净零能耗建筑的未来意义及其实施路径

来源: 建筑技艺杂志  作者: 孙彤宇 刘莎 史文彬 同济大学建筑与城市规划学院  时间: 2020.10.21  打印本页  分享:
随着绿色低碳建筑和可持续发展战略逐渐成为我国未来建筑产业发展的重要目标,近年来在我国建筑学科领域,低能耗建筑和绿色建筑的设计研究也越来越受到学界的关注。 本文将为大家梳理绿色建筑领域建筑节能最新技术发展,分析目前绿色技术推广过程中的阻力和瓶颈,提出绿色技术的未来目标和愿景,以及建设净零能耗建筑的作用和意义。在此基础上,提出建设净零能耗建筑和城区的实施路径和技术路线图。

       面对全球气候变化的挑战,减少温室气体排放和化石能源利用成为当务之急,而城市、建筑领域一直以来都是能源消耗和碳排放的大户。据联合国环境署的研究报告,全世界城市的面积只占地球表面的4%,但却消耗了67%的能源,占温室气体排放量的70%[1]。随着城市化的发展,预计到2030年,约60%的世界人口将生活在城市,未来几乎所有的人口增长都将发生在城市地区[2]。联合国对日益增长的城市化和气候变化,以及城市对环境的巨大影响所造成的前所未有的自然灾害之间的致命冲突发出警告,城市必须立即采取行动和措施减少温室气体排放,促进城市环境更可持续和更公平的发展[3]。

 

       在建筑领域,以节能和减排为主要目标的绿色建筑成为重要研究领域,各类建筑节能标准、绿色建筑评价标准等均作为推动绿色建筑发展的主要手段。在技术上,从一般性的建筑节能到“被动式房屋”“低能耗建筑”“近能耗建筑”到“净零能耗建筑”(NZEB),甚至是增能建筑(Ennergy Plus House)等,新技术不断刷新,建筑节能效率的提高也达到前所未有的水平。

 

       国际上包括中国在内的主要国家和地区,对建筑节能都提出了相关的目标政策,如欧盟批准的《建筑能效指令》(Energy Performance of Building Directive,EPBD)[4]提出要在2020年底,所有新建筑物应为近零能耗建筑物;美国能源部(DOE,US)的建筑技术计划中提及,要在2020年实现可销售的零能耗房屋[5];英国绿色建筑委员会(GBC,UK)承诺到2016年所有新建住宅为零碳建筑,到2030年所有新建筑的净碳排放为零[6];日本做出2030年全部新建筑达成零能耗建筑的承诺[7];中国住建部提出,2016—2030建筑节能新三步走战略规划[8]等,这些政策在很大程度上提升了净零能耗建筑在国际城市建设领域的渗透率[9]。到2020年,许多国家将要完成全部新建建筑的零能耗,部分国家也将完成公建或住宅的局部零能耗(图1)。到目前为止,净零能耗建筑技术已逐渐从实验性建筑慢慢开始走向市场并进入推广、普及阶段。但是我们也看到,在房屋建筑市场,目前大量建筑仍然处于一种建造惯性中,尽管政府和行业力推的各种规范、标准、绿色建筑评级以及奖励政策等,都对推进低能耗建筑和净零能耗建筑起到了十分显著的作用,但是在实现全面零能耗建筑乃至零能耗城市的道路上,仍然充满各种阻力和巨大的挑战。

 

 

1  国际节能目标时间轴

 

 

       1 对可持续发展和建筑节能认识转变的紧迫性

 

       早在1987年,联合国全球大会就提出了“可持续发展”的概念[10]。由于建筑能耗占据全球能源消耗的主要部分(2015年,建筑能耗占全球能源消费的40%),在20世纪90年代初,联合国引入了“节能建筑”作为减少气体排放并改善建筑环境的经济、健康和绩效的高潜力解决方案[11-12]。在一段时间内,建设节能建筑成为了减少世界总体能耗和CO2排放最有效的策略之一。为了使节能建筑得到更好的推行,世界各地都提出了相关政策,如欧盟的《建筑物能源性能指令》(EPBD)、中国的“十三五”规划提出的“30-30-30”计划等,政府计划以强制方式来刺激市场建造(净)零能耗建筑。但是在这样的宏观调控下,却忽视了公众对可持续的支持和认可的重要性。许多调研发现民众对建筑节能措施并不感兴趣,他们只有在绝对必要,如当设备出现故障需要更换时才会采取节能措施。欧洲建筑性能研究所(BPIE)在2011年对欧盟26个国家的节能建筑项目推行障碍进行研究,发现公众意识障碍是阻碍能源效率的相关投资第二关键因素,仅次于经济障碍[13]。

