上海發(fā)展超低能耗建筑的思考

我國建筑能耗總量逐年上升，目前占全國能源消費總量的20%以上，推進建筑節(jié)能工作勢在必行。超低能耗建筑以其舒適度高、節(jié)約能源等特點，越來越受到我國政府和相關(guān)科研人員的關(guān)注。梳理了國內(nèi)超低能耗建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了上海地區(qū)超低能耗建筑的氣候適應(yīng)性設(shè)計策略，提出了上海地區(qū)發(fā)展超低能耗建筑所面臨的問題，以期為后續(xù)進一步的研究工作提供指導(dǎo)。

超低能耗建筑；氣候特征；建筑節(jié)能；夏熱冬暖地區(qū)

隨著我國人口數(shù)量持續(xù)增長和人們物質(zhì)生活條件不斷改善，建筑需求量和房屋舒適度要求同步提高，建筑能耗總量逐年上升。數(shù)據(jù)顯示，2016年，中國建筑總面積達到635億m2，能源消費總量為8.99億t標準煤，占全國能源消費總量的20.6%，建筑碳排放總量為19.6億tCO2，占全國能源碳排放總量的19.4%[1]。在倡導(dǎo)節(jié)約高效、清潔低碳社會用能模式的大趨勢下，減少建筑能耗和推進建筑節(jié)能工作成為我國政府及相關(guān)科研人員任重而道遠的任務(wù)。

當(dāng)前國際上主要發(fā)達國家在積極推動零能耗建筑、近零能耗建筑、超低能耗建筑等建筑節(jié)能先進理念，德國、瑞典、日本、美國等國家已經(jīng)制定出適應(yīng)本國特點的節(jié)能建筑發(fā)展路線和技術(shù)標準[2-6]。

我國自2009年以來，通過住建部的示范引導(dǎo)，引進德國先進建筑節(jié)能技術(shù)，吸納被動式超低能耗建筑技術(shù)理念，在不同地區(qū)陸續(xù)開展了一系列的超低能耗示范工程建設(shè)，如“漢堡之家”“在水一方”“布魯克”等，取得了良好的應(yīng)用效果[7]。

2017年，住建部印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出了“在全國不同氣候區(qū)積極開展超低能耗建筑建設(shè)示范”“結(jié)合氣候條件和資源稟賦情況，探索實現(xiàn)超低能耗建筑的不同技術(shù)路徑”等要求。由此可見，研究和發(fā)展舒適度高、節(jié)約能源的超低能耗建筑是我國建筑節(jié)能工作的必然趨勢。

現(xiàn)階段，國內(nèi)關(guān)于超低能耗建筑的示范和研究有序推進并取得了一些成果，但仍存在著各地發(fā)展不均衡的問題。

本文就超低能耗建筑在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了梳理，并結(jié)合氣象特征和現(xiàn)有案例對其在上海地區(qū)的發(fā)展進行探討。

超低能耗建筑與之前常規(guī)節(jié)能建筑在理念上的重要區(qū)別在于從“措施導(dǎo)向”轉(zhuǎn)為“目標導(dǎo)向”。常規(guī)節(jié)能設(shè)計標準限定節(jié)能措施要求，而超低能耗建筑則是限定能耗目標，具體項目可以基于能耗目標根據(jù)條件自由選擇節(jié)能措施。

結(jié)合我國實際情況及建筑節(jié)能標準的工作進程，目前對超低能耗建筑的界定為適應(yīng)氣候特征和場地條件，在利用被動式建筑設(shè)計和技術(shù)手段大幅降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求的基礎(chǔ)上，通過主動技術(shù)措施提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，以更少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境的建筑。其供暖、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯能耗水平應(yīng)較2016年建筑節(jié)能設(shè)計標準降低50%以上。超低能耗建筑在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀可從項目、標準規(guī)范和政策激勵3個方面進行總結(jié)。

