不同气候区净零能耗建筑技术对比

不同气候区净零能耗建筑技术对比

摘要：由于建筑能耗约占全球总能耗的1/3，积极推进净零能耗建筑的建设，对于节能减排、改善环境意义深远。自2016年以来，已有一批净零能耗示范建筑在我国拔地而起。但是对于不同气候区的示范建筑，现有的技术、经验和资料仍极为有限。基于此，本文选取中美公共建筑中具有区域代表性的净零能耗示范建筑，从不同技术视角对比分析异同点，总结我国示范项目的经验，并系统地评估各项主动和被动技术对净零能耗建筑的贡献。

关键词：净零能耗建筑；主动和被动技术；技术对比；系统评估

引言

据清华大学建筑节能研究中心的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》显示，2018年全球建筑运行占全球能耗的比例为30%，而我国的该比例为23%。考虑到我国仍处于城镇化建设时期，未来建筑的运行能耗将占更大比例[1]。因此，降低能源消耗、推进绿色节能技术正逐渐成为未来建筑领域的主要发展方向。随着净零能耗概念不断深入人心，越来越多的建筑设计者践行这一理念。

一、案例比较

本章节会对中美多个气候区域的净零能耗建筑进行深入比对，重点关注主动式节能技术，相关数据详见表1。当对不同气候区的示范建筑进行横向对比时，可以总结出以下两点：（1）年综合能耗目标与建筑面积呈一定负相关关系。随着建筑面积的增加，年综合能耗目标呈明显下降趋势。这种负相关的主要原因在于当建筑面积增大时，建筑供冷供暖的能耗在单位面积上的分摊会逐步降低；（2）目前的示范公共建筑集中在办公和教学建筑。且由于建筑整体的规模普遍较大，存在着“净零能耗区域”而非“净零能耗建筑”的情况。

1.主动式节能技术

主动式节能技术主要针对的是与建筑使用、人员活动相关的能耗设备。不同气候区域项目选取的主动式节能技术有较明显的不同，其中最主要的区别在于采取的冷热源方式的不同。表2总结了各个对比的示范项目所采用的主动式节能技术：（1）在照明上，高效LED灯是大部分示范项目的首选，同时根据不同的项目配备了不同的照明控制装置：对于功能区域独立的部分采用分区控制。（2）在冷热源选择上，不同的示范项目根据各自所处的气候区和建筑负荷选择不同的技术。对于地热资源丰富的区域采用地源热泵，对于干燥气候区（例如甘肃兰州）适宜蒸发冷却机组，对于建筑周围存在热电厂、太阳能等廉价热源的可优先考虑外部热源。在建筑需求能被满足的情况下，多联机系统可以带来更灵活的设备运行。除去技术的选择，在规划冷热源设备规模上，需要设计者对建筑的使用习性进行预估，从全年的角度统计分析不同负荷程度的时间占比，合理分配各个机组的类型和装机容量，避免长期出现设备供应能力远大于需求的情况。（3）在通风上，很多项目都采用了热回收机组。一些项目利用所在区域独特的气候条件，引入了具有特点的通风模式，如四川成都项目的夜间通风预冷、甘肃兰州项目的新风地道预热预冷。在通风这一项，美国西雅图的布利特中心还引入了控制手段，通过对需求的感知控制通风的程度。

二、我国建筑技术特点及比较

1.我国建筑技术特点

从中国净零能耗示范建筑项目的现况来看，由于大多数示范建筑刚建成，缺乏实际运行的数据和经验，或已有运行数据和经验公开度不足，暂时导致了示范建筑“信息孤岛”现象。在未来，随着净零能耗建筑的投入使用，通过对运行数据分析可以进一步反馈已有技术细节存在的缺陷，帮助设计者和研究者进一步完善中国净零能耗建筑技术体系。从技术角度来看，仅有个别项目探讨了智能控制，但深度不足，仍然局限在建筑群控的角度，这是目前净零能耗技术体系中较为缺失的一部分。

2.未来发展方向

根据我国建筑技术特点的讨论和分析，本文认为未来中国净零能耗技术将会将更多的精力和研究集中在主动式节能技术的升级上。图1阐述了在净零能耗建筑改造过程中不同技术领域能承担的部分。在现有的普通建筑中，只存在能源的消耗（电力、燃气等）而不存在能源的生成，因此在普通建筑中能源使用严重偏向支出（如图1中实线部分所示）。为了尽可能实现建筑净零能耗的目标，参考西雅图布利特中心的实践经验[18]，可以通过被动式节能技术实现总节能潜力的50%，主动式节能技术实现总节能潜力的45%，其他节能措施实现5%，再加入可再生能源技术，最终达到净零能耗收支平衡的目标。在主动式节能技术中，通过基础建筑群控技术（包括照明系统的声光控制、区域控制，能源设备的基本群控等）可以实现总节能潜力的25%，通过更加智能化的AIoT控制技术可以实现总节能潜力的20%。AIoT技术是近年来随着人工智能(AI)和物联网(IoT)技术不断发展而兴起的更加智能化的设备控制技术。它基于物联网传感器对控制对象的全方位感知，利用人工智能算法根据建筑实时需求改变设备控制参数，从而做到在建筑负荷较低的时段调整制冷设备的温度设定，关闭不需要的末端设备，在负荷较高的时候寻找系统运行参数的组合最优值。这样的AIoT控制技术打破了原有的依赖运维人员经验的设定方式，更多通过系统实时运行的数据和状态进行调整。

三、结语

推进建筑的净零能耗，能够极大地促进建筑节能减排，进而减轻建筑能耗对全球变暖产生的不利影响。本文通过中美典型气候区净零能耗示范项目的资料和数据，在不同技术维度上横向比较各项主动式和被动式建筑技术，分析目前净零能耗建筑技术在我国落地的重点、难点和不足点，并以此为依据提出了对未来我国净零能耗建筑技术体系的展望。目前我国已将近零能耗建筑被动式节能技术推广应用到净零能耗建筑中，但在主动式节能方面仍缺乏以AIoT为基础的智能化控制，未来可在此基础上通过数据驱动实现进一步节能。

参考文献：

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2020(农村住宅专题)[R].2020.

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[7]张彧，任立，唐献超.美国“净零能耗”建筑的新发展及启示——以美国教育类“净零能耗”建筑