中外凈零能耗建筑（NZEB）設計：回顧、分析及展望

栗旭升 曹雪縈

2020年9月中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，作為最大的能源消耗行業，建筑的能耗“歸零”迫在眉睫。我國零能耗建筑的發展剛剛起步，與發達國家差距較大。在此背景下，本文對中外凈零能耗建筑的發展進行總結、分析，梳理出當前可持續能源利用、建筑節能措施等方面的做法，最后總結中外凈零能耗建筑發展的異同，面臨的挑戰，提出進一步研究的方向，助推我國凈零能耗建筑的發展走向成熟。

一、凈零能耗建筑的定義

零能耗建筑的定義可以追溯至1976年丹麥技術大學學者Esbensen在研究冬季住宅太陽能的利用時提出，發展至今，對于凈零能耗建筑的定義主要有凈零現場能耗建筑、凈零一次能源能耗建筑、凈零能源成本建筑、凈零排放建筑等。其中凈零現場能耗建筑以現場能耗為評價指標，建筑全年可再生能源產能不低于全年的耗能，是目前采用最廣的定義（圖1）。

圖1 凈零現場能耗建筑示意圖

二、凈零能耗建筑設計方法

實現凈零能耗的途徑，首先是盡可能地降低建筑的能源負荷，其次是以可再生能源的方式滿足建筑的負荷。因此，本部分重點闡述可持續能源利用和建筑設計的節能措施。

1.可再生能源利用

關于可持續能源的利用，應優先建筑和場地范圍內的產能，以減少占地及輸送損失。由于風能、水力及生物質能源主要在區域范圍內應用，筆者重點介紹太陽能和地熱能兩種應用更為廣泛的可再生能源。

（1）太陽能

太陽能是最早、應用最廣泛的可再生能源，包括被動式利用和主動式利用兩種。被動式是指通過建筑圍護結構實現太陽輻射熱的蓄積和利用，例如特隆布墻和各種改進式的陽光房，其太陽能利用效率高達70%。主動式最典型的是光伏發電，可以供應建筑設備、家電，還可以并入電網，實現電力的雙向流動。然而光伏的能量轉換效率只有5%-46%左右，且造價昂貴，鋪設面積有限。在歐洲，零能耗建筑僅依靠太陽能時，最多層數是三層。因此，為了最大化其利用，建筑一體化光伏（BIPV）成為當前光伏研究的趨勢，它不單獨占土地，建筑的墻面、屋面、門窗等都可以集成光伏模塊。

（2）熱泵

廣泛應用的熱泵技術主要有空氣源熱泵（ASHP）和地源熱泵（GSHP）。空氣源熱泵以空氣為熱源，配置簡單，造價低，可以長期在較低溫度（20℃）下實現熱能轉移，但在寒冷條件下性能顯著下降。使用模式包括空氣-空氣和空氣-水兩種，分別供應暖氣和熱水。相比之下，地源熱泵由于熱源更加穩定，性能系數（COP）比空氣源熱泵高。設計凈零能耗建筑時，熱泵技術往往是首選項，例如在瑞士，90%的建筑已經配置了熱泵系統。

實踐中，相變材料（PCM）因為巨大的熱儲存能力，當選擇具有適宜融化溫度的PCM（往往是和熱舒適溫度接近）和熱泵結合時，能夠通過相變吸收或釋放能量，將室內溫度維持在一個波動較小的范圍，從而提高熱舒適性，降低熱負荷。

（3）能源儲存

富余的產能可以被儲存起來，以備不時之需。例如，德國Freiburg的一個案例中，夏季富余的光伏發電量通過水電解效應轉化為氫氣和氧氣的化學能，在冬季再通過燃料電池轉化為電能，同時氫氣作為燃料可以供烹飪、取暖的需要。實踐中，V2H電動汽車可以充當可再生能源的儲電系統，而不需要再額外建設，有著廣闊的前景。與能源完全自給相比，配置儲電系統且聯網會更具優勢，因為它可以通過利用可再生能源，實現電力供應高峰期的負荷轉移，并且不必為實現完全自給而負擔高額的建設投入。

2.建筑節能設計措施

對于凈零能耗建筑，節能措施主要針對兩個方面：（1）降低建筑的冷熱負荷。（2）利用可再生能源，提高能源效率。在降低負荷方面，主要通過建筑設計的優化，如圍護結構，朝向，遮陽等。在提高能效方面，高效HVAC系統，節能燈具，智能控制等更為關鍵。

