中外净零能耗建筑（NZEB）设计：回顾、分析及展望

栗旭升 曹雪萦

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，作为最大的能源消耗行业，建筑的能耗“归零”迫在眉睫。我国零能耗建筑的发展刚刚起步，与发达国家差距较大。在此背景下，本文对中外净零能耗建筑的发展进行总结、分析，梳理出当前可持续能源利用、建筑节能措施等方面的做法，最后总结中外净零能耗建筑发展的异同，面临的挑战，提出进一步研究的方向，助推我国净零能耗建筑的发展走向成熟。

零能耗建筑的定义可以追溯至1976年丹麦技术大学学者Esbensen在研究冬季住宅太阳能的利用时提出，发展至今，对于净零能耗建筑的定义主要有净零现场能耗建筑、净零一次能源能耗建筑、净零能源成本建筑、净零排放建筑等。其中净零现场能耗建筑以现场能耗为评价指标，建筑全年可再生能源产能不低于全年的耗能，是目前采用最广的定义（图1）。

图1 净零现场能耗建筑示意图

实现净零能耗的途径，首先是尽可能地降低建筑的能源负荷，其次是以可再生能源的方式满足建筑的负荷。因此，本部分重点阐述可持续能源利用和建筑设计的节能措施。

1.可再生能源利用

关于可持续能源的利用，应优先建筑和场地范围内的产能，以减少占地及输送损失。由于风能、水力及生物质能源主要在区域范围内应用，笔者重点介绍太阳能和地热能两种应用更为广泛的可再生能源。

（1）太阳能

太阳能是最早、应用最广泛的可再生能源，包括被动式利用和主动式利用两种。被动式是指通过建筑围护结构实现太阳辐射热的蓄积和利用，例如特隆布墙和各种改进式的阳光房，其太阳能利用效率高达70%。主动式最典型的是光伏发电，可以供应建筑设备、家电，还可以并入电网，实现电力的双向流动。然而光伏的能量转换效率只有5%-46%左右，且造价昂贵，铺设面积有限。在欧洲，零能耗建筑仅依靠太阳能时，最多层数是三层。因此，为了最大化其利用，建筑一体化光伏（BIPV）成为当前光伏研究的趋势，它不单独占土地，建筑的墙面、屋面、门窗等都可以集成光伏模块。

（2）热泵

广泛应用的热泵技术主要有空气源热泵（ASHP）和地源热泵（GSHP）。空气源热泵以空气为热源，配置简单，造价低，可以长期在较低温度（20℃）下实现热能转移，但在寒冷条件下性能显著下降。使用模式包括空气-空气和空气-水两种，分别供应暖气和热水。相比之下，地源热泵由于热源更加稳定，性能系数（COP）比空气源热泵高。设计净零能耗建筑时，热泵技术往往是首选项，例如在瑞士，90%的建筑已经配置了热泵系统。

实践中，相变材料（PCM）因为巨大的热储存能力，当选择具有适宜融化温度的PCM（往往是和热舒适温度接近）和热泵结合时，能够通过相变吸收或释放能量，将室内温度维持在一个波动较小的范围，从而提高热舒适性，降低热负荷。

（3）能源储存

富余的产能可以被储存起来，以备不时之需。例如，德国Freiburg的一个案例中，夏季富余的光伏发电量通过水电解效应转化为氢气和氧气的化学能，在冬季再通过燃料电池转化为电能，同时氢气作为燃料可以供烹饪、取暖的需要。实践中，V2H电动汽车可以充当可再生能源的储电系统，而不需要再额外建设，有着广阔的前景。与能源完全自给相比，配置储电系统且联网会更具优势，因为它可以通过利用可再生能源，实现电力供应高峰期的负荷转移，并且不必为实现完全自给而负担高额的建设投入。

2.建筑节能设计措施

对于净零能耗建筑，节能措施主要针对两个方面：（1）降低建筑的冷热负荷。（2）利用可再生能源，提高能源效率。在降低负荷方面，主要通过建筑设计的优化，如围护结构，朝向，遮阳等。在提高能效方面，高效HVAC系统，节能灯具，智能控制等更为关键。

（1）围护结构优化

通常来说，提高围护结构的热阻，气密性对于降低冷热负荷至关重要，因为围护结构需要阻隔不利的室外环境。在以热负荷为主的气候区内，围护结构的性能提升能持续的降低能耗，而以冷负荷为主的气候区内，却不总是如此，保温性能存在一个拐点，超过这个数值后，能耗不降反升，这是因为在夏季夜间，如果保温性能过高，室内的热量无法与室外较低温度的环境进行有效的热交换。在建筑朝向上需要注重太阳能的利用，结合遮阳板的合理设计，在太阳高度高的夏季，太阳辐射热被遮阳板阻隔在室外；
在太阳高度低的冬季，则允许太阳辐射热进入室内蓄热。

