孫彤宇 劉莎 史文彬

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

面對(duì)全球氣候變化的挑戰(zhàn)，減少溫室氣體排放和化石能源利用成為當(dāng)務(wù)之急，而城市、建筑領(lǐng)域一直以來都是能源消耗和碳排放的大戶。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的研究報(bào)告，全世界城市的面積只占地球表面的4%，但卻消耗了67%的能源，占溫室氣體排放量的70%[1]。隨著城市化的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2030年，約60%的世界人口將生活在城市，未來幾乎所有的人口增長(zhǎng)都將發(fā)生在城市地區(qū)[2]。聯(lián)合國(guó)對(duì)日益增長(zhǎng)的城市化和氣候變化，以及城市對(duì)環(huán)境的巨大影響所造成的前所未有的自然災(zāi)害之間的致命沖突發(fā)出警告，城市必須立即采取行動(dòng)和措施減少溫室氣體排放，促進(jìn)城市環(huán)境更可持續(xù)和更公平的發(fā)展[3]。

在建筑領(lǐng)域，以節(jié)能和減排為主要目標(biāo)的綠色建筑成為重要研究領(lǐng)域，各類建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等均作為推動(dòng)綠色建筑發(fā)展的主要手段。在技術(shù)上，從一般性的建筑節(jié)能到“被動(dòng)式房屋”“低能耗建筑”“近能耗建筑”到“凈零能耗建筑”（NZEB），甚至是增能建筑（Ennergy Plus House）等，新技術(shù)不斷刷新，建筑節(jié)能效率的提高也達(dá)到前所未有的水平。

國(guó)際上包括中國(guó)在內(nèi)的主要國(guó)家和地區(qū)，對(duì)建筑節(jié)能都提出了相關(guān)的目標(biāo)政策，如歐盟批準(zhǔn)的《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive，EPBD）[4]提出要在2020年底，所有新建筑物應(yīng)為近零能耗建筑物；美國(guó)能源部（DOE，US）的建筑技術(shù)計(jì)劃中提及，要在2020年實(shí)現(xiàn)可銷售的零能耗房屋[5]；英國(guó)綠色建筑委員會(huì)（GBC，UK）承諾到2016年所有新建住宅為零碳建筑，到2030年所有新建筑的凈碳排放為零[6]；日本做出2030年全部新建筑達(dá)成零能耗建筑的承諾[7]；中國(guó)住建部提出，2016—2030建筑節(jié)能新三步走戰(zhàn)略規(guī)劃[8]等，這些政策在很大程度上提升了凈零能耗建筑在國(guó)際城市建設(shè)領(lǐng)域的滲透率[9]。到2020年，許多國(guó)家將要完成全部新建建筑的零能耗，部分國(guó)家也將完成公建或住宅的局部零能耗（圖1）。到目前為止，凈零能耗建筑技術(shù)已逐漸從實(shí)驗(yàn)性建筑慢慢開始走向市場(chǎng)并進(jìn)入推廣、普及階段。但是我們也看到，在房屋建筑市場(chǎng)，目前大量建筑仍然處于一種建造慣性中，盡管政府和行業(yè)力推的各種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、綠色建筑評(píng)級(jí)以及獎(jiǎng)勵(lì)政策等，都對(duì)推進(jìn)低能耗建筑和凈零能耗建筑起到了十分顯著的作用，但是在實(shí)現(xiàn)全面零能耗建筑乃至零能耗城市的道路上，仍然充滿各種阻力和巨大的挑戰(zhàn)。

1 對(duì)可持續(xù)發(fā)展和建筑節(jié)能認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變的緊迫性

