近零能耗建筑研究论文

1、概念起源及发展

1992年，德国Fraunhofer太阳能研究所的Voss.K[1]等人通过使用太阳能光热光电技术对德国一栋建筑物进行供热供暖，并进行了为期三年的检测研究发现：在气候较为温和的欧洲部分地区，通过精心设计可以使建筑物全年总能耗降低到10Kwh/m2以下，且建筑物所有能耗需求可以由太阳能提供。Voss.K由此提出“无源建筑”(EnergyAutonomousHouse，也称Self-sufficientSolarHouse)，即无需和外界能源基础设施相连，通过太阳能光热光电系统与蓄能技术集成应用，保证建筑所有时段能源供应的建筑。“无源建筑”要求建筑物在以年为时间单位的时段内达到能量或排放量中和。由于“零能耗建筑”在实现上还较为困难且成本较高，欧洲目前公认的更加广泛的可实施的为“近零能耗建筑”(nearlyzero-energybuildings)。对于“近零能耗建筑”，各国定义不同，如德国的“被动房”（PassiveHouse，也翻译为微能耗建筑、零能耗建筑）[2]，指在满足规范要求的舒适度和健康标准的前提下，全年供暖通风空调系统的能耗在0-15Kwh/（m2年）的范围内、建筑物总能耗低于120Kwh/（m2年）的建筑；瑞士的“近零能耗房”(Minergie，也称“迷你”能耗房，或“迷你”能耗标准)[3]，要求按此标准建造的建筑其总体能耗不高于常规建筑的75%，化石燃料消耗低于常规建筑的50%；意大利的“气候房”（ClimateHouse，Casaclima）[4]，指全年供暖通风空调系统的能耗在30Kwh/（m2年）以下的建筑。

2、近零能耗建筑政策及发展目标

欧盟于2010年7月9日的《建筑能效指令》（修订版）(EnergyPerformanceofBuildingDirectiverecast，EPBD)[5]在欧盟内部影响力巨大，它要求各成员国应确保在2018年12月31日后，所有的政府拥有或使用的建筑应达到“近零能耗建筑”，在2020年12月31日前，所有新建建筑达到“近零能耗建筑”(nearlyzero-energybuildings)。《建筑能效指令》定义零能耗建筑为“具有非常高的能效”的建筑，《指令》还要求“近零能耗建筑”能耗表达单位应使用kWh/(m2年)。欧洲暖通学会联合会（REHVA）的JarekKurnitski等专家[6]将“近零能耗建筑”进一步定义为：以各国实际情况为基础，在充分考虑节能技术成本效益比的前提下，其一次能耗>0kwh/(m2年)的建筑。欧盟专家还对零能耗计算的边界范围、一次能源转换系数、是否应考虑区域供热供冷等系统、是否应考虑电器使用能耗进行了探讨研究。虽然欧盟各国对“近零能耗建筑”定义和技术路径都不同，但大多数国家还是给出了相对明晰的发展目标，发展目标主要针对新建建筑，具体见表1[7]。

