鄭清濤 ,榮中秋，羅 多，程 妍，李 進，曾澤榮（.水發(fā)能源集團有限公司， 山東 濟南 50000；.珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司， 廣東 珠海 59000 ）

2019 年底，GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》和 T/CABEE 003—2019《近零能耗建筑測評標準》開始實施，明確規(guī)定了“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”“零能耗建筑”以及“產(chǎn)能建筑”在滿足標準要求的室內(nèi)環(huán)境條件下的能效指標，在超低能耗建筑大力示范推廣的今天給更高能效標準的建筑以更明確的定義和指導。用“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的設計理念建造“零能耗建筑”已經(jīng)得到國內(nèi)外學者和建筑節(jié)能從業(yè)人員的普遍認同。在歐洲，甚至分為“被動建筑”和“主動建筑”2 個流派，但最終導向還是二者主要技術(shù)的綜合應用以實現(xiàn)“零能耗建筑”的總體目標，只是技術(shù)側(cè)重點有所不同。

被動房崇尚節(jié)能、經(jīng)濟、舒適和建筑美學的有機融合，通過優(yōu)化建筑方式減少供暖和制冷能源需求，主要措施包括良好保溫的圍護結(jié)構(gòu)、高效節(jié)能門窗、夏季遮陽、防止結(jié)構(gòu)熱橋、高氣密性的外圍護結(jié)構(gòu)和有組織的室內(nèi)新風供應和熱回收系統(tǒng)。但是，要實現(xiàn)“近零”和“凈零”，必須要加入可再生能源進行建筑的自我能源的生產(chǎn)從而全部或部分抵消建筑自身的能耗。由于在建筑本體中生產(chǎn)可再生能源是有相當大的局限的，所以，一方面必須盡可能地進行建筑本體的節(jié)能；另一方面建筑的 6 個面（南向面、北向面、東向面、西向面、屋面及接地面）都應考慮利用自然資源，進行充分的能源交換。最終，通過耗能和產(chǎn)能的完全平衡，實現(xiàn)建筑全年的“零能耗”指標。

即便如此，據(jù)不完全了解，在美國，能實現(xiàn)零能耗的最高建筑是位于西雅圖的生命建筑（international living future institute,ILFI）公司總部大樓。該項目于 2013 年竣工的 6 層商業(yè)辦公建筑，總建筑面積約 4 831 m2。實現(xiàn)了凈零能耗、凈零水耗和凈零廢棄物的目標，是 1 棟無須支付能源費用，并通過生產(chǎn)能源實現(xiàn)收益的建筑。

為了實現(xiàn)“零能耗”，這個非四邊形的建筑在屋頂建了一個超出建筑立面 3～5 m 的“光伏大帽子”，其總面積達1 329 m2，使得該項目在實際運行能耗 31 kWh/(m2·a)（相較于西雅圖能源法令 2009 年建筑能耗要求低 79%）的前提下，通過光伏發(fā)電每年生產(chǎn)可再生電能超過 15 萬 kWh，滿足建筑全年用能而實現(xiàn)“零能耗”需求。

通過上述例子可知利用現(xiàn)有的建筑科學技術(shù)建造本體實現(xiàn)“零能耗”的建筑是有一定局限性的，這也是某能源聯(lián)合研究中心在建筑節(jié)能領(lǐng)域中需要通過不斷的技術(shù)研發(fā)來擴展實現(xiàn)“零能耗”建筑的邊界的原因。根據(jù)現(xiàn)有的標準和技術(shù)，本文分析了在公共建筑中實現(xiàn)“零能耗建筑”的前提條件。

1 “零能耗建筑”前提條件

1.1 建筑高度

“零能耗建筑”是通過“開源節(jié)流”來實現(xiàn)全年的能源平衡的，也就是盡可能少地使用能源和盡可能多地生產(chǎn)可再生能源。從最易集成和使用的可再生能源— 光伏發(fā)電技術(shù)的使用條件來講，建筑屋頂無疑是最寶貴的資源：南立面是次一級選擇，東西立面為再次一級選擇。如果想要增加立面的太陽能利用面積，無論是增加建筑的開間還是進深，都同時增加了建筑面積從而同等比例增加了建筑能耗。因此，從建筑的尺度上來說，高度或者層數(shù)是決定是否實現(xiàn)“零能耗”的至關(guān)因素，顯然越高的建筑越難以實現(xiàn)“零能耗”。

