双碳目标下近零能耗建筑设计影响因素分析

赵盈盈 涂中强

（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

中国建筑节能协会发布的《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》指出，2020 年全国能耗为49.8 亿tce，其中建筑与建造能耗为22.7 亿tce，占比45.5%，几乎占据了半壁江山。所以，为了实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的“双碳”目标，建筑领域确立了“零能耗建筑”的建设目标，但是技术、资金等因素决定了要完全实现零能耗建筑并非易事，所以有了“近零能耗建筑”作为阶段性目标。我国于2019年发布了《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350-2019），同时相关部门相继出台了很多有关的政策规范，为我国近零能耗建筑的发展起到巨大的推动作用[1-3]。本文就双碳目标下近零能耗建筑设计的影响因素进行分析，针对被动式节能设计影响因素，及主动式高效用能系统展开研究。

1 我国近零能耗建筑发展现状

1.1 近零能耗建筑的界定

虽然“近零能耗建筑”一词起源于欧盟，但由于欧盟各国气候跨度和经济差距较大，所以对近零能耗建筑的具体定义和要求也不尽相同。根据我国《近零能耗建筑技术标准》，“近零能耗建筑”可以理解为：结合环境气候和建筑场地特点，通过被动设计降低建筑对冷热的需求量，同时提高用能系统效率，再结合可再生能源的利用，既能提高室内环境的舒适度，又能达到控制能耗的目标。

其实，超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑三个概念是一脉相承的，三者要求的室内环境参数相同，只是能耗水平不同。以2016 年发布的国家建筑节能设计标准为基准，近零能耗居住建筑的能耗标准为：在严寒和寒冷地区，不再需要传统的供热方式,且能耗降低70%～75%以上；在夏热冬暖和夏热冬冷地区，能耗降低60%以上。近零能耗公共建筑的能耗标准为：能耗平均降低60%以上（不分气候区）。超低能耗建筑的能耗标准为：能耗降低50%以上。零能耗建筑也并非能耗为零，而是在近零能耗建筑的基础上，充分利用可再生能源，达到建筑用能和产能的平衡。所以三者的关系可以简单地理解为：超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式（预备级），而零能耗建筑是近零能耗建筑的高级表现形式（升级版）。

1.2 近零能耗建筑发展的政策背景

自20 世纪80 年代至今，我国建筑节能已有30 多年的历史，期间经历了建筑节能30%、50%、65%“三步走”的战略实施，通过新建建筑节能建造及既有建筑节能改造，建筑节能65%标准现已基本在全国范围内普及。现阶段，我国的建筑节能工作又迈向了新的台阶，建设部正在推行“新三步走”策略，即在2016 年建筑节能标准要求在低能耗建筑的基础上，逐步实现超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑。目标的实现离不开政策支持，国务院及相关部门相继出台了相关政策和标准规范，为我国近零能耗建筑的普及提供了良好的政策支持。

2022 年3 月，国务院出台《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》，提出京津冀等重点区域开展超低能耗建筑规模化建设，其他地区开展近零能耗建设示范，并明确了2025 年的建设目标：超低能耗、近零能耗示范项目达0.5 亿m2以上。2022 年6 月，建设部发布了《城乡建设领域碳达峰实施方案》，提出要加快推进建设领域节能减排，明确2030 年前建设领域达到碳峰值，2016 年前建设方式全面实现绿色低碳转型。2019年6 月，《近零能耗建筑技术标准》的发布，从室内环境参数、能效指标、技术参数、技术措施及评价等方面，为超低能耗、近零能耗及零能耗建筑的设计和施工提供了技术参考。

1.3 国内近零能耗建筑发展现状

在良好的政策环境下，我国近零能耗建筑呈现良好的发展态势，具有代表性的项目有：中科院近零能耗示范项目（我国首座近零能耗办公建筑）、珠海兴业新能源产业研发楼（我国首座夏热冬暖地区零能耗办公建筑）、零舍（农宅近零能耗示范项目）、河北高碑店列车新城（全球最大规模的近零能耗建筑）等等。另外，近零能耗建筑具有很大的推广价值，预期将会为上下游关联产业带来5～10 万亿的GDP 增长，所以国家及各地方也出台了相关财政等激励政策推进近零能耗建筑的规模化发展，仅仅“十三五”期间，专项财政激励就超过10 亿元，近零能耗建筑正在从单个示范性项目向规模化、社区化方向发展。然而，为了实现近零能耗建筑的顺利推广，亟需解决两个关键问题：首先，结合“双碳”目标进一步完善技术标准体系，制定高效的激励机制；其次，基于我国的气候特点，从设计、建材、建造及运营全寿命周期各阶段加强技术创新研究，进而形成近零能耗建筑相关产业链。