（1）圍護結構優化

通常來說，提高圍護結構的熱阻，氣密性對于降低冷熱負荷至關重要，因為圍護結構需要阻隔不利的室外環境。在以熱負荷為主的氣候區內，圍護結構的性能提升能持續的降低能耗，而以冷負荷為主的氣候區內，卻不總是如此，保溫性能存在一個拐點，超過這個數值后，能耗不降反升，這是因為在夏季夜間，如果保溫性能過高，室內的熱量無法與室外較低溫度的環境進行有效的熱交換。在建筑朝向上需要注重太陽能的利用，結合遮陽板的合理設計，在太陽高度高的夏季，太陽輻射熱被遮陽板阻隔在室外；在太陽高度低的冬季，則允許太陽輻射熱進入室內蓄熱。

（2） HVAC系統優化

HVAC系統可以通過廢熱回收提高能源效率。HRV系統和ERV系統可以分別實現顯熱和潛熱的回收，從而將熱負荷降到最低。而ERV系統由于可以回收潛熱，比HRV系統能節約更多的能源。除了上述兩種熱回收方式，被動式通風，即通過風壓或熱壓作用實現的通風冷卻，也是一種常見的節能手段（圖2）。歐洲地區通過土壤埋管的預冷/預熱方式，將預期溫度的空氣引入室內，獲得更加穩定的室內環境。其策略是通過土壤埋管的尺寸，材料，埋深，壁厚及場地占用等的合理取值，確保系統的成本和能效取得最佳平衡，雖然這通常是因當地氣候、建筑熱負荷而異的，其原理是一致的，就是確保熱交換系統獲得最佳的熱循環，例如，在炎熱的夏季，白天熱交換系統從土壤中獲取冷量，土壤溫度升高；到了夜間室外溫度變低，土壤需要從與室外空氣的熱交換中恢復原始溫度，從而為第二天的熱交換繼續提供冷量，周而復始（圖3）。

圖2 被動式通風

圖3 土壤熱交換系統預熱

（3）采光及智能控制

室內照明占建筑總能耗約15%，因此建筑照明的優化可以顯著改善能源利用現狀。主要方式有以下幾種：

①爭取自然采光。通過建筑形式如中庭、內院引入自然光線，利用反射遮陽板將自然光引入室內進深較大處，或利用光導管技術等（圖4）。

圖4 爭取自然采光（圖片來源：《可持續發展設計指南》，（法）SERGE SALAT著）

②使用節能燈具。節能LED燈具比白熾燈具有更好的視覺舒適性和性能系數，可以節約50%左右的能源，并且平均使用壽命是傳統白熾燈的30倍。

③智能控制。在聲控、光控等控制技術的基礎上，新一代的人工智能能夠讀取公共場所內人們對照明的使用模式，通過優化照明時間、照明強度和照明環境布局，實現照明節能。

總結以上，在提高建筑圍護結構性能和HVAC系統效率的基礎上，綜合利用各種可再生能源，滿足建筑所需的最低能源負荷，是凈零能耗建筑設計的基本思路。然而，建筑因其氣候區位、建筑類型、布局等不同，其設計往往是難以復制的，在推動凈零能耗建筑設計實踐走向常規化的進程中，依然面臨巨大挑戰。

三、分析及展望

基于中外凈零能耗建筑設計的現狀，筆者對當前凈零能耗建筑面臨的問題和未來的方向，提出自己的一些見解：

我國零能耗建筑起步較晚，案例集中在非常有限的示范項目，尚未形成零能耗建筑的設計體系，相關的國家標準少，只有2019年印發的《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019，缺少零能耗建筑設計的工具。更重要的是，中國的城市住宅大部分是中高層建筑，體型系數大，氣密性差，所以實現零能耗是困難的，因此，必須從多種可持續能源的利用和建筑設計優化的整合中尋找解決手段。而中國農村的住宅相對分散，能源利用密度低，利用成本高，因此研究能源自給是前進的方向，農村住宅的單體規模較小，可以積極借鑒歐洲零能耗建筑的經驗，結合我國氣候區的特點，探索出適宜性的零能耗建筑典型做法。凈零能耗建筑的評價指標集中在運行能耗上，缺少生命周期的綜合評價（LCA），包含材料的生產、運輸、建設等方面的隱含能源不容忽視；評價的維度單一，以節能技術指標為主，缺少對熱舒適性、社會性等方面的考慮。因此，基于可持續理念的綜合性評價方法有待開發。

可再生能源和可持續建筑節能技術的發展為零能耗建筑設計提供了多種可能性，與此同時，因為更大的知識技術壁壘，也對建筑師提出了更大的挑戰。在可持續發展理念愈加完善的背景下，設計決策越來越傾向于多標準化，考慮成本、社會、能效、碳排放等多方面因素，如何將凈零能耗建筑的設計落地到常規的設計流程中，是其從示范走向普及的重要環節。筆者認為，凈零能耗建筑的設計是非常復雜的，無法直接套用其他項目的經驗，且面臨跨學科的復雜性等挑戰，人工智能、機器學習更有可能成為下一步為設計提供決策支持的有效工具。