1.2 建筑功能

從國家現(xiàn)行標準 GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》中可以看出，不同建筑功能的建筑能耗差別是很大的，同一地區(qū)的公共建筑，如溫和地區(qū)：A 類的黨政機關(guān)辦公樓約束值是 50 kWh/(m2·a)，而 B 類的大型超市約束值卻是100 kWh/ (m2·a)，相差足足 1 倍；夏熱冬冷地區(qū)：A 類的黨政機關(guān)辦公樓約束值是 70 kWh/ (m2·a)，而 B 類的購物中心約束值卻達到了 260 kWh/ (m2·a)，是前者的 3.7 倍。因此，若要推廣“零能耗建筑”應從辦公類的公共建筑著手，無論是技術(shù)成熟度、增量投資還是運行管理，這類建筑都應屬于首選，尤其是自運營的辦公建筑。本文后面的數(shù)據(jù)分析則以 A 類的黨政機關(guān)辦公樓為建筑載體。

1.3 太陽能資源

近 10 年，光伏組件與傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)的價格降低了近80%，標準光伏組件價格甚至降到了 1.5 元/W，不到 300元/m2。這就加大了光伏組件集成到建筑構(gòu)件中的可能性。光伏的 1 kWh 成本已經(jīng)實現(xiàn)用戶側(cè)全面平價，電力行業(yè)內(nèi)有一句話叫作：由于光伏有“即發(fā)即用”的優(yōu)勢，所以光伏電可稱作用戶側(cè)全網(wǎng)最廉價電力。這就進一步地揭示了光伏能源與建筑結(jié)合具有巨大的技術(shù)和經(jīng)濟潛力。根據(jù)美國勞倫斯伯克利實驗室在 SCI1 區(qū) 《可再生和可持續(xù)能源評論》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）雜志發(fā)表的論文《基于 34 個研究案例的熱濕氣候下的凈零能耗建筑綜述》(A review of net zero energy buildings in hot and humid climates Experience learned from 34 case study buildings)中可以看到，在全球濕熱地區(qū)稱為“凈零”的建筑全部采用了光伏發(fā)電技術(shù)，以補充建筑運行的能源消耗。關(guān)鍵技術(shù)的使用頻率如圖 1 所示。

圖 1 關(guān)鍵技術(shù)的使用頻率

因此，光伏發(fā)電技術(shù)作為建筑可再生能源應用是最經(jīng)濟最成熟的主動技術(shù)，幾乎成為“零能耗建筑”的必備。太陽能資源的優(yōu)劣也就決定了建筑的產(chǎn)能強度。我國根據(jù)太陽能資源豐富程度劃分為 5 類地區(qū)，從一類地區(qū)的每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻射總量 6 680～8 400 MJ 到五類地區(qū)的 3 344～4 190 MJ，太陽能資源相差了 1 倍，也就是同樣的光伏電池年發(fā)電量相差了 1 倍。因此，太陽能資源越好的地區(qū)越容易實現(xiàn)“零能耗”。

1.4 地域條件

根據(jù)我國不同氣候帶的具體氣候條件，國家現(xiàn)行標準 GB/T 51161—2016 給出了同樣建筑類型不同的能耗約束值，如 A 類的黨政機關(guān)辦公樓：溫和地區(qū)的約束值是50 kWh/ (m2·a)，而夏熱冬冷地區(qū)的約束值卻是 70 kWh/(m2·a)，較前者增加了 40%，所以氣候越舒適的地區(qū)，越容易實現(xiàn)零能耗。

1.5 經(jīng)濟發(fā)達程度與能源消耗強度

實現(xiàn)“零能耗建筑”顯然需要建設階段的增量投入。雖然在未來運營階段，“零”能耗的運行成本對投資方有一定有誘惑力，但估計 10% 以上的增量成本和 5～10 a 的投資回報率顯然還無法吸引資本的關(guān)注。更何況大部分的建筑投資方和使用方并不是同一個單位，因此“零能耗建筑”還在研究和示范階段，需要政府的支持和鼓勵。其接納程度也與各地市的經(jīng)濟條件密切相關(guān)，與各省的建筑能耗強度密切相關(guān)。

如圖 2 所示，2000—2016 年全國建筑能耗占能源消費總量的比重為 17%～21%。建筑能耗比重的波動與經(jīng)濟波動總體上呈現(xiàn)反向關(guān)系，經(jīng)濟發(fā)展越快，GDP 增速變大，建筑能耗比重則變??；反之亦然。2002—2007 年，GDP增速逐年增大， 2007 年達到頂峰 14.23%，建筑能耗比重則從 2002 年的最高峰 20.15%，下降到 2007 年的最低谷17.68%；2007—2014 年，GDP 增速存在一定波動，建筑能耗比重則相應發(fā)生反向波動。2010 年后 GDP 增速逐年下降，建筑能耗比重則逐年上升。

圖 2 中國建筑能耗比重與 GDP 增速比較

這就說明建筑能耗的降低需要更多的經(jīng)濟投入來實現(xiàn)，經(jīng)濟不發(fā)達的地區(qū)，只可能以犧牲舒適度來換取能耗的降低，而不是依靠技術(shù)提升所需的增量投資。所以，推動“零能耗建筑”的示范建設要從經(jīng)濟發(fā)達的一、二線城市開始。