 

       虽然抵御全球气候变暖的重要性早已深入人心,但是具体到对待单个建筑的节能问题时,人们更多地还是会从自身利益出发考虑,诸如造价的经济性问题、单个建筑对长期的可持续发展目标关联性问题、部分节能的量级与全球能源利用和碳排放量级的悬殊性等,都对最新建筑节能技术的推广利用形成阻力。事实上,技术的进步与认识上的落后已成为目前发展绿色建筑最大的矛盾。产生这些认识上误区的原因是复杂的,但是给予重视才是解决问题的开始,对认识误区的解读也许能够有所帮助。

 

       (1)建筑节能的经济性问题

 

       由于公众或非专业人士对绿色建筑和建筑节能缺乏了解和相关经验,通常大家的直觉都是绿色建筑确实可以节能,但是一定很贵,而且也不清楚到底跟建筑的实际使用有多大关系。因而,初始成本的增加经常被建筑物所有者甚至是设计开发团队认为是阻碍实现绿色(节能)建筑的主要障碍之一[14]。然而,绿色建筑相比普通建筑而言是否有成本的增加,增加的程度又是否真的高到难以接受?

 

       国际上主要通过两个关键术语:“绿色成本溢价”¹(Premium Costs)与“增量成本”²对绿色(节能)建筑的经济性进行研究。通过分析发现,虽然有一些研究表示绿色建筑的成本价格超过其现实价格(即有溢价成本)[15],但也有研究表明能够以非常低的成本实现绿色建筑。其中最具影响力的研究之一是在2003年美国加利福尼亚州的可持续建筑工作组(Sustainable Building Task Force in the State of California)委托一群可持续发展顾问以及来自联邦机构和国家实验室的专家,对33座美国绿色建筑评价体系(LEED)建筑物(主要是学校和办公楼)进行了分析,发现绿色建筑的成本溢价约为2%,增加成本约$4/ ft²(约302元/㎡),这大大低于原本的预期[16]。除此之外,在最佳的情况下,绿色建筑和普通建筑之间并没有明显的成本差异[17]。英国的专业成本咨询公司Davis Langdon前后三次对绿建成本进行实验,分别收集了美国19个县的600座可持续公共建筑物以及144个LEED待申请项目(分两次实验进行),研究得出许多项目无需额外的预算就能满足LEED认证[18]。甚至有研究表明,绿色建筑不仅不会增加成本,反而从建筑生命周期的角度来看,由于维护成本低,考虑到运营成本,可持续建筑的成本实际上比常规建筑低,甚至还会带来经济收益[19]。

 

       在绿色建筑成本方面,国内学术界主要针对绿色建筑和建筑节能在全生命周期内增量成本和增量效益³进行分析。其中,大部分研究认为在全生命周期内,绿色建筑的增量效益要远大于增量成本,并且20~30年内可以回收建筑的增量成本[20];有的项目全生命周期的增量效益甚至达到了增量成本的3.14倍[21]。就住宅而言,中国绿建住宅的增量成本为26.6元/㎡(一星级)、281.74元/㎡(二星级)、302.7元/㎡(三星级),增量成本占总成本百分比分别为3.05%、7.93%和10.84%[22]。综上可知,绿色建筑的增量成本要比预期低得多。特别是在华东地区(如上海),其普通建筑的建设成本比较高,所以绿色建筑的增量成本比例占建筑总造价会相对更小一些,加上上海等沿海地区普遍的高房价,使得这一增量成本显得微乎其微。就公共建筑而言,绿色建筑的增量成本回收期会更短,如中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院办公楼作为近零能耗示范楼,在节能方面的增量成本为700元/㎡左右,预计5~8年即可收回投资成本[23]。

 

       为了提高绿色建筑的经济性,各个国家尤其是建筑发达地区,政府相继推出了绿色建筑激励政策来抵消大部分增量成本,如2012年中国财政部和住建部联合下发的《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》中就提出了具体的奖励政策,如对二星级绿色建筑每平方米奖励45元,对三星级绿色建筑每平方米奖励80元[24]。随着绿色建筑产品的成熟和标准化,绿色建筑的增量成本还会进一步下降。若直接采用回收期短的节能技术,如高性能窗户、节能灯、水冷冷凝的空调器等,绿色建筑增量成本的回收期都不超过3~5年,其中高性能窗户的回收期只要不到4个月[25]。

