“雙碳”目標下近零能耗建筑的節能性探索

沈澤南

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

0 前言

2020年我國提出了爭取2030年前實現“碳達峰”、2060年前實現“碳中和”的目標。據資料顯示，2018年我國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的51.3%[1]；在能源消耗方面，建筑能耗約占社會總能耗的46.7%，而傳統方式供能建筑的能源利用率僅為33%；由建筑耗能產生的碳排放占全球溫室氣體排放的25%[2]，建筑業按高能耗建筑與高碳排放的發展趨勢，難以于限定時間實現“雙碳”目標。在此背景下，因地制宜地發展近零能耗建筑等成為建筑節能減排，實現可持續發展和綠色低碳社會的重要手段。本文對近零能耗建筑的背景、技術、設計元素及相關案例進行分析研究，旨在推動建筑領域中綠色節能低碳型建筑的實踐與發展。

1 近零能耗建筑

近零能耗建筑的概念最早來源于1976年丹麥Esbensen教授利用太陽能進行節能改造試驗后提出的“零能耗住宅”，之后在發達國家中形成相似的建筑定義，如德國的“被動房”與意大利的“氣候房”等。根據應對氣候變化與節能需求，各國制定相應的建筑能耗標準，評定建筑能效達標情況。美國住宅能源能效評定等級系統如圖1所示。

1.1 能耗目標的差異性

據GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》定義，近零能耗建筑是適應氣候與場地的情況下，建筑結合被動式建筑設計和主動式技術措施，充分利用可再生能源進行供能，最大化減少維持舒適的室內環境所需不可再生能源的消耗，最終使室內環境質量、能耗水平與能效指標符合標準要求。2011年國家住建部出臺的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》中初次提出了超低能耗建筑，超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑具有相同的技術體系，為同一技術路徑上的3個階段，在級別、節能率（嚴寒及寒冷地區公建比其余氣候區高10%）、主動式與被動式技術應用配比、可再生能源利用率與碳排放量等特征上存在明顯差異，如表1所示。

表1 不同建筑分類能耗

1.2 推動近零能耗建筑發展的必要性

近零能耗建筑綠色節能的理念響應節能減排的社會需求，降低建筑室內能耗90%[3]，提高室內活動舒適度和維持自然生態平衡。近零能耗建筑結合被動式設計與先進的建筑科技高效地整合空間、綠色建材、建筑設備及可再生能源利用，根據地域氣候差異提高外圍護結構的質量，提供溫和、舒適、健康的室內環境，保護綠色生態環境、實現能源的可持續發展及減少碳排放。

1.3 近零能耗建筑推廣實施的影響因素

（1）在2016年發布的《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中首次由中央層面提出，結合當地自然氣候，發展綠色節能建筑的要求，到2021年4月各省市推出加大近零能耗建筑及綠色建筑專項建設力度的支持政策。連續7年全國各地頒布多項綠色節能政策，其中以寒冷地區數量最多，占所有氣候區的71%，又以河北、河南及山東三省政策較多[4]。上層政策類型多而層級分明，覆蓋區域廣，形成精準的政策導向，國家將發展近零能耗建筑作為未來建筑能效提升的重要途徑并具體到實施階段。

（2）各省市推出資金補助、容積率獎勵及綠色金融等7類經濟激勵政策，普遍按超低能耗建筑面積補貼200～500元/m2來刺激并推動綠色節能建筑的發展[4]。在此情況下，國家進一步設立為建設單位提供全過程咨詢的創新機制，聯動設計、施工及后期運維，過程中實時修正與優化，保證全過程的高質量管理，從而實現近零能耗建筑的精細化設計和高質量建設。

（3）在政府與市場的共同促進下，國家投入上億元經費設立科研合作項目支持近零能耗建筑理論研究、技術創新及工程實踐，各省市也已相繼開展超過40次關于近零能耗建筑設計理念、技術拓展及實踐經驗的交流研討會及培訓[4]，整合各省市的高新人才資源。然而國內近零能耗建筑發展起步晚、時間短，行業可持續發展能力較弱，各工種缺乏相應技術與管理的高質量人才。

（4）國家及地方從2015～2019年逐步推出近零能耗建筑的設計、評價等相關的規范、導則與圖集[4]，促進近零能耗建筑的標準化建設，明確并加強綠色節能建筑的技術指標與氣候區特征的聯系，快速為近零能耗建筑發展提供強力的技術支持。而據“雙碳”目標，2022年4月初實施的GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》強制規定公建能耗水平較節能72%再降低20%，居建整體再降低30%，并引入建筑碳排放計算。而節能技術應用與新指標的不匹配、技術成本效益比高等現實條件逐漸無法適應不斷提高標準的規范要求。