（2） HVAC系统优化

HVAC系统可以通过废热回收提高能源效率。HRV系统和ERV系统可以分别实现显热和潜热的回收，从而将热负荷降到最低。而ERV系统由于可以回收潜热，比HRV系统能节约更多的能源。除了上述两种热回收方式，被动式通风，即通过风压或热压作用实现的通风冷却，也是一种常见的节能手段（图2）。欧洲地区通过土壤埋管的预冷/预热方式，将预期温度的空气引入室内，获得更加稳定的室内环境。其策略是通过土壤埋管的尺寸，材料，埋深，壁厚及场地占用等的合理取值，确保系统的成本和能效取得最佳平衡，虽然这通常是因当地气候、建筑热负荷而异的，其原理是一致的，就是确保热交换系统获得最佳的热循环，例如，在炎热的夏季，白天热交换系统从土壤中获取冷量，土壤温度升高；
到了夜间室外温度变低，土壤需要从与室外空气的热交换中恢复原始温度，从而为第二天的热交换继续提供冷量，周而复始（图3）。

图2 被动式通风

图3 土壤热交换系统预热

（3）采光及智能控制

室内照明占建筑总能耗约15%，因此建筑照明的优化可以显著改善能源利用现状。主要方式有以下几种：

①争取自然采光。通过建筑形式如中庭、内院引入自然光线，利用反射遮阳板将自然光引入室内进深较大处，或利用光导管技术等（图4）。

图4 争取自然采光（图片来源：《可持续发展设计指南》，（法）SERGE SALAT著）

②使用节能灯具。节能LED灯具比白炽灯具有更好的视觉舒适性和性能系数，可以节约50%左右的能源，并且平均使用寿命是传统白炽灯的30倍。

③智能控制。在声控、光控等控制技术的基础上，新一代的人工智能能够读取公共场所内人们对照明的使用模式，通过优化照明时间、照明强度和照明环境布局，实现照明节能。

总结以上，在提高建筑围护结构性能和HVAC系统效率的基础上，综合利用各种可再生能源，满足建筑所需的最低能源负荷，是净零能耗建筑设计的基本思路。然而，建筑因其气候区位、建筑类型、布局等不同，其设计往往是难以复制的，在推动净零能耗建筑设计实践走向常规化的进程中，依然面临巨大挑战。

基于中外净零能耗建筑设计的现状，笔者对当前净零能耗建筑面临的问题和未来的方向，提出自己的一些见解：

我国零能耗建筑起步较晚，案例集中在非常有限的示范项目，尚未形成零能耗建筑的设计体系，相关的国家标准少，只有2019年印发的《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019，缺少零能耗建筑设计的工具。更重要的是，中国的城市住宅大部分是中高层建筑，体型系数大，气密性差，所以实现零能耗是困难的，因此，必须从多种可持续能源的利用和建筑设计优化的整合中寻找解决手段。而中国农村的住宅相对分散，能源利用密度低，利用成本高，因此研究能源自给是前进的方向，农村住宅的单体规模较小，可以积极借鉴欧洲零能耗建筑的经验，结合我国气候区的特点，探索出适宜性的零能耗建筑典型做法。净零能耗建筑的评价指标集中在运行能耗上，缺少生命周期的综合评价（LCA），包含材料的生产、运输、建设等方面的隐含能源不容忽视；
评价的维度单一，以节能技术指标为主，缺少对热舒适性、社会性等方面的考虑。因此，基于可持续理念的综合性评价方法有待开发。

可再生能源和可持续建筑节能技术的发展为零能耗建筑设计提供了多种可能性，与此同时，因为更大的知识技术壁垒，也对建筑师提出了更大的挑战。在可持续发展理念愈加完善的背景下，设计决策越来越倾向于多标准化，考虑成本、社会、能效、碳排放等多方面因素，如何将净零能耗建筑的设计落地到常规的设计流程中，是其从示范走向普及的重要环节。笔者认为，净零能耗建筑的设计是非常复杂的，无法直接套用其他项目的经验，且面临跨学科的复杂性等挑战，人工智能、机器学习更有可能成为下一步为设计提供决策支持的有效工具。