1 國(guó)際節(jié)能目標(biāo)時(shí)間軸

早在1987年，聯(lián)合國(guó)全球大會(huì)就提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念[10]。由于建筑能耗占據(jù)全球能源消耗的主要部分（2015年，建筑能耗占全球能源消費(fèi)的40%），在20世紀(jì)90年代初，聯(lián)合國(guó)引入了“節(jié)能建筑”作為減少氣體排放并改善建筑環(huán)境的經(jīng)濟(jì)、健康和績(jī)效的高潛力解決方案[11-12]。在一段時(shí)間內(nèi)，建設(shè)節(jié)能建筑成為了減少世界總體能耗和CO2排放最有效的策略之一。為了使節(jié)能建筑得到更好的推行，世界各地都提出了相關(guān)政策，如歐盟的《建筑物能源性能指令》（EPBD）、中國(guó)的“十三五”規(guī)劃提出的“30-30-30”計(jì)劃等，政府計(jì)劃以強(qiáng)制方式來刺激市場(chǎng)建造（凈）零能耗建筑。但是在這樣的宏觀調(diào)控下，卻忽視了公眾對(duì)可持續(xù)的支持和認(rèn)可的重要性。許多調(diào)研發(fā)現(xiàn)民眾對(duì)建筑節(jié)能措施并不感興趣，他們只有在絕對(duì)必要，如當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障需要更換時(shí)才會(huì)采取節(jié)能措施。歐洲建筑性能研究所（BPIE）在2011年對(duì)歐盟26個(gè)國(guó)家的節(jié)能建筑項(xiàng)目推行障礙進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)公眾意識(shí)障礙是阻礙能源效率的相關(guān)投資第二關(guān)鍵因素，僅次于經(jīng)濟(jì)障礙[13]。

雖然抵御全球氣候變暖的重要性早已深入人心，但是具體到對(duì)待單個(gè)建筑的節(jié)能問題時(shí)，人們更多地還是會(huì)從自身利益出發(fā)考慮，諸如造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性問題、單個(gè)建筑對(duì)長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)關(guān)聯(lián)性問題、部分節(jié)能的量級(jí)與全球能源利用和碳排放量級(jí)的懸殊性等，都對(duì)最新建筑節(jié)能技術(shù)的推廣利用形成阻力。事實(shí)上，技術(shù)的進(jìn)步與認(rèn)識(shí)上的落后已成為目前發(fā)展綠色建筑最大的矛盾。產(chǎn)生這些認(rèn)識(shí)上誤區(qū)的原因是復(fù)雜的，但是給予重視才是解決問題的開始，對(duì)認(rèn)識(shí)誤區(qū)的解讀也許能夠有所幫助。

（1）建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性問題

由于公眾或非專業(yè)人士對(duì)綠色建筑和建筑節(jié)能缺乏了解和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通常大家的直覺都是綠色建筑確實(shí)可以節(jié)能，但是一定很貴，而且也不清楚到底跟建筑的實(shí)際使用有多大關(guān)系。因而，初始成本的增加經(jīng)常被建筑物所有者甚至是設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為是阻礙實(shí)現(xiàn)綠色（節(jié)能）建筑的主要障礙之一[14]。然而，綠色建筑相比普通建筑而言是否有成本的增加，增加的程度又是否真的高到難以接受？

國(guó)際上主要通過兩個(gè)關(guān)鍵術(shù)語：“綠色成本溢價(jià)”1（Premium Costs）與“增量成本”2對(duì)綠色（節(jié)能）建筑的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然有一些研究表示綠色建筑的成本價(jià)格超過其現(xiàn)實(shí)價(jià)格（即有溢價(jià)成本）[15]，但也有研究表明能夠以非常低的成本實(shí)現(xiàn)綠色建筑。其中最具影響力的研究之一是在2003年美國(guó)加利福尼亞州的可持續(xù)建筑工作組（Sustainable Building Task Force in the State of California）委托一群可持續(xù)發(fā)展顧問以及來自聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的專家，對(duì)33座美國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)體系（LEED）建筑物（主要是學(xué)校和辦公樓）進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的成本溢價(jià)約為2%，增加成本約$4/ ft2（約302元/m2），這大大低于原本的預(yù)期[16]。除此之外，在最佳的情況下，綠色建筑和普通建筑之間并沒有明顯的成本差異[17]。英國(guó)的專業(yè)成本咨詢公司Davis Langdon前后三次對(duì)綠建成本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別收集了美國(guó)19個(gè)縣的600座可持續(xù)公共建筑物以及144個(gè)LEED待申請(qǐng)項(xiàng)目（分兩次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行），研究得出許多項(xiàng)目無需額外的預(yù)算就能滿足LEED認(rèn)證[18]。甚至有研究表明，綠色建筑不僅不會(huì)增加成本，反而從建筑生命周期的角度來看，由于維護(hù)成本低，考慮到運(yùn)營(yíng)成本，可持續(xù)建筑的成本實(shí)際上比常規(guī)建筑低，甚至還會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)收益[19]。

