中国近零能耗建筑发展关键问题及解决路径

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 04:17:02   浏览次数:42



  [摘 要] 我国建筑节能工作经过 30 年的发展,取得了举世瞩目的成就,但是建筑节能工作的下一步发展路线和目标尚不清晰。从世界范围看,为了应对气候变化,实现可持续发展战略,超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的概念得到了广泛关注。本文首先对近零能耗建筑发展存在的问题进行深入探讨,其次提出适宜的解决路径。

  [关键词] 建筑节能; 超低能耗建筑; 近零能耗建筑; 零能耗建筑

  0 引 言

  我国正处在城镇化快速发展时期,经济社会快速发展和人民生活水平不断提高,导致能源和环境矛盾日益突出,建筑能耗总量和强度上行压力不断加大。实施能源资源消费革命发展战略,推进城乡发展从粗放型向绿色低碳型转变,对实现新型城镇化,建设生态文明具有重要意义。自 1980 年以来,在住房和城乡建设部的领导及各级政府和科研机构的共同努力下,以建筑节能标准为先导,我国建筑节能工作取得了举世瞩目的成果,尤其在降低严寒和寒冷地区居住建筑供暖能耗、公共建筑能耗和提高可再生能源建筑应用比例等领域取得了显著的成效 ( 图 1) 。我国的建筑节能工作经历了 30 a 的发展,现阶段建筑节能 65% 的设计标准已经基本普及,建筑节能工作减缓了我国建筑能耗随城镇建设发展而持续高速增长的趋势,并提高了人们居住、工作和生活环境的质量[1],但面向未来建筑节能工作的中长期发展路线和目标尚不清晰。

  从世界范围看,为了应对气候变化,实现可持续发展战略,超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的概念得到了广泛关注,欧美等发达国家先后制定了一系列中长期发展目标和政策,以不断提高建筑的能效水平。欧盟 2010 年修订的《建筑能效指令》( Energy Performance of Building Directive, EPBD) 要求欧盟国家在 2020 年底前所有新建建筑都必须达到近零能耗水平[2-3]。美国能源部建筑技术项目设立目标,到 2020 年零能耗住宅市场化, 2050 年实现零能耗公共建筑在低增量成本运营[4]。

  2002 年开始的中瑞超低能耗建筑合作,2010 年上海世博会的英国零碳馆和德国汉堡之家是我国建筑迈向更低能耗的初步探索[5]。2011 年起,在中国住房和城乡建设部与德国联邦交通、建设及城市发展部的支持下,住房城乡建设部科技发展促进中心与德国能源署引进德国建筑节能技术,建设了河北秦皇岛在水一方、黑龙江哈尔滨溪树庭院、河北省建筑科技研发中心科研办公楼等建筑节能示范工程[6]。2013 年起,中美清洁能源联合研究中心建筑节能工作组开展了近零能耗建筑、零能耗建筑节能技术领域的研究与合作,建造完成中国建筑科学研究院近零能耗示范建筑[7]、珠海兴业近零能耗示范建筑等示范工程,取得了非常好的节能效果和广泛的社会影响。

  2016 年发布的《中国超低/近零能耗建筑最佳实践案例集》[8],对我国开展超低/近零能耗建筑工程项目的技术方案、施工工法以及运行效果加以总结、梳理和提炼。示范工程涵盖严寒、寒冷、夏热冬暖、和夏热冬冷四个气候区,包括居住建筑、办公建筑、商业建筑、学校、展览馆、体育馆、交通枢纽中心等不同建筑类型。超低/近零能耗建筑已从试点成功向示范过渡,未来具有广阔的发展前景。