 

       综上,一味地认为绿建造价高是一种误解,特别是从全生命周期的角度来看,绿建是有投资意义的。对于许多处于金融危机的欧洲国家,与许多其他形式的投资相比,针对节能措施的投资也被证明是更为保守的投资手段[12]。

 

       (2)可持续的长期目标与具体建筑的关联性问题

 

       尽管可持续发展的概念已经被主流社会所认同,但还没有与公众行为建立实质性和主动性的关联。如同英国环境保护部副主席Roland Clift所说,公众认识的缺乏对于气候变化是一个真正的威胁[13]。但是由于种种原因,虽然建筑物经常需要维修或改善,但节能方案往往被业主忽视、拒绝或只是部分实现。例如,一般家庭会认为安装一个低成本的节能灯可以节约能源,却没有可以通过改善围护结构的隔热或升级锅炉来节省更多能源的意识。

 

       对建筑节能潜力认识的缺乏,是导致上述问题的关键原因。根据中国人民大学国家发展与战略研究院发布的《中国家庭能源消费研究报告(2016)》研究显示,从能源成本分析来看,我国普通居民家庭2014年的家庭消费支出为39029元,而其中大量支出浪费在了漏水的窗户或管道、旧设备或效率低下的加热和冷却系统上。所以,加强对家庭能源消耗对象(如家电、热水器、空调等)及其对应节能措施的了解,帮助公众更直观、轻松地节能,是重建可持续目标与现实生活关联的重要方法。美国能源部(US,DOE)[26]一方面推出了专业的“价格与趋势”(Price and Trends)服务项目,通过向商人和消费者提供当前汽油、煤炭、可再生能源和其他燃料的价格趋势信息,帮助他们做出对节能最有利的决定,让市民在生活中能够轻松节能;另一方面,DOE通过节能省钱指南《Tips on Saving Money and Energy in Your Home》和自己动手节能项目(Do-It-Yourself Energy Savings Projects)项目,将与建筑气密性、照明和采光、窗户、门和天窗等方面的提供商或产品制造商的目录罗列出来,让公众轻松知道各措施的节能量,并且鼓励民众自己动手(DIY)进行住宅节能改造。

 

       (3)全球气候挑战与单体节能之间量级关系

 

       尽管在人们的意识中认为建筑节能很重要,但仍然存在全球气候挑战与单体建筑节能之间量级关系悬殊的问题,这也是造成建筑业主对净零能耗建筑主动性不足的主要原因之一。2019年3月30日,世界各地188个国家和地区的个人、企业和城市都参加了“地球一小时”(Earth Hour)活动,呼吁采取紧急行动来保护环境。据统计,在2007年3月31日的“地球一小时”活动中,仅悉尼节省的电能就足够20万台电视机使用1h,相当于1h内路上少跑了48613辆汽车,其节能减排效果显著。除此之外,还产生了全球性的“蝴蝶效应”:自2007年以来,“地球一小时”动员了企业、组织、政府和数亿人为可持续的未来而行动,在全球范围内推动了气候政策及其相关意识和行动的实施。“地球一小时”活动促成了阿根廷350万ha的海洋保护区,创造了乌干达2700ha的“地球一小时”森林,在2014年加拉帕戈斯群岛出台了使用塑料的禁令,为哈萨克斯坦种植了1 700万棵树,并推动保护俄罗斯海洋和森林的新立法的设立……[27]。所以虽然个人的熄灯一小时对于节约能源、减少发电造成的温室气体和其他污染性气体排放或许只是杯水车薪,但是由此激发的环保意识深入人心化为思想,当思想化为行动,当行动变成习惯,那对于全球环保事业的贡献,将绝不限于数字。

 

       2 建设净零能耗建筑意义深

 