在綠色建筑成本方面，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界主要針對(duì)綠色建筑和建筑節(jié)能在全生命周期內(nèi)增量成本和增量效益3進(jìn)行分析。其中，大部分研究認(rèn)為在全生命周期內(nèi)，綠色建筑的增量效益要遠(yuǎn)大于增量成本，并且20～30年內(nèi)可以回收建筑的增量成本[20]；有的項(xiàng)目全生命周期的增量效益甚至達(dá)到了增量成本的3.14倍[21]。就住宅而言，中國(guó)綠建住宅的增量成本為26.6元/m2（一星級(jí)）、281.74元/m2（二星級(jí)）、302.7元/m2（三星級(jí)），增量成本占總成本百分比分別為3.05%、7.93%和10.84%[22]。綜上可知，綠色建筑的增量成本要比預(yù)期低得多。特別是在華東地區(qū)（如上海），其普通建筑的建設(shè)成本比較高，所以綠色建筑的增量成本比例占建筑總造價(jià)會(huì)相對(duì)更小一些，加上上海等沿海地區(qū)普遍的高房?jī)r(jià)，使得這一增量成本顯得微乎其微。就公共建筑而言，綠色建筑的增量成本回收期會(huì)更短，如中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院辦公樓作為近零能耗示范樓，在節(jié)能方面的增量成本為700元/m2左右，預(yù)計(jì)5～8年即可收回投資成本[23]。

為了提高綠色建筑的經(jīng)濟(jì)性，各個(gè)國(guó)家尤其是建筑發(fā)達(dá)地區(qū)，政府相繼推出了綠色建筑激勵(lì)政策來抵消大部分增量成本，如2012年中國(guó)財(cái)政部和住建部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于加快推動(dòng)我國(guó)綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見》中就提出了具體的獎(jiǎng)勵(lì)政策，如對(duì)二星級(jí)綠色建筑每平方米獎(jiǎng)勵(lì)45元，對(duì)三星級(jí)綠色建筑每平方米獎(jiǎng)勵(lì)80元[24]。隨著綠色建筑產(chǎn)品的成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，綠色建筑的增量成本還會(huì)進(jìn)一步下降。若直接采用回收期短的節(jié)能技術(shù)，如高性能窗戶、節(jié)能燈、水冷冷凝的空調(diào)器等，綠色建筑增量成本的回收期都不超過3～5年，其中高性能窗戶的回收期只要不到4個(gè)月[25]。

綜上，一味地認(rèn)為綠建造價(jià)高是一種誤解，特別是從全生命周期的角度來看，綠建是有投資意義的。對(duì)于許多處于金融危機(jī)的歐洲國(guó)家，與許多其他形式的投資相比，針對(duì)節(jié)能措施的投資也被證明是更為保守的投資手段[12]。

（2）可持續(xù)的長(zhǎng)期目標(biāo)與具體建筑的關(guān)聯(lián)性問題

盡管可持續(xù)發(fā)展的概念已經(jīng)被主流社會(huì)所認(rèn)同，但還沒有與公眾行為建立實(shí)質(zhì)性和主動(dòng)性的關(guān)聯(lián)。如同英國(guó)環(huán)境保護(hù)部副主席Roland Clift所說，公眾認(rèn)識(shí)的缺乏對(duì)于氣候變化是一個(gè)真正的威脅[13]。但是由于種種原因，雖然建筑物經(jīng)常需要維修或改善，但節(jié)能方案往往被業(yè)主忽視、拒絕或只是部分實(shí)現(xiàn)。例如，一般家庭會(huì)認(rèn)為安裝一個(gè)低成本的節(jié)能燈可以節(jié)約能源，卻沒有可以通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱或升級(jí)鍋爐來節(jié)省更多能源的意識(shí)。