3、近零能耗建筑定义内涵分析

虽然“零能耗建筑”一词听起来很容易理解，似乎很容易定义，但目前各国政府及机构对于零能耗建筑研究的边界划分、计算范围、衡量指标、转换系数、平衡周期等问题还都不尽相同。物理边界的划分对能耗平衡的计算有着较大的影响。对建筑物来说，以单栋建筑还是建筑群（小区）作为计算对象，是需要探讨的问题。目前国际大多数意见还是以单栋建筑为计算对象，根据是否与电网连接，将零能耗建筑分为两种，一种是“上网零能耗建筑”(On-gridzeroenergybuilding)，其由电网输送给建筑物的能量和建筑物返回给电网的能量达到平衡，即在计算期内，电表读数为0；一种是“网下零能耗建筑”(Off-gridzeroenergybuilding)[8]，即与建筑一体化或建筑物附近与建筑物连接的可再生能源供电供热系统提供的能量和建筑能源需求量保持平衡，这类建筑也被称为“无源建筑”(EnergyAutonomousBuilding)[1]、“太阳能自足建筑”(Self-sufficientsolarhouse)[1]。按照节能设计标准，与建筑物设计相关的能耗包括供暖、供冷、通风、照明、热水使用等负荷，但也有许多与用户关联度较大的负荷，如插座负荷、电动汽车负荷还没有进入平衡计算。如果未来能源网中电动汽车使用量大幅度提升，虽然不会对建筑物负荷造成影响，但使用这类产品和设备会对建筑物用电平衡有影响，考虑到随着我国国民经济生活水平提高，居民用电会进一步增多，相关数据逐步完善，应在平衡计算时加入插座能耗等相关能耗。目前共有四类指标可以用于衡量零能耗建筑：终端用能、一次能源、能源账单、能源碳排放。四类指标的评价结论相差很多，如衡量地源热泵系统或者建筑光电一体化系统等可再生能源建筑应用对节能减排的效果，采用不同指标得出的结论会不同，通常认为采用终端用能形式或者能源账单作为衡量零能耗建筑的指标，操作起来相对容易。在统一衡量指标后，所有与建筑物相关的能量就需要通过不同的转换系数转换到与衡量指标单位一致。能源供给和使用链上的全部能源种类都需要转换，包括一次能源、可再生能源、换热、传输电网和热网。由于各个国家的能源结构不同，电网、热网组成不同，且随着可再生能源发电规模的逐步扩大，各国、同国家不同地区的转换系数都有很大差异，且变化很快。但转换系数的确定，对“零能耗建筑”计算结果影响很大。

4、国际典型“近零能耗建筑”示范工程实践

EikeMusal等人对德国、美国、加拿大、欧洲等国的282栋零能耗示范建筑使用的技术进行汇总，发现太阳能光电、太阳能光热、建筑遮阳、机械通风热回收、免费供冷等技术应用的比例相对较高[9]。Eike研究的各国零能耗建筑数量见图1，各种节能技术使用比例见图2。从图2可以看出，高性能保温结构和PV系统、太阳能热水系统以及热泵可再生能源应用系统在零能耗建筑中应用最为广泛，其次是自然采光、遮阳系统、被动通风等被动式技术的应用，高效照明、电器、办公设备、HVAC设备使用也比较广泛。美国新建筑研究所2012年3月《美国零能耗公共建筑成本及特性调查》[10]，通过对21栋已经有实测数据的零能耗公共建筑进行研究发现：（1）早期零能耗建筑面积普遍较小，目前大型和综合性的建筑案例也在不断增加，教学/科研楼、办公楼、K-8学校、银行等建筑都可以设计为零能耗。（2）建筑物形式、规模、所处地理位置以及其他因素不同，如果不考虑PV的费用，建筑为达到零能耗的增量成本为3%-18%。（3）通过综合性设计方案，充分考虑建筑所在地点和功能，选用高效的围护系统、暖通系统和设备，达到零能耗建筑难度不大。通常优先考虑通过被动式设计降低建筑能耗，如果必须使用暖通系统，常见的系统为土壤源热泵与地板辐射系统联合。美国既有零能耗公共建筑各种节能技术使用比例见图3。

5、我国主要近零能耗建筑研究实践

2014年5月，住房和城乡建设部科技司组织开展，由中国建筑科学研究院具体组织落实的“被动式超低能耗绿色建筑项目”征集调研。截至2014年10月，共收到全国上报项目12个，其中住宅项目3个，公共建筑项目9个。从地域分布来看，严寒地区项目2个，寒冷地区项目6个，夏热冬冷地区项目2个，夏热冬暖地区项目2个。

6、结语

本文梳理了提出“近零能耗建筑”一词到目前这一概念被各类政府政策法规、技术发展计划、学术报告广泛使用的发展过程，分析了主要“近零能耗建筑”定义的主要内涵。对目前国际典型“近零能耗建筑”主要使用的关键技术进行了分析，对我国现有被动式超低能耗绿色建筑项目的实践进行了调查研究。