2 近零能耗建筑的主要特征

2.1 氣候適宜性

我國主氣候區分為7個，包含20個子氣候區，考慮地區之間微氣候差異引起溫度、濕度、降雨雪等氣候區域特征不同，同屬嚴寒地區的哈爾濱與烏魯木齊，夏季平均氣溫差異使空氣相對濕度前者高于后者。近零能耗建筑的氣候適宜性體現在對不同氣候區的建筑設定具有偏向差異性的節能指標及相應限值，建筑在實現綠色節能達標的技術體系上需根據差異化的氣候特征作出調整，在空間、材料、設備選型和能源利用的組合上進行適應性分析，相互協調使節能性能疊加，促進整體能效提升，實現建筑對氣候的正向回饋，并且推動節能減排能技術適宜性評價指標體系的建立。

2.2 近零能耗建筑應用的節能措施

2.2.1 被動式建筑節能設計

（1）結合場地的自然條件。近零能耗建筑實現被動式設計，在前期調研階段需對場地所處區域進行氣候分析，并獲得平均氣溫、日照率、輻射溫差比、風向頻率、年降雨量、采暖與制冷天數等氣象數據，用于指導建筑空間及節能設計，同時可利用ANSYS軟件的CFD進行三維可視化數據形式的建筑室外風環境模擬分析及Grasshopper中的Ladybug+遺傳算法（galapagos）對建筑熱環境進行日照分析（如圖2所示），得出不同方案下外圍護結構的平均照度，調整整體布局與單體形態。在規劃設計階段實現建筑布局、空間功能形態及立面形式的最優化，尤其在嚴寒及寒冷地區，減小建筑體形系數，利于大幅減少熱損耗和總耗能，展示綠色低碳的節能理念與氣候適應性。

（2）墻體構造的節能設計。將收集的場地氣候等自然信息結合高性能外圍護結構構造設計是被動式技術實現節能減排的主要手段。針對不同氣候條件，采取相應的應對措施：炎熱地區外圍護構造采用填充隔熱材料、設置外遮陽系統、通風間層及窗戶的導風作用等，隔絕夏季太陽輻射，并通過空氣對流快速疏散熱量，避免室內過熱；寒冷地區則注重防寒與保溫，采用低傳熱系數的非透明復合外墻構造及高保溫隔熱性能窗戶，減少構造冷橋，提高氣密性，保證冬季室內充足日照。夏熱冬暖與嚴寒地區的同類型規格的窗戶玻璃傳熱系數相差約5倍[5]，體現圍護結構構造細節適應氣候的特點。節能型墻體構造的目標是降低建筑供冷與供暖需求，同時可引入綠色建材進一步減少碳排放。

2.2.2 主動式建筑節能設計

（1）設備系統的優化升級。建筑能耗的60%～70%來自室內采暖與空調，以天然氣、煤炭、電力等傳統化石能源供能的方式耗能過大，且生產過程易對環境造成破壞。近零能耗建筑結合空氣濕度、溫度等氣候條件對傳統設備系統進行優化升級和創新組合，如在潮濕炎熱的地區應用創新型混合冷卻系統，利用吊扇提高空氣流速，擴大空調送風范圍，提高組合后的設備性能和室內熱環境指標的設置標準，降低制冷負荷和空調耗能[6]，作為被動式設計的補充手段，以較低能耗彌補被動式設計的能效不足。

（2）綜合利用可再生能源。應用可再生能源系統替代與平衡原有能源消耗為建筑供能，這是近零能耗建筑主動式技術的運作核心，主要包括地源熱泵供熱供冷和太陽能光伏板發電等智能化技術集成系統。在高緯度地區，采暖時長約為6個月，供暖用電需求大，住宅屋頂大面積鋪設太陽能光伏板或結合景觀設立的太陽能裝置，利用當地全年高日照輻射量提供建筑所需電能，目前已知的太陽能電池光電轉換率最高為33%。在“雙碳”背景下，科學家持續致力于對新型礦質材料的研發，隨著生產方式和建筑科技的創新發展，可降低生產成本，使太陽能光伏板突破既有的發電效率，提高可再生能源利用率。

3 氣候作用下的建筑節能元素

近零能耗建筑在氣候影響下重點關注空間形態與可再生建筑材料，兩者相輔相成，支撐綠色節能建筑中被動式設計的技術軸心，影響主動式設備系統的運作效率，通過創新發展可促進低碳綠色建筑的建設。