對(duì)建筑節(jié)能潛力認(rèn)識(shí)的缺乏，是導(dǎo)致上述問題的關(guān)鍵原因。根據(jù)中國(guó)人民大學(xué)國(guó)家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院發(fā)布的《中國(guó)家庭能源消費(fèi)研究報(bào)告（2016）》研究顯示，從能源成本分析來看，我國(guó)普通居民家庭2014年的家庭消費(fèi)支出為39 029元，而其中大量支出浪費(fèi)在了漏水的窗戶或管道、舊設(shè)備或效率低下的加熱和冷卻系統(tǒng)上。所以，加強(qiáng)對(duì)家庭能源消耗對(duì)象（如家電、熱水器、空調(diào)等）及其對(duì)應(yīng)節(jié)能措施的了解，幫助公眾更直觀、輕松地節(jié)能，是重建可持續(xù)目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)生活關(guān)聯(lián)的重要方法。美國(guó)能源部（US，DOE）[26]一方面推出了專業(yè)的“價(jià)格與趨勢(shì)”（Price and Trends）服務(wù)項(xiàng)目，通過向商人和消費(fèi)者提供當(dāng)前汽油、煤炭、可再生能源和其他燃料的價(jià)格趨勢(shì)信息，幫助他們做出對(duì)節(jié)能最有利的決定，讓市民在生活中能夠輕松節(jié)能；另一方面，DOE通過節(jié)能省錢指南《Tips on Saving Money and Energy in Your Home》和自己動(dòng)手節(jié)能項(xiàng)目（Do-It-Yourself Energy Savings Projects）項(xiàng)目，將與建筑氣密性、照明和采光、窗戶、門和天窗等方面的提供商或產(chǎn)品制造商的目錄羅列出來，讓公眾輕松知道各措施的節(jié)能量，并且鼓勵(lì)民眾自己動(dòng)手（DIY）進(jìn)行住宅節(jié)能改造。

（3）全球氣候挑戰(zhàn)與單體節(jié)能之間量級(jí)關(guān)系

盡管在人們的意識(shí)中認(rèn)為建筑節(jié)能很重要，但仍然存在全球氣候挑戰(zhàn)與單體建筑節(jié)能之間量級(jí)關(guān)系懸殊的問題，這也是造成建筑業(yè)主對(duì)凈零能耗建筑主動(dòng)性不足的主要原因之一。2019年3月30日，世界各地188個(gè)國(guó)家和地區(qū)的個(gè)人、企業(yè)和城市都參加了“地球一小時(shí)”（Earth Hour）活動(dòng)，呼吁采取緊急行動(dòng)來保護(hù)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2007年3月31日的“地球一小時(shí)”活動(dòng)中，僅悉尼節(jié)省的電能就足夠20萬臺(tái)電視機(jī)使用1h，相當(dāng)于1h內(nèi)路上少跑了48 613輛汽車，其節(jié)能減排效果顯著。除此之外，還產(chǎn)生了全球性的“蝴蝶效應(yīng)”：自2007年以來，“地球一小時(shí)”動(dòng)員了企業(yè)、組織、政府和數(shù)億人為可持續(xù)的未來而行動(dòng)，在全球范圍內(nèi)推動(dòng)了氣候政策及其相關(guān)意識(shí)和行動(dòng)的實(shí)施?！暗厍蛞恍r(shí)”活動(dòng)促成了阿根廷350萬ha的海洋保護(hù)區(qū)，創(chuàng)造了烏干達(dá)2 700ha的“地球一小時(shí)”森林，在2014年加拉帕戈斯群島出臺(tái)了使用塑料的禁令，為哈薩克斯坦種植了1 700萬棵樹，并推動(dòng)保護(hù)俄羅斯海洋和森林的新立法的設(shè)立……[27]。所以雖然個(gè)人的熄燈一小時(shí)對(duì)于節(jié)約能源、減少發(fā)電造成的溫室氣體和其他污染性氣體排放或許只是杯水車薪，但是由此激發(fā)的環(huán)保意識(shí)深入人心化為思想，當(dāng)思想化為行動(dòng)，當(dāng)行動(dòng)變成習(xí)慣，那對(duì)于全球環(huán)保事業(yè)的貢獻(xiàn)，將絕不限于數(shù)字。

2 建設(shè)凈零能耗建筑意義深遠(yuǎn)

在節(jié)能建筑的歷史演變過程中，從低能耗建筑（Low-Energy Building）、超低能耗建筑（Ultra-Low Energy Building）、被動(dòng)式房屋（Passive House）、近零能耗建筑（Nearly-Zero Energy Building）到2016年美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）推出的（凈）零能耗建筑（Net-Zero Energy Building/ Zero Energy Building），這一過程顯示了建筑節(jié)能效率的不斷提高。雖然每個(gè)國(guó)家對(duì)各個(gè)階段的節(jié)能建筑沒有統(tǒng)一的定義和衡量標(biāo)準(zhǔn)，但追求的目標(biāo)是相似的。無論是超低能耗還是近零能耗，他們的目標(biāo)都是為了達(dá)到如同美國(guó)LEED、中國(guó)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等對(duì)于節(jié)能率“數(shù)量”上的要求，比如美國(guó)規(guī)定近零能耗獨(dú)棟居住建筑的供暖、供熱水能耗在2010年基礎(chǔ)上降低40%[14]，日本規(guī)定近零能耗建筑比常規(guī)建筑能耗降低75%[28]。

