免陽光直射，使用了一個北向高側(cè)窗來提供間接照明（圖4）。

2.3 太陽能設計與高性能材料

建筑屋頂上有大規(guī)模的光伏陣列進行現(xiàn)場發(fā)電（圖5）。設計師認為太陽能設計是實現(xiàn)零能耗目標的基礎：“太陽塑造了這個項目，你必須去感受陽光和氣候，這樣你就能解決更多的技術問題……一切始于太陽能收支平衡，這種能源收支決定了什么是可獲得的，你可以從太陽那里獲得多少能量，然后在能源收支平衡范圍內(nèi)設計建筑”。使用被動式策略進行建筑設計之后，設計師整合供熱、制冷、通風、熱水和光電系統(tǒng)為一體再應用到建筑中。設計師研究發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)零能耗建筑，大約需要280m2光伏電板用于產(chǎn)生建筑所需的能量。建筑獲取太陽能可通過三個途徑，包括被動式太陽能設計、主動式熱水系統(tǒng)和光伏陣列。設計師創(chuàng)造的獨立置換通風系統(tǒng)通過建筑物地下管道加熱或冷卻空氣，并以0.018cfm/m2的量為建筑內(nèi)部輸送百分百的戶外空氣。太陽能熱水加熱系統(tǒng)滿足熱水需求，同時一個39.6kW的并網(wǎng)發(fā)電式光伏陣列每年可供應61250kWh的電量。

圖5 建筑屋頂太陽能板

建筑整體采用高性能的玻璃、門、窗和細節(jié)設計來減少滲透，整體絕緣的建筑產(chǎn)生熱質(zhì)量是0.009Btu/h/m2，遠低于ASHRAE（美國加熱冷凍及空調(diào)工程師協(xié)會）要求的0.021Btu/h/m2。獨立的制熱區(qū)可以被分開，也可以合并，這取決于工作區(qū)是否需要供熱或制冷。簡單的被動式設計策略結(jié)合可再生能源和機械系統(tǒng)，即可以滿足遺產(chǎn)中心全年的供熱、制冷、通風和照明的需要。這表明在寒冷氣候條件下的建筑可以實現(xiàn)零能耗的生態(tài)目標。

3 奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心對我國現(xiàn)代建筑節(jié)能設計帶來的啟示

奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心的成功告訴我們，一系列適度而周到的設計策略能夠?qū)崿F(xiàn)建筑零能耗，其對我國現(xiàn)代建筑節(jié)能設計有重要啟示意義。

3.1 建筑融合技術

零能耗建筑的發(fā)展離不開科學技術的進步。太陽能光電系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)、高性能建筑外墻保溫系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)以及建筑內(nèi)部控制智能化等先進技術為實現(xiàn)建筑零能耗奠定了基礎。相較于歐美發(fā)達國家，我們的建筑技術仍相對較低，太陽能和地熱能的開發(fā)與利用仍受限于技術瓶頸，這就需要我們突破技術壁壘，轉(zhuǎn)化利用技術成果。

3.2 因地制宜地選擇適宜技術手段

我國幅員遼闊，氣候條件差異巨大，東部與西部的太陽能資源、風力資源也相差巨大，因此，因地制宜地選擇適合本地區(qū)的技術手段尤為重要。東部沿海地區(qū)是我國最大風能資源區(qū)，有效風能密度大，有效風力出現(xiàn)時間百分率達80%～90%，此地區(qū)建筑可以重點利用風能進行風力發(fā)電。西部地區(qū)是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，尤以西藏西部最為突出，日輻射量高達6.4kWh/m2，居世界第二，此地區(qū)建筑可以利用太陽能發(fā)電取暖，同時解決高寒地區(qū)電力設施無法鋪設的問題。北部嚴寒和寒冷地區(qū)則可以利用地熱能滿足冬季供暖[5]。

3.3 重點建筑示范引導

零能耗建筑相較于普通建筑而言，全壽命周期運營成本低，但其一次性資金消耗較大，帶來的效益需數(shù)年甚至數(shù)十年才能顯現(xiàn)。因此，從我國國情出發(fā)，短期內(nèi)全面實現(xiàn)建筑零能耗仍不現(xiàn)實。制定分步發(fā)展計劃，重點地區(qū)實施，逐步推廣是行之有效的方法[6]。通過重點建筑示范引導，鼓勵業(yè)主積極嘗試使用零能耗建筑技術。同時，制定相應的規(guī)范制度，引導與約束并重。

3.4 設計結(jié)合技術

單純從技術手段實現(xiàn)建筑零能耗會造成資源極大浪費，我們需要將設計與技術相結(jié)合，通過被動式設計方法，合理控制建筑體形系數(shù)、建筑朝向、內(nèi)外遮陽、自然通風與采光、房間功能性布局，采用高性能窗戶與高性能保溫結(jié)構(gòu)，減少建筑對能源的依賴和建筑能耗損失。

4 結(jié)語

零能耗建筑有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ鋵μ岣呷藗兩钇焚|(zhì)，降低不可再生能源消耗，減少碳排放有著重要意義。奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心為我們指明了零能耗建筑的發(fā)展方向，被動式設計加主動式技術，是每一座新建筑都可以嘗試的方向，相信終有一天，我們也會沿著節(jié)能的道路實現(xiàn)建筑零能耗。