       在节能建筑的历史演变过程中,从低能耗建筑(Low-Energy Building)、超低能耗建筑(Ultra-Low Energy Building)、被动式房屋(Passive House)、近零能耗建筑(Nearly-Zero Energy Building)到2016年美国国家可再生能源实验室(NREL)推出的(净)零能耗建筑(Net-Zero Energy Building / Zero Energy Building),这一过程显示了建筑节能效率的不断提高。虽然每个国家对各个阶段的节能建筑没有统一的定义和衡量标准,但追求的目标是相似的。无论是超低能耗还是近零能耗,他们的目标都是为了达到如同美国LEED、中国《绿色建筑评价标准》等对于节能率“数量”上的要求,比如美国规定近零能耗独栋居住建筑的供暖、供热水能耗在2010年基础上降低40%[14],日本规定近零能耗建筑比常规建筑能耗降低75%[28]。

 

       “净”零能耗建筑是在近零能耗建筑基础上,增加了智能电网、分布式能源等概念,并强调建筑产出的能量要比消耗的能耗更多[29]。基于此,有别于其他节能建筑,净零能耗建筑的特殊意义在于创造一种可以自我运作的自循环系统,尽可能减少对环境的破坏和对资源的依赖,具备应对未来极端气候条件挑战的能力。愈发频繁的自然灾难一直提醒着人们应对全球气候的紧迫性。根据美国外国灾难援助办公室(OFDA)的紧急灾难数据库EMDAT显示,近几十年来每年报告的自然灾害总量一直在稳步增加[30],这在一定程度上预示在未来气候恶化会有不可逆的可能[31]。加拿大学者Amélie Robert认为全球气候变化剧烈,现阶段建筑设计应该考虑未来的气候变化对建筑物能耗的影响[32]。英国绿色建筑协会(UK,GBC)在2019年11月8日发起了一项长期计划的集会号召,呼吁在建筑环境中采取行动应对气候变化,并呼吁“到2030年,所有建筑物和基础设施将在整个生命周期中具有气候适应力,并通过优先考虑最大化环境净收益的解决方案”[31]。

 

       从学界到政府都清楚地认识到,发展建筑节能并不只是单纯地减少化石能源和碳排放这么简单,应对未来极端气候挑战的意义更加深远。要为未来积累和储备相关技术,发展净零能耗建筑有其独特的优势。首先,如果能够在一定区域范围内实现建筑的零能耗,那么就可以减少城市的发电站,从本质上为城市建设降低对化石能源的依赖奠定基础,还能够减少城市能源供应系统设施的成本投入。其次,净零能耗建筑具备不依赖外界而“自我循环”的可能,这对于未来抵御极端气候有着非常重要的意义。同时,实现建筑或建筑群的“自我循环”将意味着实现一定区域范围内人工生态环境的可能性,为未来人类不依赖于地球环境而在星际生存创造条件。

 

       可以说,净零能耗建筑与通常意义的建筑节能虽然看起来相似,但在本质意义上有着分野。由于净零能耗建筑意味着离网(即不再依赖城市管网系统)的可能性,因而对运行效果的检验非常简单,不需要计算使用了多少城市供能,而只需要看能否正常使用即可,当然也要不断记录用能情况和使用特征,用以不断推动完善建筑的能效。但净零能耗这种极致的要求,将会至少在四个方面推动建筑技术的快速发展:1)推动可再生能源利用技术的不断发展,由于不再使用化石能源,建筑用能将全部采用可再生能源,如太阳能、地能、风能、生物能等,是人类可以随时获得的能源,不受自然资源的制约,大大降低了人类对外部生存环境条件的依赖;2)推动建筑围护结构保温隔热材料技术与构造技术的进步,使建筑能耗降至最低;3)推动能源储存技术的发展和进步;4)推动高能效用能设备技术的发展和进步,各类用能设备将可能实现最优化的功能与最少用能的耦合。

 

       综上所述,净零能耗建筑已超越了建筑节能的一般概念范畴,是未来储备人类生存环境建设技术体系的必由路径,因而意义深远。

 

 

       3 实现净零能耗建筑技术路径

 

       实现净零能耗建筑的“技术路径”主要体现在两个方面,一是充分降低建筑用能,二是充分利用可再生能源。根据大多数研究,技术路径主要分为四步:第一步,基于对建筑负荷和相关能耗的预测,先通过“被动式”的优化设计降低建筑能耗;第二步,通过采用高性能建筑能源(如照明、冰箱等)系统、暖通空调系统的主动优化方式,进一步实现建筑节能;第三步,使用可再生能源来满足剩余能源的需求;最后,通过智能建筑运营管理系统的开发,实现建筑的自调试和自运行[33]。当然,净零能耗建筑在不同使用情况下的用能通常按最大能耗来配置可再生能源的生产,那么在其他工况下多余的能源就需要有较好的储存设施来进行时间维度上的平衡,或者进行小型局域联网,在建筑群之间实现用能共享。因此,以上四点可以概括为——最大程度降低建筑用能需求、最大可能提高能源使用效率、最大可能产出可再生能源、最有效的能源储存和共享。