2 “零能耗建筑”主要因素分析

綜上 5 個主要因素，建立一個簡單的建筑模型以分析什么類型的建筑是推動“零能耗建筑”示范建設的首批建筑。此建筑的界定條件為“光伏比”（光伏年發(fā)電量與建筑年耗電量的比值）≥1。模型的邊界條件如下。

2.1 建筑尺度

取建筑模型寬度為 30 m（該尺度被認為是建筑內(nèi)部能實現(xiàn)自然采光的臨界尺寸），長度取 50 m，5∶3 的黃金尺寸。長度方向南北放置，寬度方向東西放置。通過逐級變化寬度和長度發(fā)現(xiàn)長度變化對“光伏比”完全無影響，寬度變化影響甚微。層高取 4 m，變量為 3～7 F。

2.2 建筑功能

取黨政機關(guān)辦公建筑。如前述分析，這類建筑的建筑能耗要求最低，也是容易被指定為“零能耗”示范建筑的類型。

2.3 地域

按照 GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》，分別取 5 個氣候帶具有代表性的 5 個省會級城市：哈爾濱、北京、上海、貴陽、廣州做預測能耗分析。

2.4 能耗預測

參考 GB/T 51161—2016 的“約束值”作為按照 GB 50189—2015 標準設計的能耗指標，包括了建筑空調(diào)、通風、照明、生活熱水、電梯、辦公設備以及建筑內(nèi)供暖系統(tǒng)的熱水循環(huán)泵電耗、供暖用的風機電耗等建筑所使用的所有能耗。按照 T/CABEE JH—2019 評估“零能耗建筑”時的能耗，只包括建筑供暖、通風、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯的終端能耗量，設備插座等不包括。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測得知，正常設計和運行時，辦公設備和插座的能耗約占總建筑能耗的 30%。根據(jù) T/CABEE JH—2019004對公共建筑的評價要求，嚴寒和寒冷地區(qū)的本體節(jié)能率需≥30%，其余地區(qū)≥20%。以此預測評估“零能耗建筑”時建筑本體的總能耗。

2.5 光伏預測

假定屋面可以全部用來設置太陽能光伏發(fā)電（Building Attached Photo Voltaic,BAPV）系統(tǒng)，南立面 20% 的面積用于設置光伏建筑一體化（Building Integrated Photo Voltaic,BIPV）系統(tǒng)。預估屋面 150 W/m2安裝功率，立面100 W/m2安裝功率；高緯度地區(qū)的哈爾濱、北京立面是最佳傾角發(fā)電量的 70%，低緯度地區(qū)的廣州、貴陽是最佳傾角發(fā)電量的 55%，而位于中間的上海取 60%。以上述邊界條件預測評估“零能耗建筑”時的最大光伏發(fā)電量。

2.6 “光伏比”

如將光伏年發(fā)電量/建筑年耗電量作為建筑的光伏比，當光伏比≥1 時，實現(xiàn)建筑本體的“零能耗”甚至“產(chǎn)能”目標，當光伏比＜1 時，則不能實現(xiàn)建筑本體的“零能耗”目標。無論是國內(nèi)還是國際，目前都暫時認可可提供“使用可再生能源”證明的“off site（非本體）”的“零能耗”形式存在。本文僅就本體而言。

根據(jù)以上 6 個元素的假設，分析現(xiàn)階段采用現(xiàn)有建筑技術(shù)能做到的層數(shù)，見表 2。

表 2 “零能耗”建筑層高分析表

6 結(jié) 語

由表 2 分析可以得出以下結(jié)論。

（1）分別調(diào)節(jié)建筑體型的長和寬，對“光伏比”的影響微乎其微直至消失。

（2）由于北方嚴寒地區(qū)的建筑總體能耗較高，所以大概率的只能 3 層及以下建筑能夠?qū)崿F(xiàn)本體建筑“零能耗”。其余地區(qū)原則上均能建設 4 層的“零能耗”建筑。

（3）要實現(xiàn)更廣范圍的“零能耗”建筑還必須研究更先進更高效的建筑技術(shù)，使得建筑能耗進一步降低，建筑產(chǎn)能越來越高。如某能源聯(lián)合研究中心建筑節(jié)能聯(lián)盟正在研究的“零能耗”技術(shù)產(chǎn)品：根據(jù)一年四季氣候變化可調(diào)圍護結(jié)構(gòu)性能的智能幕墻；基于光伏發(fā)電和燃料電池的交直流混合微電網(wǎng)；基于人行為自學習的末端智能控制系統(tǒng)等。