  为了建立符合中国国情的超低能耗建筑技术及标准体系,并与我国绿色建筑发展战略相结合,更好地指导超低能耗建筑和绿色建筑的推广,受住房和城乡建设部委托,中国建筑科学研究院在充分借鉴国外被动式超低能耗建筑建设经验并结合我国工程实践的基础上,编制了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则( 试行) 》[9],并于 2015 年 11 月发布。导则颁布实施后,一批示范工程参照本导则进行建设。此外,北京市、河北省、山东省等地也相继编制和出台了适用于本地的被动式超低能耗建筑技术导则或设计标准。在导则实施的过程中,也发现了一些问题。例如,导则虽对被动式超低能耗绿色建筑进行定义,但对于目前较为流行的近零能耗建筑、零能耗建筑等名词的定义与其之间的差别尚不清楚。此外,导则仅针对居住建筑提出技术要求,而缺少对被动式超低能耗公共建筑的技术指导。与国外发达国家相比,我国在气候特征、建筑室内环境、居民生活习惯等方面都有独特之处,发达国家技术体系无法完全复制,需要针对我国具体情况开展基础理论研究,建立技术及指标体系,开发设计及评价工具,相关科研工作也在陆续开展。

  2017 年 9 月,由中国建筑科学研究院牵头、共 29 家单位参与的“十三五”国家重点研发计划项目 “近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”启动。该项目旨在以基础理论研究和指标体系建立为先导,以主被动技术和关键产品研发为支撑,以设计方法、施工工艺和检测评估协同优化为主线,建立我国近零能耗建筑技术体系并集成示范。

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  为促进“十三五”时期建筑业持续健康发展,住建部以及部分省市地区政府都对超低/近零能耗建筑发展提出明确目标要求[10],具有巨大市场需求和广阔发展前景。但是,我国近零能耗建筑仍处在起步阶段,面临未来 5 ~ 20 a 发展需求,近零能耗建筑仍存在诸多技术瓶颈。本文首先对近零能耗建筑发展存在的问题进行深入探讨,其次提出适宜的解决路径。

  1 发展存在的问题

  1. 1 我国发展近零能耗建筑的特殊性

  中国作为一个历史悠久、国土广袤的多民族发展中大国,不同地区的文化和气候差异很大,我国研究近零能耗建筑的特殊国情主要体现在以下 3 个方面:

  1) 不同于发达国家的高舒适度和高保证率下的高能耗,我国建筑能耗特点为低舒适度和低保证率下的低能耗。研究表明,无论是人均建筑能耗还是单位面积建筑能耗,我国目前都远低于发达国家,这主要是由于我国的建筑形式和能源使用方式决定的[11-12]。在我国长江流域及以南地区,由于采用 “部分时间、部分空间”的采暖方式,采暖能耗远远低于同样气候状况的欧洲国家[11]。在室内温度方面,我国夏季室内温度高于欧美,冬季室内温度普遍偏低[13]。并且,我国开窗是居住建筑获得新风的普遍形式[14],而在欧美发达国家通常使用机械通风保证新风量的供应。如果我国近零能耗建筑追求欧美的全空间全时间的高舒适度,势必导致建筑能耗的快速上升。就现阶段而言,使用国际相关指标体系中的一次能源消耗量要求对于我国是不适用的。

  2) 我国地域广阔,气候差异大。国家标准 GB 50178—1993《建筑气候区划标准》将我国划分为五个气候区,不同气候区的气候差异巨大。从采暖/供冷度日数的概念来看,深圳、武汉和北京地区的平均年供冷度日数分别为 2107、1189 以及 840[15],差异巨大。因此,我国无法实施统一的近零能耗建筑能耗指标,各气候区需要建立自己的指标体系。

  3) 多层、高层居住建筑是我国住宅建筑的主要形式,空置率过高导致的户间传热损失大和集中设备负荷率低对建筑能耗产生重要的影响。

  1. 2 目标与技术路线不清晰

  科学界定我国近零能耗建筑的定义及不同气候区能耗指标是发展近零能耗建筑的基础。目前尚存在近零能耗建筑定义、能耗指标以及技术指标体系缺失的问题。

  近零能耗建筑的技术特征是根据气候特征和场地条件,通过被动式设计降低建筑用能需求,提升主动式能源系统和设备的能效,进一步降低建筑能源消耗,再利用可再生能源对建筑能源消耗进行平衡和替代( 图 2) 。通过对国际上相关定义的比对可以看出[16-17],各国政府及机构对于近零能耗、零能耗建筑的物理边界、能耗计算平衡边界、衡量指标、转换系数、平衡周期等问题都不尽相同。不同的定义对近零能耗建筑的计算的结果影响很大。因此,应以我国建筑特点、能源结构以及经济生活水平特点为基础,对我国近零能耗建筑进行定义。