 

       (1)最大程度降低建筑能源需求

 

       最大程度降低建筑能源需求的设计通常被称为“被动式”设计,一般作为NZEB设计的第一步[34]。首先要让建筑最大限度地使用自然采光和自然通风,以此来减少建筑对日间照明及暖通空调的使用。主要措施有两个:一是对朝向、体形系数、窗墙比、遮阳等进行设计来使建筑获得最大限度的自然采光和通风;二是最大程度提高建筑自身的性能,如提高围护结构的保温隔热性能、低能耗的新风系统等(图2)。

 

       通过提高围护结构的热工性能和气密性等来达到建筑节能的潜力非常大,是建筑节能中最关键的一步。在我国北方地区,当住宅的气密性从0.98h-1提高到0.5h-1时,区域供暖能耗将减少12.6%[35];与单层玻璃相比,低辐射率的双层或三层玻璃窗可将建筑每平方米的能耗降低40%以上[36]。围护结构的节能策略主要包括高效隔热系统、高性能窗户、良好的气密性等,而更高的性能主要是通过控制传热系数来达成,通过对比可知我国近零能耗建筑围护结构性能提高较快,已经达到国际水平(表1)。加上如今如膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等绝热材料的传热系数已经低至0.02~0.046W/(㎡·k),是国标中近零能耗建筑规定要求的1/3~1/5,它的推广将会使得围护结构的保温隔热性能趋向最优。

 

 

表1  现行建筑节能设计标准围护结构的传热系数比较图

 

       纽约康奈尔科技园宿舍楼是目前世界上第一座高层住宅被动式建筑,其通过极高保温性能和极高气密性的围护结构来降低用能需求,同时采用机械通风热回收技术进行回补,实现超低能耗(图2,3)。

 

2  康奈尔科技园宿舍楼

 

3  康奈尔科技园宿舍楼装配式外墙高保温性能和高气密性细部节点

 

 

       (2)最大可能提高能源使用效率

 

       最大可能提高能源使用效率,即将照明、家电、动力设备等各类用能设备尽可能实现最优化的功能与最少用能的耦合。通过对欧洲12个国家进行调查,电器和照明用电量占总用电量的22%,而且通过选择高效照明与家电设备措施是具有很高成本效益的。据统计,在欧洲如果在解决建筑技术系统的同时优化家庭照明、家用电器,如将白炽灯照明装置更换为紧凑型荧光灯(CFL)或发光二极管(LED)装置,将冰箱、洗碗机、洗衣机、烘干机等更换为全套A ++电器,则可以实现电力中和。在大多数情况下,这种提高家电效率的措施能够将家用电器的用电量减少35%或更多,对于实现NZEB目标至关重要[37]。

 

       采用能耗较低的采暖和空调方式,以及智能化的用能控制系统将对提高能效十分关键。通常情况下,大部分采暖和空调的能耗均在使用者不舒适的情况下被白白浪费,如冬季采暖期室内温度过高,对使用者舒适性影响很大;夏季空调系统会给使用者带来“空调病”。如果能够按照使用者的实际需求实现恰当的温度控制,则会提高节能效率和舒适性。建筑物能耗和室内热环境在很大程度上受居住者行为的影响,使用者行为的不确定性使得预测能耗与实际使用能耗相差非常大。现实环境中,建筑系统的运行和控制直接受到使用者行为的影响,会导致超过30%的浪费[38]。因此,利用传感器反馈进而对采暖空调设备进行智能控制,可以在保证使用者舒适性的同时提高实际使用能效,而且潜力巨大。

 

       纽约康奈尔科技园布隆伯格中心被认为是美国规模最大的净零能耗建筑之一,其最大限度使用太阳能电池板,并设置了122m深的闭环地热井组成地热系统,同时采用智能控制系统,根据使用者不同需求提供相应能源,提高能源使用效率(图4~6)。

 

4  康奈尔科技园布隆伯格中心

 

5  布隆伯格中心地热系统控制室

 

