鄭清濤 ,榮中秋，羅 多，程 妍，李 進(jìn)，曾澤榮（.水發(fā)能源集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)》和 T/CABEE 003—2019《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》開始實(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求的室內(nèi)環(huán)境條件下的能效指標(biāo)，在超低能耗建筑大力示范推廣的今天給更高能效標(biāo)準(zhǔn)的建筑以更明確的定義和指導(dǎo)。用“被動(dòng)優(yōu)先，主動(dòng)優(yōu)化”的設(shè)計(jì)理念建造“零能耗建筑”已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和建筑節(jié)能從業(yè)人員的普遍認(rèn)同。在歐洲，甚至分為“被動(dòng)建筑”和“主動(dòng)建筑”2 個(gè)流派，但最終導(dǎo)向還是二者主要技術(shù)的綜合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)“零能耗建筑”的總體目標(biāo)，只是技術(shù)側(cè)重點(diǎn)有所不同。

被動(dòng)房崇尚節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、舒適和建筑美學(xué)的有機(jī)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)和有組織的室內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)和熱回收系統(tǒng)。但是，要實(shí)現(xiàn)“近零”和“凈零”，必須要加入可再生能源進(jìn)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(dāng)大的局限的，所以，一方面必須盡可能地進(jìn)行建筑本體的節(jié)能；另一方面建筑的 6 個(gè)面（南向面、北向面、東向面、西向面、屋面及接地面）都應(yīng)考慮利用自然資源，進(jìn)行充分的能源交換。最終，通過耗能和產(chǎn)能的完全平衡，實(shí)現(xiàn)建筑全年的“零能耗”指標(biāo)。

即便如此，據(jù)不完全了解，在美國(guó)，能實(shí)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了凈零能耗、凈零水耗和凈零廢棄物的目標(biāo)，是 1 棟無須支付能源費(fèi)用，并通過生產(chǎn)能源實(shí)現(xiàn)收益的建筑。

為了實(shí)現(xiàn)“零能耗”，這個(gè)非四邊形的建筑在屋頂建了一個(gè)超出建筑立面 3～5 m 的“光伏大帽子”，其總面積達(dá)1 329 m2，使得該項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)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(shí)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(xué)技術(shù)建造本體實(shí)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(kuò)展實(shí)現(xiàn)“零能耗”建筑的邊界的原因。根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，本文分析了在公共建筑中實(shí)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(shí)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(jí)選擇，東西立面為再次一級(jí)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(jìn)深，都同時(shí)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(shí)現(xiàn)“零能耗”的至關(guān)因素，顯然越高的建筑越難以實(shí)現(xiàn)“零能耗”。

1.2 建筑功能

從國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》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(jī)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(jī)關(guān)辦公樓約束值是 70 kWh/ (m2·a)，而 B 類的購(gòu)物中心約束值卻達(dá)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(yīng)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(yùn)行管理，這類建筑都應(yīng)屬于首選，尤其是自運(yùn)營(yíng)的辦公建筑。本文后面的數(shù)據(jù)分析則以 A 類的黨政機(jī)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(jià)格降低了近80%，標(biāo)準(zhǔn)光伏組件價(jià)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(shí)現(xiàn)用戶側(cè)全面平價(jià)，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(shì)，所以光伏電可稱作用戶側(cè)全網(wǎng)最廉價(jià)電力。這就進(jìn)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(jì)潛力。根據(jù)美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室在 SCI1 區(qū) 《可再生和可持續(xù)能源評(píng)論》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）雜志發(fā)表的論文《基于 34 個(gè)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(bǔ)充建筑運(yùn)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(yīng)用是最經(jīng)濟(jì)最成熟的主動(dòng)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(qiáng)度。我國(guó)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(shí)現(xiàn)“零能耗”。

1.4 地域條件

根據(jù)我國(guó)不同氣候帶的具體氣候條件，國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 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(jī)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(shí)現(xiàn)零能耗。

1.5 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度與能源消耗強(qiáng)度

實(shí)現(xiàn)“零能耗建筑”顯然需要建設(shè)階段的增量投入。雖然在未來運(yùn)營(yíng)階段，“零”能耗的運(yùn)行成本對(duì)投資方有一定有誘惑力，但估計(jì) 10% 以上的增量成本和 5～10 a 的投資回報(bào)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(gè)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(lì)。其接納程度也與各地市的經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān)，與各省的建筑能耗強(qiáng)度密切相關(guān)。

如圖 2 所示，2000—2016 年全國(guó)建筑能耗占能源消費(fèi)總量的比重為 17%～21%。建筑能耗比重的波動(dòng)與經(jīng)濟(jì)波動(dòng)總體上呈現(xiàn)反向關(guān)系，經(jīng)濟(jì)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(dá)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(dòng)，建筑能耗比重則相應(yīng)發(fā)生反向波動(dòng)。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(guó)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(jì)投入來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，只可能以犧牲舒適度來?yè)Q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(dòng)“零能耗建筑”的示范建設(shè)要從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一、二線城市開始。

2 “零能耗建筑”主要因素分析

綜上 5 個(gè)主要因素，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的建筑模型以分析什么類型的建筑是推動(dòng)“零能耗建筑”示范建設(shè)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(rèn)為是建筑內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)自然采光的臨界尺寸），長(zhǎng)度取 50 m，5∶3 的黃金尺寸。長(zhǎng)度方向南北放置，寬度方向東西放置。通過逐級(jí)變化寬度和長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度變化對(duì)“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(jī)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，分別取 5 個(gè)氣候帶具有代表性的 5 個(gè)省會(huì)級(jí)城市：哈爾濱、北京、上海、貴陽、廣州做預(yù)測(cè)能耗分析。

2.4 能耗預(yù)測(cè)

參考 GB/T 51161—2016 的“約束值”作為按照 GB 50189—2015 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的能耗指標(biāo)，包括了建筑空調(diào)、通風(fēng)、照明、生活熱水、電梯、辦公設(shè)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(fēng)機(jī)電耗等建筑所使用的所有能耗。按照 T/CABEE JH—2019 評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)的能耗，只包括建筑供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯的終端能耗量，設(shè)備插座等不包括。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得知，正常設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，辦公設(shè)備和插座的能耗約占總建筑能耗的 30%。根據(jù) T/CABEE JH—2019004對(duì)公共建筑的評(píng)價(jià)要求，嚴(yán)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(yù)測(cè)評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)建筑本體的總能耗。

2.5 光伏預(yù)測(cè)

假定屋面可以全部用來設(shè)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(shè)置光伏建筑一體化（Building Integrated Photo Voltaic,BIPV）系統(tǒng)。預(yù)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(yù)測(cè)評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)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(dāng)光伏比≥1 時(shí)，實(shí)現(xiàn)建筑本體的“零能耗”甚至“產(chǎn)能”目標(biāo)，當(dāng)光伏比＜1 時(shí)，則不能實(shí)現(xiàn)建筑本體的“零能耗”目標(biāo)。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際，目前都暫時(shí)認(rèn)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(gè)元素的假設(shè)，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(zhǎng)和寬，對(duì)“光伏比”的影響微乎其微直至消失。

（2）由于北方嚴(yán)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(shè) 4 層的“零能耗”建筑。

（3）要實(shí)現(xiàn)更廣范圍的“零能耗”建筑還必須研究更先進(jìn)更高效的建筑技術(shù)，使得建筑能耗進(jìn)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(hù)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(xué)習(xí)的末端智能控制系統(tǒng)等。