2 被动式节能设计影响因素

被动式节能设计是指通过对建筑本身的朝向、窗、外围护构件（如外墙、屋顶）保温构造等方面的设计，使建筑达到节能的目的。

2.1 建筑朝向

建筑朝向是设计时首先应考虑的因素，因为建筑朝向直接影响整个建筑的得热性能，节能标准中明确建议建筑宜朝向太阳辐射最强的方向。在采暖季，合理的建筑朝向可以使建筑得到更多的太阳辐射热量，同时减少窗缝渗透的热损失；而在制冷季，太阳辐射量又是空调制冷能耗的重要组成部分，所以建筑能耗高低跟其朝向有密切的关系。

以我国北方寒冷地区为例，大多数建筑都呈现“坐北朝南”的朝向特点，但每个地区的合理朝向又略有偏差，例如，北京地区建筑的合理朝向为正南至南偏东30°，最佳朝向为南偏东20°，而太原地区建筑的合理朝向却为南偏西30°至南偏东15°，最佳朝向为南偏西10°。所以，进行建筑设计时，应结合当地的地理位置，充分调研统计当地的地势及太阳高度角，以确定建筑的合理朝向。

2.2 建筑窗户

外墙上的窗具备采光通风的功能，从能耗角度讲，通过窗可增加建筑的太阳辐射量，使建筑内部温度升高，这对冬季采暖能耗的控制极为有利，但若因为窗户材料的原因导致散热较快，又不利于采暖能耗的控制。所以建筑节能设计时，应该将窗墙比和窗户材料两个方面作为重要因素。

我国的建筑节能标准中，对建筑的窗墙比有明确的限制，例如寒冷地区的公共建筑，窗墙比要求不大于0.7。总体来说，窗墙比与建筑全年能耗成正比，但一味的降低窗墙比，又会影响室内的采光通风和舒适度。所以建筑设计时应该通过精确的计算分析，得到最佳的窗墙比。

如今，越来越多的公共建筑采用玻璃幕墙的设计方案，窗墙比非常的大，所以要控制整个建筑的能耗就必须保证窗户的密封性，最好选用传热系数小的材料，包括玻璃以及窗框材料。建筑窗常用的玻璃材料有普通单层玻璃、热反射玻璃、Low-e（低辐射玻璃）以及中空玻璃，它们的热工性能存在很大的差别，如表1 所示。其中，中空玻璃因为其特殊的构造形式，具有更高的热工性能，尤其采用Low-e 玻璃时，传热系数可控制在1.5W/（m2·K）以下，则满足近零能耗建筑标准中对外窗传热系数的要求。

表1 常见玻璃的传热系数[单位：W/（m2·K）]

2.3 建筑外围护构件

建筑外围护构件是指直接与外界接触，对整个建筑起到维护作用的构件，如外墙及屋顶等。外围护构件的热工性能对整个建筑的能耗影响很大，通常的做法是在外墙、屋顶的构造层中附加保温层，建筑设计时需要进行精确的热工计算，确定保温层材料和厚度，以及保温层在所有构造层次中的位置，确保外围护构件的传热系数达到近零能耗建筑标准的要求。

从保温材料来看，常见的有岩棉板、聚苯板、聚氨酯板，相比之下，聚苯板成本低、保温效果好、施工简便，所以是保温材料的首选。另外，保温层的厚度直接影响着建筑能耗，例如对于建筑外墙，保温层厚度越大，建筑能耗就越低，但一味地增加保温层厚度，会带来成本增加、施工难度大、易脱落，维修难度大等问题，所以常见的外墙保温层厚度一般在100mm 以内，50～70mm 居多。为了使设计满足近零能耗建筑标准的要求，保温层厚度一般会超过100mm，以确保更小的传热系数，具体厚度要经过热工计算而定。

对构件构造层次的设计也是建筑设计的主要任务之一。对于外墙来说，一般有“外墙外保温”和“外墙内保温”两种做法，其中“外墙内保温”是将保温层做在墙体的内侧，容易产生热桥效应致使墙体变形，所以“外墙外保温”应用较为广泛，将保温层做在墙体的外侧，在为墙体保温的同时，还保护了墙体。“外墙外保温”构造层次如图1所示。