6  布隆伯格中心最大限度地利用了太阳能

 

       (3)最大可能产出可再生能源(RES)

 

       太阳能、地热能、风能、生物能等可再生能源能够自然补充,是我们目前唯一的长期能源供应的选择。可再生能源的潜力很大,太阳每年向地球连续入射约90000TW(可用功率用太瓦为单位)的辐射,其中大约1000TW可以直接以太阳能的形式获得,10TW的风能以及波浪、水力和(非太阳能)潮汐能、地热能的形式获得,而全球主要电力需求约为18TW。因此,如果可以以合理的成本提取足够的可用能源,可再生能源的可利用量将远远超过人类所需[39]。

 

       以上海市为例,2018年上海每月的居民生活用电量为13.9亿kW·h,可估算每户人家一天的用电量不到10kW·h,根据汉能公司(中国一家全球化的清洁能源跨国公司)提供的数据,每1㎡薄膜太阳能安装在立面上1天可以发1kW·h电(170W×6h),那么只要在立面上安装10㎡薄膜即可满足一家人一天的用量。那么根据上海住宅的常规户型来看,只南面安装薄膜太阳能板就能够满足一般家庭的用电问题,其造价大约在2万元左右。这对于高房价的发达城市而言,性价比是极高的。在葡萄牙,就已经有运用针对现有建筑物外墙的新型预制改造模块方案——通过对单户和多户住宅南向安装有效面积为8.3㎡、功率为1.05kW的光伏电池板,单户及多户家庭建筑能耗就分别减少了69%和60%[40]。在孟加拉的一个社区中,利用风能与太阳能在使用上的互补,发明了一种风能-光伏-电池混合系统,对于一个年消耗量为53317kW·h的社区,每年可产生的能量是消耗能量的近1.6倍(约89151kW·h)[41]。所以,随着技术的不断更新,可再生能源的产出会不断增加,直至最大化。

 

       (4)最有效的能源储存和共享系统

 

       能源储存技术就像储存食物一样,是人类摆脱外界条件约束提高资源利用效率的重要手段。由于可再生能源的发电量不可预测,使得净零能耗建筑和城市电网之间有长期不稳定的供求关系,会严重影响电源的安全性和稳定性[42]。因此,在可再生能源应用中加强储能系统非常重要。现阶段能源的储存技术主要有热能存储和太阳能光伏发电自耗储能等。热能存储技术(TES)可以很大程度上减少能源消耗和促进可再生能源的使用,合理的能量存储系统的热能存储密度最高可达430MJ/m³、250MJ/m³,可以将能源消耗减少超过30%[43]。

 

       在很多净零能耗建筑中(特别是住宅建筑),光伏发电量比建筑本身的电力消耗量要多,需要将相当一部分可再生能源输出到电网中,但是输出的这部分电量很多时候又会输回给建筑使用[44],这就造成能源效率降低,电网难以管理,以及用户的经济损失。因此,将建筑RES产生的多余能量自耗最大化成为了重点。光伏能源自耗的储能系统就是解决问题的重要方案,其通过在高发电期间存储能量以补偿可再生能源供电的间歇性,存储的能源可以供建筑在高需求期间使用[45]。据统计,高效率的光伏能源自耗的储能系统可以减少建筑对电网用电量消耗的78.3%,使得建筑年度能源账单减少87.2%[46]。

 

       通过以上这些方式,净零能耗建筑的技术路线图已基本清晰,一些新建项目也在不断做出尝试。随着大力推广并在实践中不断探索使技术体系更加完善,从而降低成本。

 

       4 结语

 

       走向净零能耗建筑,并不是一种道义上的宣传,而是真实地为建筑使用者创造了更加舒适的室内微气候,同时也为建筑在长期使用过程中节约开支。净零能耗建筑的技术体系将为未来抵御极端气候、实现建筑室内微气候自循环成为可能,是一项具有实践性且有经济效益的公益事业。不管是在理论上还是在实践案例中,净零能耗建筑的经济效益和现实意义都显而易见。我们坚信随着公众意识的普及与技术体系的不断完善,未来建筑将会实现人居环境的理想状态,形成适宜人类生存、又对外部环境依赖极少的宜居空间和更美好的可持续城市。

 

 

* 注: 本研究得到科技部“十三五”重点研发计划课题“南方地区城镇居住建筑绿色设计新方法与技术协同优化”(2016YFC0700200)资助。

 

