實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑的邊界條件研究

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　　摘要：在超低能耗建筑大力示范推廣的今天，“零能耗”建筑被提上研究和示范日程，國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑（詞條“零能耗建筑”由行業(yè)大百科提供）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350-2019和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑測評(píng)標(biāo)（詞條“評(píng)標(biāo)”由行業(yè)大百科提供）準(zhǔn)》(T/CABEE003-2019)開始實(shí)施，給各方參與者有了技術(shù)和指標(biāo)的指導(dǎo)。如何能在現(xiàn)有技術(shù)下實(shí)現(xiàn)“凈零能耗”，除了卓越的建筑本體設(shè)計(jì)、適宜技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，建筑體型高度不可忽略，本文最終研究了這一邊界條件。

　　關(guān)鍵詞：凈零能耗建筑 被動(dòng)式建筑 主動(dòng)式建筑 被動(dòng)技術(shù) 主動(dòng)技術(shù)

　　2019年底，國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350-2019和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CABEE003-2019)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”兩個(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，一方面我們必須盡可能的進(jìn)行建筑本體的節(jié)能，另一方面建筑的“6個(gè)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，能實(shí)現(xiàn)零能耗的最高建筑是位于西雅圖這個(gè)溫和地區(qū)的“ILFI((International Living Future Institute，生命建筑)”公司總部大樓，該項(xiàng)目于2013年竣工使用的6層商業(yè)辦公建筑，總建筑面積約4831平方米。實(shí)現(xiàn)了凈零能耗、凈零水耗和凈零廢棄物的目標(biāo)，是一棟無需支付能源費(fèi)用，并通過生產(chǎn)能源實(shí)現(xiàn)收益的建筑。見下圖：

　　可以看到為了實(shí)現(xiàn)“零能耗”，這個(gè)非四邊形的建筑在屋頂頂了一個(gè)超出建筑立面約3-5米的“光伏大帽子”總面積達(dá)1329平方米，使得該項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行能耗每年每平方米31千瓦時(shí)(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15萬千瓦時(shí)，滿足建筑全年用能而實(shí)現(xiàn)“零能耗”需求。

　　通過上述例子可以簡單分析利用現(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，這也是中美清潔能源聯(lián)合研究中心在建筑節(jié)能領(lǐng)域中需要通過不斷地技術(shù)研發(fā)來擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)“零能耗”建筑的邊界。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、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，也就是盡可能少的使用能源和盡可能多的生產(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，根據(jù)地域條件，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的增加了建筑能耗。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”;

　　2、建筑功能：

　　從國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)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50kW. h/ (m2 • a)，而B類的大型超市約束值卻是100kW. h/ (m2 • a)，相差足足一倍;夏熱冬冷地區(qū)：A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓約束值是70kW. h/ (m2 • a)，而B類的購物中心的約束值卻達(dá)到了260kW. h/ (m2 • a)，達(dá)到了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)成熟度還是增量投資還是運(yùn)行管理，這類建筑都應(yīng)屬于首選。尤其是自運(yùn)營的辦公建筑。其后的數(shù)據(jù)分析則以A類的黨政機(jī)關(guān)辦公樓為建筑載體。

　　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)光伏組件甚至降到了1.5元/瓦，不到300塊錢一平米。這就加大了光伏組件集成到建筑構(gòu)件中的可能性。光伏的度電成本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)全面平價(jià)，電力行業(yè)內(nèi)有一句話叫做：由于光伏有“即發(fā)即用”的優(yōu)勢，所以可稱作用戶側(cè)全網(wǎng)最廉價(jià)電力。這就進(jìn)一步的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)美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室在SCI1區(qū)《Renewable and Sustainable Reviews》雜志發(fā)表的論文《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。見下圖2：

　　因此，光伏發(fā)電技術(shù)作為建筑可再生能源應(yīng)用最經(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。我國太陽能資源根據(jù)豐富程度劃分為五類地區(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（詞條“太陽輻射”由行業(yè)大百科提供）總量6680~8400MJ到五類地區(qū)的3344~4190MJ，太陽能資源相差了一倍，也就是同樣的光伏電池年發(fā)電量相差了一倍。因此，太陽能資源約好的地區(qū)越容易實(shí)現(xiàn)“零能耗”。

　　4、地域條件：

　　根據(jù)我國不同氣候帶的氣候條件，國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑能耗標(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50kW. h/ (m2 • a)，而夏熱冬冷地區(qū)的約束值卻是70kW. h/ (m2 • a)，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。

　　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，5-10年甚至以上的投資回報(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3所示，2000-2016年全國建筑能耗占能源消費(fèi)總量的比重在17%-21%區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。建筑能耗比重的波動(dòng)與經(jīng)濟(jì)波動(dòng)總體上呈現(xiàn)稱反向關(guān)系，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快GDP增速變大，建筑能耗比重則變小，反之亦然。2002年-2007年間，GDP增速逐年增大，達(dá)到2007年的頂峰14.23%，而建筑能耗比重則從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。

　　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(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。

　　綜上5個(gè)主要因素，我們建立一個(gè)簡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，界定條件為“光伏比”(光伏年發(fā)電量/建筑年耗電量)≥1。模型的邊界條件為：

　　1、建筑尺度：取建筑模型寬度為30米，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，長度取50米，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(jí)變化寬度和長度發(fā)現(xiàn)長度變化對(duì)“光伏比”完全無影響，寬度變化影響甚微。層高取4米，變量從3層到7層;

　　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;

　　3、地域：按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189，分別取五個(gè)氣候帶具有代表性的五個(gè)省會(huì)城市：哈爾濱、北京、上海、貴陽、廣州做預(yù)測能耗分析，而這五個(gè)城市又分別代表了太陽能資源區(qū)的四、三、四、二、五區(qū)，其分布情況如下圖4所示：

　　4、能耗預(yù)測：參考《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)的“約束值”作為按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(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。而按照《近零能耗建筑測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CABEE JH—2019004)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)測得知，正常設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，辦工設(shè)備和插座的能耗約占總建筑能耗的30%。根據(jù)《近零能耗建筑測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》(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)為≥20%。以此預(yù)測評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)建筑本體的總能耗;

　　5、光伏預(yù)測：假定屋面可以全部用來設(shè)置BAPV(Building attached photovoltaic systems)系統(tǒng)，南立面20%的面積用于設(shè)置BIPV（詞條“BIPV”由行業(yè)大百科提供）(Building integrated photovoltaic systems)系統(tǒng)。預(yù)估屋面一平米150W安裝功率，立面一平米100W安裝功率;高緯度地區(qū)哈爾濱、北京立面是最佳傾角發(fā)電量的70%，低緯度地區(qū)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)測評(píng)估“零能耗建筑”時(shí)的最大光伏發(fā)電量;

　　6、“光伏比”：如果將光伏年發(fā)電量/建筑年耗電量作為建筑的光伏比，當(dāng)光伏比大于等于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)光伏比小于1時(shí)，則不能實(shí)現(xiàn)建筑本體的“零能耗”目標(biāo)。當(dāng)然無論是國內(nèi)還是國際，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。本論證僅就本體而言。

　　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)，見下表：

表2：“零能耗”建筑層高分析表

　　由上表分析可以得出結(jié)論：

　　1、分別調(diào)節(jié)建筑體型的長和寬，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，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：中美清潔能源聯(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)：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。

作者單位：珠海興業(yè)綠色建筑（詞條“綠色建筑”由行業(yè)大百科提供）科技有限公司