图1 外墙外保温的构造层次

3 主动式高效用能系统

主动式高效用能系统主要是指通过先进的设备系统提高能源利用效率，例如空调系统、智能照明系统以及可再生能源利用系统等。主动式高效用能系统作为被动式节能技术的辅助手段，为整个建筑达到近零能耗的目标提供保障。

3.1 空调系统

在整个建筑运营阶段，空调系统能耗将占运行总能耗的50%以上，可见高效的空调系统对降低建筑运营能耗的作用不容小觑。近年来，随着地源热泵技术的推广应用，其在建筑节能方面的优势得到普遍认可，节能效率能达到40%以上，被称为暖通空调领域的“绿色空调技术”。

然而，地源热泵技术并非适用于任何气候条件，所以在进行空调系统设计时，需要因地制宜，选择最优的设计方案。例如在寒冷地区地源热泵技术能达到最佳的节能效果，而在严寒地区或者夏热冬冷地区，由于冷热负荷严重失衡，不宜单独使用地源热泵系统，但若与太阳能技术联合使用，便会有更佳的节能效果。

另外，在进行建筑空调系统设计时，需要结合项目所在地的实际情况，选择合适的地源热泵设备，最常见的地源热泵设备有三种：大地耦合热泵、地下水热泵及污水源热泵，其特点如表2所示。

3.2 智能照明系统

《2022 中国建筑能耗与碳排放研究报告》指出：建筑直接碳排放已于2016 年到达峰值，“十三五”期间年均增速-3.1%，而建筑电力碳排放却保持着年均7%的增速，所以在进行电气照明系统设计时，应将物联网、计算机等信息化技术融入到传统照明系统中，实现照明系统智能化、高效化，进而降低建筑运行能耗。

当然，在进行智能照明系统设计时，甚至在建筑设计初期，自然光的充分利用是必要的。自然光具有零成本获取、频率变动、零光污染等优势，在自然光下进行工作和生活，更加舒适，而且眼睛不易疲劳，这是任何高技术人工光源都无法媲美的。所以，在进行智能照明系统设计时，需要与建筑遮阳蓬、百叶窗相结合，借助光敏传感器，感知光照强度，来调节室内的人工光源。

物联网技术属于智能照明系统的核心技术，依托传感器进行信号采集和输出，最终传递给控制系统。传感器型号选择应该“以人为本”，主要采集人员动作、人员密度、人员位置信息输入至控制系统，才能满足人们的照明需求。例如，红外线传感器用来采集人体存在信息；漫反射光电传感器用来采集人员密度信息；电磁波和光纤传感器用来采集人员位置信息。真正实现“人来灯亮、人走灯息”，避免“长明灯”，并可依据一定空间范围内人员的数量自动开启对应数量的灯具，从而节约能源、降低能耗。

3.3 可再生能源利用系统

近零能耗建筑并非是不允许建筑产生耗能，在合理的被动式节能设计以及主动式高效用能系统的双重作用下，建筑能耗将会大大降低，实现“节流”，但未必能达到近零能耗建筑的标准，这就需要“开源”，即充分利用可再生能源，以替代石油、煤炭等不可再生能源。可再生能源种类有很多，比如太阳能、风能、水能以及地热能等等。在进行建筑设计时，应该结合项目的实际情况，比如项目所在地的气候特征、地理环境、建筑的类型等因素，合理制定可再生能源的利用方案。当然，也可考虑将两种可再生能源联合利用，例如太阳能及地热能联合利用，在我国已有很多成功案例。

4 结束语

在双碳目标背景下，我国相继出台相关政策，近零能耗建筑将由点到面，会有很大的发展空间。要实现近零能耗建筑甚至零能耗建筑的目标，必须做到“两手抓”，即“节流”和“开源”。首先在进行建筑设计时，要将建筑朝向、建筑门窗及建筑外围护构件等作为节能设计的关键因素，另外基于地源热泵等新型技术的空调系统以及基于物联网技术的智能照明系统，将会大大降低建筑后期运行能耗，这些措施都称为节流措施。而近零能耗建筑并非是不允许建筑产生耗能，还可以充分利用可再生能源，以替代石油、煤炭等不可再生能源。建筑设计直接决定着后期的施工阶段能耗及运行阶段能耗，所以建筑节能必须把好“设计”关。