注释

¹ 经济学中的溢价成本是指在各种方案的成本比较决策时,当选定某一方案为基本方案,然后将其他方案与之相比较时所增加的成本,即两个方案之间的成本差额是差别成本的一种表现形式。因此,通常需要建立一个基准建筑模型来辅助成本的对比计算。

² 绿色建筑的增量成本定义是在建造符合《绿色建筑评价标准》要求的建筑目标下,因选择了节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量和运营管理利用技术措施而增加的成本。

³ 增量效益是指绿色建筑带来的节能、节电、水费的直接经济效益、建筑运营管理上的节约效益,以及污染减排、技术示范等社会及环保边际效益。

 

图片来源:图3来源于文献[47];图5来源于文献[48];图6来源于网络;其余为作者自摄或自绘。

 

参考文献

 

[1] European Union. Flash Eurobarometer 419: Quality of life in European cities[EB/OL]. http://data.europa.eu/88u/dataset/S2070_419_ENG, 2016-2-03.

[2] United Nations Environment Programme (UNEP). Climate finance for cities and buildings: A handbook for local governments[EB/OL]. https://wedocs.unep.org/bitstream/h and le /20 .5 0 0.1 1 822/9282/-Clima te%20finance%20for%20cities%20and%20buildings:%20a%20handbook%20f or %20local%20governments-2014Carbon%20Finance%20for%20Cities%20and%20Buildings.pdf?sequence=3&amp%3BisAllowed=, 2014-1-9.

[3] United Nations Environment Program. The emissions gap report 2016[EB/OL]. https://www.unenvironment.org/resources/emissions-gap-report-2016, 2016-11-26.

[4] European Parliament, Council of the European Union. Directive (EU) 2018/844 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency (Text with EEA relevance) [J/OL]. Official Journal of the European Union, 2018-6-19.

[5] U.S. Department of Energy. Building technologies program: Planned program activities for 2008-2012[EB/OL].https://www1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/corporate/myp08complete.pdf, 2010-1-7.

[6] UK Green building council[EB/OL]. http://www.ukgbc.org/, 2011-10-27.

[7] 徐伟, 孙德宇, 路菲,等. 近零能耗建筑定义及指标体系研究进展[J]. 建筑科学, 2018, 34(4): 1-9.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 住房城乡建设部关于印发建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划的通知[EB/OL]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201703/t20170314_230978.html, 2017-3-1.

[9] 徐伟. 迈向零能耗建筑的技术与实践[J]. 中国建筑金属结构,2016(1):30-34.

[10] Brundtland G H. Report of the world commission on Environment and development:"Our common future"[M]. New York: United Nations, 1987.

[11] Kibert C J. Sustainable construction: Green building design and delivery[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2016.

[12] Yudelson J. Green building A to Z: Understanding the language of green building[M]. Gabriola Island:New Society Publishers, 2007.

[13] Economidou M, Atanasiu B, Despret C, et al. Europe’s buildings under the microscope: A country-by-country review of the energy performance of buildings[R]. Europe: Buildings performance Institute Europe, 2011.

[14] Arena L, Faakye O. EcoVillage: A net-zero energy ready community[EB/OL]. http://www.osti.gov/ bridge, 2015-02.

[15] Shrestha P P, Pushpala N. Green and non-green school buildings: an empirical comparison of construction cost and schedule[C]//Construction Research Congress 2012: Construction Challenges in a Flat World. Reston, VA: American Society of Civil Engineers, 2012: 1820-182 9.

[16] Kats G, Alevantis L, Berman A, et al. The costs and financial benefits of green buildings[EB/OL]. https://archive.epa.gov/region9/waste/archive/web/pdf/docs1992.pdf, 2003-10.

[17] Kats G. Greening America’s schools[EB/OL]. http://www.greenbuildingpages.com/KatzGreenSchools.pdf, 2006-10.

[18] Torcellini P, Pless S, Deru M, et al. Zero Energy Buildings: A critical look at the definition[R]. United States: National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2006.

[19] Kim J L, Greene M, Kim S. Cost comparative analysis of a new green building code for residential project development[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2014,140(5).

[20] 周梦. 绿色建筑全生命周期的费用效益分析研究[D]. 成都:西南交通大学,2014.

[21] 姚瑶. 基于全生命期的绿色建筑增量成本与增量效益研究[J]. 城市建设理论研究( 电子版),2016,22:84-86.