“凈”零能耗建筑是在近零能耗建筑基礎(chǔ)上，增加了智能電網(wǎng)、分布式能源等概念，并強(qiáng)調(diào)建筑產(chǎn)出的能量要比消耗的能耗更多[29]。基于此，有別于其他節(jié)能建筑，凈零能耗建筑的特殊意義在于創(chuàng)造一種可以自我運(yùn)作的自循環(huán)系統(tǒng)，盡可能減少對(duì)環(huán)境的破壞和對(duì)資源的依賴，具備應(yīng)對(duì)未來極端氣候條件挑戰(zhàn)的能力。愈發(fā)頻繁的自然災(zāi)難一直提醒著人們應(yīng)對(duì)全球氣候的緊迫性。根據(jù)美國(guó)外國(guó)災(zāi)難援助辦公室（OFDA）的緊急災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(kù)EMDAT顯示，近幾十年來每年報(bào)告的自然災(zāi)害總量一直在穩(wěn)步增加[30]，這在一定程度上預(yù)示在未來氣候惡化會(huì)有不可逆的可能[31]。加拿大學(xué)者Amélie Robert認(rèn)為全球氣候變化劇烈，現(xiàn)階段建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮未來的氣候變化對(duì)建筑物能耗的影響[32]。英國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)（UK，GBC）在2019年11月8日發(fā)起了一項(xiàng)長(zhǎng)期計(jì)劃的集會(huì)號(hào)召，呼吁在建筑環(huán)境中采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化，并呼吁“到2030年，所有建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施將在整個(gè)生命周期中具有氣候適應(yīng)力，并通過優(yōu)先考慮最大化環(huán)境凈收益的解決方案”[31]。

從學(xué)界到政府都清楚地認(rèn)識(shí)到，發(fā)展建筑節(jié)能并不只是單純地減少化石能源和碳排放這么簡(jiǎn)單，應(yīng)對(duì)未來極端氣候挑戰(zhàn)的意義更加深遠(yuǎn)。要為未來積累和儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù)，發(fā)展凈零能耗建筑有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，如果能夠在一定區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)建筑的零能耗，那么就可以減少城市的發(fā)電站，從本質(zhì)上為城市建設(shè)降低對(duì)化石能源的依賴奠定基礎(chǔ)，還能夠減少城市能源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)施的成本投入。其次，凈零能耗建筑具備不依賴外界而“自我循環(huán)”的可能，這對(duì)于未來抵御極端氣候有著非常重要的意義。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)建筑或建筑群的“自我循環(huán)”將意味著實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)人工生態(tài)環(huán)境的可能性，為未來人類不依賴于地球環(huán)境而在星際生存創(chuàng)造條件。

可以說，凈零能耗建筑與通常意義的建筑節(jié)能雖然看起來相似，但在本質(zhì)意義上有著分野。由于凈零能耗建筑意味著離網(wǎng)（即不再依賴城市管網(wǎng)系統(tǒng)）的可能性，因而對(duì)運(yùn)行效果的檢驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，不需要計(jì)算使用了多少城市供能，而只需要看能否正常使用即可，當(dāng)然也要不斷記錄用能情況和使用特征，用以不斷推動(dòng)完善建筑的能效。但凈零能耗這種極致的要求，將會(huì)至少在四個(gè)方面推動(dòng)建筑技術(shù)的快速發(fā)展：1）推動(dòng)可再生能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，由于不再使用化石能源，建筑用能將全部采用可再生能源，如太陽能、地能、風(fēng)能、生物能等，是人類可以隨時(shí)獲得的能源，不受自然資源的制約，大大降低了人類對(duì)外部生存環(huán)境條件的依賴；2）推動(dòng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱材料技術(shù)與構(gòu)造技術(shù)的進(jìn)步，使建筑能耗降至最低；3）推動(dòng)能源儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步；4）推動(dòng)高能效用能設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各類用能設(shè)備將可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功能與最少用能的耦合。