3.1 綠色空間形態

以綠色節能的被動式思路組織建筑內部空間與室外綠化空間，并且合理的空間組合可形成適應氣候的節能形態。對于炎熱地區的住宅，中心布置寬敞的公共活動空間，墻體的凹凸形成陽臺，體量懸挑，窗戶與天窗相對開設，增加夏季最大風頻方向的建筑通透性，利用煙囪效應實現聚風、吸風作用，加強室內通風，保證室內舒適的居住熱環境，如圖3所示。寒冷地區的建筑則減少里出外進的表皮形態變化，建筑高度與進深盡量統一，體形系數越小，建筑因材料熱量傳遞及施工誤差導致的熱損耗越小，越能減輕室內供能負荷，如圖4所示。

3.2 可再生建材

3.2.1 傳統材料高碳排放

據資料顯示，建筑材料在生產及運行階段的碳排放分別約占建筑全生命周期碳排放總量的10%和80%。建筑圍護結構中廣泛采用的混凝土與擠塑聚苯板（XPS）在相同用量和運輸距離下，由生產產生的單位碳排放量分別為0.27、11.11 kg CO2[7]，材料化學性質差異下的單位碳排放量相差較大。

發展近零能耗建筑著重研發新型綠色建材、提高圍護結構的保溫隔熱性能，以及優化材料構造組合，以此平衡碳排放量與節能能效水平差異，是節能減排的關鍵方向。

3.2.2 可再生材料分類和發展

環保型節能建材具有保溫、隔熱、隔聲性能高，消耗資源少、可再生、對環境破壞小及綠色低碳等特點。目前市場上常見的材料為利用廢棄的火山灰、鋼鐵渣等礦物摻合料結合新型加工工藝生產的生態水泥、絕熱的真空玻璃及以由粉煤灰、石粉、竹炭等為原料混合天然耐高溫輕骨料制成的墻板[8]。

增加圍護結構的構造厚度或外窗的玻璃層數，可一定范圍內能提高節能效果，但減排不理想，且過厚、過重影響建設成本及建筑美觀。而替換輕質高性能的混凝土、水泥及玻璃，配合預制新型材料構造連接工藝，探索并應用新型結構保溫一體化墻體，以升級無機材料的保溫性能為核心，減少高碳排放的有機保溫材料用量，提高建筑整體節能減排效果，同時采用裝配式技術減小材料因施工現場組裝產生的能耗和碳排放。

4 建筑案例分析

4.1 寒冷地區應用實例

2021年年底投入使用的北京通州智慧能源服務保障中心為國內首個近零能耗建筑。該建筑在被動式設計上采用添加絕熱原材料的鋁合金窗框+外鍍隔熱膜、中間充惰性氣體的三玻兩腔外掛幕墻系統，構造上杜絕冷橋，大幅減少室內外熱交換，并且在窗戶與墻體接縫上加設特殊膠帶，提高外墻系統的氣密性，如圖5所示。建筑采用地源熱泵與空氣源熱泵組合的主動式系統進行供冷與供熱，并且使用發電量超過100 kW的太陽能光電系統提供電能，結合儲能設施、微電網等智能化服務系統，維持舒適的室內辦公環境，最大程度實現建筑能源的產需平衡，從而實現建筑近零能耗。

4.2 嚴寒地區應用實例

嚴寒地區較寒冷地區遭受更嚴峻的低溫冰凍天氣，對建筑圍護結構的保溫性、氣密性及建筑能效指標要求更高。呼和浩特的中海河山大觀住宅項目充分應用近零能耗設計理念與創新技術，節能率達90%以上。規劃布局上控制較遠樓間距，景觀場地采用環保型硬質鋪裝材料，結合海綿城市下的導流節水型綠化灌溉系統，保證建筑全年獲得充足的日照采光與生態化的室外環境。建筑單體采用整體剪力墻澆筑外貼250 mm厚的石墨聚苯板和巖棉組合保溫的外墻構造系統，使用無熱橋錨栓固定，并采用高密封性的三玻兩腔外窗，極大降低傳熱系數，減小室內外熱量傳遞損耗及室外粉塵侵入。建筑采用熱回收全置換的除霾新風一體機，結合地下敷設電熱膜輔助供暖的主動式技術，適應當地極寒氣候，提高熱交換率，實現低能耗、低碳排的自主供暖，并維持室內恒溫潔凈的居住空氣環境。

5 結語

我國需要在既有節能背景下明確符合國情的近零能耗建筑發展目標，頂層加大政策與經濟力度支持與推廣，各地積極推行適合區域氣候性的可實施技術細則，統一建設、設計與施工各方的市場匹配度。建筑師在充分理解近零能耗建筑的節能理念、技術要點、設計要素后，堅持以科學的方法探索環保低碳節能型建筑設計的工程實踐道路，加快發展各氣候區近零能耗建筑并形成綠色網絡，打造節能型社區，推動社會綠色低碳轉型升級，實現國家建設領域節能減排目標，有效地應對全球氣候變化。