[22] 李菊,孙大明. 住宅建筑绿色生态技术增量成本统计分析[J]. 住宅科技,2008(8):19-22.

[23] 陈向国,徐伟. 建筑节能的发展目标是近零能耗[J]. 节能与环保,2015,256(10):18-25.

[24] 住房城乡建设部、财政部联合发布《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》[J]. 城市规划通讯,2012(10):7.

[25] 张时聪,徐伟,姜益强,等. 国际典型“零能耗建筑”示范工程技术路线研究[J]. 暖通空调, 2014(1):52-59.

[26] U.S. Department Of Energy. Service [EB/OL]. https://www.energy.gov/energysaver/services, 2019.

[27] 刘燕,张时聪,徐伟,等. 韩国零能耗建筑发展研究[J]. 建筑科学(6):171-177.

[28] 徐伟, 孙德宇, 路菲, 等. 近零能耗建筑定义及指标体系研究进展[J]. 建筑科学, 2018, 34(4):1-9.

[29] 徐伟. 中国近零能耗建筑研究和实践[J]. 科技导报, 2017(10):40-45.

[30] Than K. Scientists: Natural disasters becoming more common[J]. Live Science, 2005 (10).

[31] UK GBC. Devastating floods lay bare urgent need for climate-resilient buildings[EB/OL]. https://www.ukgbc.org/news/devastating-floods-lay-bare-urgent-need-forclimate-resilient-buildings/, 2019-11-25.

[32] Robert A, Kummert M. Designing net-zero energy buildings for the future climate, not for the past[J]. Building and Environment, 2012, 55:150-158.

[33] Liu Z, Liu Y, He B J, et al. Application and suitability analysis of the key technologies in nearly zero energy buildings in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, 101:329-345.

[34] Yang L, Lam J C, Tsang C L. Energy performance of building envelopes in different climate zones in China[J]. Applied Energy, 2008, 85(9): 800-817.

[35] Chen S, Levine M D, Li H, et al. Measured air tightness performance of residential buildings in North China and its influence on district space heating energy use[J]. Energy and Buildings, 2012, 51: 157-164.

[36] D'Agostino D, Parker D. A framework for the cost-optimal design of nearly zero energy buildings (NZEBs) in representative climates across Europe[J]. Energy, 2018, 149: 814-829.

[37] Kurnitski J, Buso T, Corgnati S P, et al. NZEB definitions in Europe[J]. Reh Va Journal, 2 014(1): 6-9.

[38] Jia M, Srinivasan R S, Raheem A A. From occupancy to occupant behavior: Analytical survey of data acquisition technologies, modeling methodologies and simulation coupling mechanisms for building energy efficiency[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 68: 525-540.

[39] Elliott D. Renewables[M]. Bristol: IOP Publishing, 2013.

[40] Silva P C P, Almeida M, Bragança L, et al. Development of prefabricated retrofit module towards nearly zero energy buildings[J]. Energy and Buildings, 2013, 56: 115-125.

[41] Nandi S K, Ghosh H R. Prospect of wind–PV-battery hybrid power system as an alternative to grid extension in Bangladesh[J]. Energy, 2010, 35(7): 3040-3047.

[42] Beaudin M, Zareipour H, Schellenberglabe A, et al. Energy storage for mitigating the variability of renewable electricity sources: An updated review[J]. Energy for sustainable development, 2010, 14(4): 302-314.

[43] Lizana J, Chacartegui R, Barrios-Padura A, et al. Advances in thermal energy storage materials and their applications towards zero energy buildings: A critical review[J]. Applied Energy, 2017, 2 03: 219-239.

[44] Moura P S, López G L, Moreno J I, et al. The role of Smart Grids to foster energy efficiency[J]. Energy Efficiency, 2013(4): 621-639.

[45] Kousksou T, Bruel P, Jamil A, et al. Energy storage: Applications and challenges[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 120: 59-80.

[46] Vieira F M, Moura P S, de Almeida A T. Energy storage system for self-consumption of photovoltaic energy in residential zero energy buildings[J]. Renewable Energy, 2017, 103: 308-320.

[47] Gonchar J. The house handed architects [ J ]. Architectural Record, 2017, 205(11): 140-144.

[48] Stephens S. The bridge by Weiss/Manfredi at Cornell Tech[J]. Architectural Record, 2017, 205(11): 134-139.