2 康奈爾科技園宿舍樓

3 康奈爾科技園宿舍樓裝配式外墻高保溫性能和高氣密性細(xì)部節(jié)點(diǎn)

綜上所述，凈零能耗建筑已超越了建筑節(jié)能的一般概念范疇，是未來儲(chǔ)備人類生存環(huán)境建設(shè)技術(shù)體系的必由路徑，因而意義深遠(yuǎn)。

3 實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑技術(shù)路徑

實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑的“技術(shù)路徑”主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是充分降低建筑用能，二是充分利用可再生能源。根據(jù)大多數(shù)研究，技術(shù)路徑主要分為四步：第一步，基于對(duì)建筑負(fù)荷和相關(guān)能耗的預(yù)測(cè)，先通過“被動(dòng)式”的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低建筑能耗；第二步，通過采用高性能建筑能源（如照明、冰箱等）系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)的主動(dòng)優(yōu)化方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能；第三步，使用可再生能源來滿足剩余能源的需求；最后，通過智能建筑運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)建筑的自調(diào)試和自運(yùn)行[33]。當(dāng)然，凈零能耗建筑在不同使用情況下的用能通常按最大能耗來配置可再生能源的生產(chǎn)，那么在其他工況下多余的能源就需要有較好的儲(chǔ)存設(shè)施來進(jìn)行時(shí)間維度上的平衡，或者進(jìn)行小型局域聯(lián)網(wǎng)，在建筑群之間實(shí)現(xiàn)用能共享。因此，以上四點(diǎn)可以概括為——最大程度降低建筑用能需求、最大可能提高能源使用效率、最大可能產(chǎn)出可再生能源、最有效的能源儲(chǔ)存和共享。

（1）最大程度降低建筑能源需求

最大程度降低建筑能源需求的設(shè)計(jì)通常被稱為“被動(dòng)式”設(shè)計(jì)，一般作為NZEB設(shè)計(jì)的第一步[34]。首先要讓建筑最大限度地使用自然采光和自然通風(fēng)，以此來減少建筑對(duì)日間照明及暖通空調(diào)的使用。主要措施有兩個(gè)：一是對(duì)朝向、體形系數(shù)、窗墻比、遮陽等進(jìn)行設(shè)計(jì)來使建筑獲得最大限度的自然采光和通風(fēng)；二是最大程度提高建筑自身的性能，如提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、低能耗的新風(fēng)系統(tǒng)等（圖2）。

通過提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和氣密性等來達(dá)到建筑節(jié)能的潛力非常大，是建筑節(jié)能中最關(guān)鍵的一步。在我國(guó)北方地區(qū)，當(dāng)住宅的氣密性從0.98h-1提高到0.5h-1時(shí)，區(qū)域供暖能耗將減少12.6%[35]；與單層玻璃相比，低輻射率的雙層或三層玻璃窗可將建筑每平方米的能耗降低40%以上[36]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能策略主要包括高效隔熱系統(tǒng)、高性能窗戶、良好的氣密性等，而更高的性能主要是通過控制傳熱系數(shù)來達(dá)成，通過對(duì)比可知我國(guó)近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提高較快，已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平（表1）。加上如今如膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等絕熱材料的傳熱系數(shù)已經(jīng)低至0.02～0.046W/（m2·k），是國(guó)標(biāo)中近零能耗建筑規(guī)定要求的1/3～1/5，它的推廣將會(huì)使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能趨向最優(yōu)。

紐約康奈爾科技園宿舍樓是目前世界上第一座高層住宅被動(dòng)式建筑，其通過極高保溫性能和極高氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)來降低用能需求，同時(shí)采用機(jī)械通風(fēng)熱回收技術(shù)進(jìn)行回補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)超低能耗（圖2，3）。

（2）最大可能提高能源使用效率

最大可能提高能源使用效率，即將照明、家電、動(dòng)力設(shè)備等各類用能設(shè)備盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功能與最少用能的耦合。通過對(duì)歐洲12個(gè)國(guó)家進(jìn)行調(diào)查，電器和照明用電量占總用電量的22%，而且通過選擇高效照明與家電設(shè)備措施是具有很高成本效益的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐洲如果在解決建筑技術(shù)系統(tǒng)的同時(shí)優(yōu)化家庭照明、家用電器，如將白熾燈照明裝置更換為緊湊型熒光燈（CFL）或發(fā)光二極管（LED）裝置，將冰箱、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、烘干機(jī)等更換為全套A ++電器，則可以實(shí)現(xiàn)電力中和。在大多數(shù)情況下，這種提高家電效率的措施能夠?qū)⒓矣秒娖鞯挠秒娏繙p少35%或更多，對(duì)于實(shí)現(xiàn)NZEB目標(biāo)至關(guān)重要[37]。