  近零能耗建筑能耗指标的确定应通过对建筑全生命周期内的经济和环境效益分析得到。德国被动房的性能,即累计热负荷小于 15 kW·h /( m2 ·a) ,就是考虑该能耗水平能使欧洲近零能耗建筑在经济性上达到相对较优的水平,接近经济最优点[18]。最优方案的确定,需要利用到快速自动优化能耗模拟计算工具。目前,我国尚缺少多参数多目标优化算法和工具,用以寻找不同气候区、不同类型近零能耗建筑的经济和环境效益最优方案,从而建立适宜的能耗指标体系。

  要建立适合我国特点的近零能耗建筑技术体系,不同气候区技术路线应有所差异。以建筑高保温围护结构为例,极低的传热系数是以供暖需求为主地区实现近零能耗建筑的关键[19]。有研究显示,对于以供冷需求为主的地区,围护结构热工性能的提高,反而导致建筑能耗的增加[20]。这是由于内热及辐射得热不易散失导致的,即使增加通风量,对于保温较好的建筑冷负荷仍会有增长。因此,建立适应我国建筑特征、气象条件、居民习惯、能源结构、产业基础、法规及标准体系的近零能耗建筑能耗技术体系尤为重要。

  1. 3 基础性理论研究缺乏

  近零能耗建筑是指适应气候特征和自然条件,通过被动式技术手段,最大幅度降低建筑供暖供冷需求,最大幅度提高能源设备与系统效率,利用可再生能源,优化能源系统运行,以最少的能源消耗提供舒适室内环境,且室内环境参数和能耗指标满足标准要求的建筑物,已有的基础性理论研究不适宜应用于近零能耗建筑。现阶段,我国尚缺少对近零能耗建筑高气密性、超低负荷等特性下,有关空间形态特征、热湿传递、气密性、空气品质、热舒适、新风系统能源系统等各参数间的耦合关系规律等基础理论的研究。

  以气密性研究为例,首先,由于近零能耗建筑的高气密性,尽管理论上室内污染源特征与普通建筑并无差别,但是由于高气密性等新材料的使用,以及使用后形成的高气密性室内环境,使得室内污染物在散发种类与速率、气相中的传播途径等方面产生差异,最终影响室内污染物的分布。其次,由于我国由装修和家具引起的室内污染较为严重,近零能耗建筑的新风全部依赖于机械通风,而非开窗通风,因此如何科学界定我国近零能耗建筑的基准新风量以及分时分季的修正方法以满足室内空气品质要求,需要进一步研究和确定。新风量的增加势必导致能耗的上升。有研究表明[21],由于使用初期,内装修刚完成不久,残留异味较大,需要不定时开窗通风,因此系统供冷初期试运行阶段能耗较高。再次,对于可以开窗的普通建筑以及全部依赖机械通风的近零能耗建筑而言,科学评价热舒适所应采用的方法和标准也应有不同[22]。

  1. 4 主被动技术性能及集成度低

  近零能耗建筑主被动技术性能及集成度低问题主要体现在 1) 缺少高性能墙体、外门窗、遮阳关键技术与产品; 2) 缺少集成式高效新风热回收设备; 3) 不同气候区低冷热负荷建筑供暖供冷系统方式不明确; 4) 可再生能源和蓄能技术耦合集成应用不高。

  1. 4. 1 被动式技术

  2016 年发布的《中国超低/近零能耗建筑最佳实践案例集》[8]对我国既有超低/近零能耗建筑进行调研,本研究选取 14 栋有完整以及合理数据的建筑进行分析。通过比较可以发现( 表 1) ,用于超低/ 近零能耗建筑的部品性能要远远高于现行节能标准。平均而言,超低/近零能耗建筑屋面、外墙和外窗的传热系数比普通建筑分别低 68% 、70% 和 62% 。因此,需要开发高性能产品与技术以推动近零能耗建筑的发展。——论文作者:徐 伟,杨芯岩,张时聪

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