采用能耗較低的采暖和空調(diào)方式，以及智能化的用能控制系統(tǒng)將對(duì)提高能效十分關(guān)鍵。通常情況下，大部分采暖和空調(diào)的能耗均在使用者不舒適的情況下被白白浪費(fèi)，如冬季采暖期室內(nèi)溫度過高，對(duì)使用者舒適性影響很大；夏季空調(diào)系統(tǒng)會(huì)給使用者帶來“空調(diào)病”。如果能夠按照使用者的實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?，則會(huì)提高節(jié)能效率和舒適性。建筑物能耗和室內(nèi)熱環(huán)境在很大程度上受居住者行為的影響，使用者行為的不確定性使得預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際使用能耗相差非常大。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，建筑系統(tǒng)的運(yùn)行和控制直接受到使用者行為的影響，會(huì)導(dǎo)致超過30%的浪費(fèi)[38]。因此，利用傳感器反饋進(jìn)而對(duì)采暖空調(diào)設(shè)備進(jìn)行智能控制，可以在保證使用者舒適性的同時(shí)提高實(shí)際使用能效，而且潛力巨大。

表1 現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比較圖

紐約康奈爾科技園布隆伯格中心被認(rèn)為是美國(guó)規(guī)模最大的凈零能耗建筑之一，其最大限度使用太陽能電池板，并設(shè)置了122m深的閉環(huán)地?zé)峋M成地?zé)嵯到y(tǒng)，同時(shí)采用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)使用者不同需求提供相應(yīng)能源，提高能源使用效率（圖4～6）。

（3）最大可能產(chǎn)出可再生能源（RES）

太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物能等可再生能源能夠自然補(bǔ)充，是我們目前唯一的長(zhǎng)期能源供應(yīng)的選擇?？稍偕茉吹臐摿艽?，太陽每年向地球連續(xù)入射約90 000TW（可用功率用太瓦為單位）的輻射，其中大約1 000TW可以直接以太陽能的形式獲得，10TW的風(fēng)能以及波浪、水力和（非太陽能）潮汐能、地?zé)崮艿男问将@得，而全球主要電力需求約為18TW。因此，如果可以以合理的成本提取足夠的可用能源，可再生能源的可利用量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類所需[39]。

以上海市為例，2018年上海每月的居民生活用電量為13.9億kW·h，可估算每戶人家一天的用電量不到10kW·h，根據(jù)漢能公司（中國(guó)一家全球化的清潔能源跨國(guó)公司）提供的數(shù)據(jù)，每1平方米薄膜太陽能安裝在立面上1天可以發(fā)1kW·h電（170W×6h），那么只要在立面上安裝10m2薄膜即可滿足一家人一天的用量。那么根據(jù)上海住宅的常規(guī)戶型來看，只南面安裝薄膜太陽能板就能夠滿足一般家庭的用電問題，其造價(jià)大約在2萬元左右。這對(duì)于高房?jī)r(jià)的發(fā)達(dá)城市而言，性價(jià)比是極高的。在葡萄牙，就已經(jīng)有運(yùn)用針對(duì)現(xiàn)有建筑物外墻的新型預(yù)制改造模塊方案——通過對(duì)單戶和多戶住宅南向安裝有效面積為8.3m2、功率為1.05kW的光伏電池板，單戶及多戶家庭建筑能耗就分別減少了69%和60%[40]。在孟加拉的一個(gè)社區(qū)中，利用風(fēng)能與太陽能在使用上的互補(bǔ)，發(fā)明了一種風(fēng)能-光伏-電池混合系統(tǒng)，對(duì)于一個(gè)年消耗量為53 317kW·h的社區(qū)，每年可產(chǎn)生的能量是消耗能量的近1.6倍（約89 151kW·h）[41]。所以，隨著技術(shù)的不斷更新，可再生能源的產(chǎn)出會(huì)不斷增加，直至最大化。

（4）最有效的能源儲(chǔ)存和共享系統(tǒng)

能源儲(chǔ)存技術(shù)就像儲(chǔ)存食物一樣，是人類擺脫外界條件約束提高資源利用效率的重要手段。由于可再生能源的發(fā)電量不可預(yù)測(cè)，使得凈零能耗建筑和城市電網(wǎng)之間有長(zhǎng)期不穩(wěn)定的供求關(guān)系，會(huì)嚴(yán)重影響電源的安全性和穩(wěn)定性[42]。因此，在可再生能源應(yīng)用中加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)非常重要?，F(xiàn)階段能源的儲(chǔ)存技術(shù)主要有熱能存儲(chǔ)和太陽能光伏發(fā)電自耗儲(chǔ)能等。熱能存儲(chǔ)技術(shù)（TES）可以很大程度上減少能源消耗和促進(jìn)可再生能源的使用，合理的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)密度最高可達(dá)430MJ/m3、250MJ/m3，可以將能源消耗減少超過30%[43]。

在很多凈零能耗建筑中（特別是住宅建筑），光伏發(fā)電量比建筑本身的電力消耗量要多，需要將相當(dāng)一部分可再生能源輸出到電網(wǎng)中，但是輸出的這部分電量很多時(shí)候又會(huì)輸回給建筑使用[44]，這就造成能源效率降低，電網(wǎng)難以管理，以及用戶的經(jīng)濟(jì)損失。因此，將建筑RES產(chǎn)生的多余能量自耗最大化成為了重點(diǎn)。光伏能源自耗的儲(chǔ)能系統(tǒng)就是解決問題的重要方案，其通過在高發(fā)電期間存儲(chǔ)能量以補(bǔ)償可再生能源供電的間歇性，存儲(chǔ)的能源可以供建筑在高需求期間使用[45]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高效率的光伏能源自耗的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以減少建筑對(duì)電網(wǎng)用電量消耗的78.3%，使得建筑年度能源賬單減少87.2%[46]。

通過以上這些方式，凈零能耗建筑的技術(shù)路線圖已基本清晰，一些新建項(xiàng)目也在不斷做出嘗試。隨著大力推廣并在實(shí)踐中不斷探索使技術(shù)體系更加完善，從而降低成本。

4 結(jié)語

4 康奈爾科技園布隆伯格中心

5 布隆伯格中心地?zé)嵯到y(tǒng)控制室

6 布隆伯格中心最大限度地利用了太陽能

走向凈零能耗建筑，并不是一種道義上的宣傳，而是真實(shí)地為建筑使用者創(chuàng)造了更加舒適的室內(nèi)微氣候，同時(shí)也為建筑在長(zhǎng)期使用過程中節(jié)約開支。凈零能耗建筑的技術(shù)體系將為未來抵御極端氣候、實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)微氣候自循環(huán)成為可能，是一項(xiàng)具有實(shí)踐性且有經(jīng)濟(jì)效益的公益事業(yè)。不管是在理論上還是在實(shí)踐案例中，凈零能耗建筑的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義都顯而易見。我們堅(jiān)信隨著公眾意識(shí)的普及與技術(shù)體系的不斷完善，未來建筑將會(huì)實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境的理想狀態(tài)，形成適宜人類生存、又對(duì)外部環(huán)境依賴極少的宜居空間和更美好的可持續(xù)城市。

注釋

1 經(jīng)濟(jì)學(xué)中的溢價(jià)成本是指在各種方案的成本比較決策時(shí)，當(dāng)選定某一方案為基本方案，然后將其他方案與之相比較時(shí)所增加的成本，即兩個(gè)方案之間的成本差額是差別成本的一種表現(xiàn)形式。因此，通常需要建立一個(gè)基準(zhǔn)建筑模型來輔助成本的對(duì)比計(jì)算。

2 綠色建筑的增量成本定義是在建造符合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求的建筑目標(biāo)下，因選擇了節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)管理利用技術(shù)措施而增加的成本。

3 增量效益是指綠色建筑帶來的節(jié)能、節(jié)電、水費(fèi)的直接經(jīng)濟(jì)效益、建筑運(yùn)營(yíng)管理上的節(jié)約效益，以及污染減排、技術(shù)示范等社會(huì)及環(huán)保邊際效益。

圖片來源

圖3 來源于文獻(xiàn)[47]；圖5 來源于文獻(xiàn)[48]；圖6 來源于網(wǎng)絡(luò)；其余為作者自攝或自繪。