超低能耗建筑及其近似理念在國內(nèi)的項目推廣，主要有3條脈絡(luò)：住建部的科技示范項目、被動式超低能耗認證項目及德國被動房認證項目。

（1）根據(jù)住建部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心的數(shù)據(jù)，截至2017年其參與技術(shù)支持的被動式低能耗示范項目達到45個，其中夏熱冬冷地區(qū)有11個，占比為24.0%，夏熱冬冷地區(qū)的項目分布在江蘇海門、湖南株洲及長沙、浙江杭州和四川成都[9]。

（2）根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會被動式超低能耗建筑分會公布的數(shù)據(jù)，自2016年開始進行被動式超低能耗認證以來，2016～2018年期間，全國共有67個項目獲得認證，其中夏熱冬冷地區(qū)項目共有7個，占比10.4%。夏熱冬冷地區(qū)的項目分布在江蘇鎮(zhèn)江及南京、福建廈門、浙江臺州、江西南昌、湖南長沙和四川成都[10]。

（3）根據(jù)德國被動房研究所（PassiveHouseInstitute，PHI）官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)，截至2018年10月，中國共有18個項目獲得了德國被動房的PHI認證，主要集中在嚴寒及寒冷地區(qū)，而位于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)的項目有4個，按項目數(shù)量占比為22.2%，其中上海2個，浙江湖州1個，廣東佛山1個。中國獲得德國被動房PHI認證項目分布情況如圖1所示。

a) 按項目數(shù)量統(tǒng)計   b)按項目建筑面積統(tǒng)計

圖 1   中國獲得德國被動房PHI認證項目分布

綜合上述分析可以看出，目前超低能耗建筑及其近似理念在國內(nèi)的項目推廣主要集中在北方地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)項目的占比約在20%以下。針對上海地區(qū)而言，無論是住建部示范工程，抑或中國建筑節(jié)能協(xié)會被動式超低能耗建筑分會的認證項目，均為空白。上海僅在德國被動房領(lǐng)域有2個認證項目。

國內(nèi)超低能耗建筑標準體系的建立始于2015年，自河北省率先發(fā)布DB13(J）/T177－2015《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》以來，山東、河南、青海等省市陸續(xù)推出地方性的規(guī)范或?qū)t，但均集中在北方地區(qū)，南方地區(qū)尚無地方性的規(guī)范標準發(fā)布。已出臺的地方性超低能耗建筑相關(guān)規(guī)范如表1所示。

表 1   已出臺的地方性超低能耗建筑相關(guān)規(guī)范

立足全國性規(guī)范的角度，目前已出臺的僅有住建部于2015年11月發(fā)布的《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（居住建筑）（以下稱“住建部導(dǎo)則”），與德國被動房技術(shù)體系對標。住建部導(dǎo)則僅適用于居住建筑，缺少公共建筑的技術(shù)規(guī)定。國家標準GB/T51350－2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》提出，對于公共建筑，相對現(xiàn)行國家公建節(jié)能標準節(jié)能50%為超低能耗建筑。

德國被動房的核心技術(shù)指標有如下幾點[8]：①供暖能耗：供暖能耗≤15kWh/(m2·a)或熱負荷≤10W/m2；當(dāng)采用空調(diào)時，對供冷能耗的要求與供暖能耗一致；②建筑一次能源用量≤120kWh/(m2·a)；③建筑氣密性要求N≤0.6。④超溫頻率≤10%。目前住建部導(dǎo)則對于超低能耗居住建筑的能耗指標及氣密性指標如表2所示[11]。河北和青島的地方標準中采暖需求與德國被動房標準相同，制冷需求≤15kWh/(m2·a)或制冷負荷≤20W/m2，一次能源消耗和氣密性指標與住建部導(dǎo)則相同。

表 2   不同氣候區(qū)的能耗指標kWh/(m2·a)和氣密性指標

住建部在《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，“到2020年，建設(shè)超低能耗、近零能耗建筑示范項目1000萬m2以上”。為響應(yīng)該要求，目前全國多個地區(qū)出臺超低能耗建筑在本地發(fā)展的實施意見或細則，天津、河北、河南、山東等多個省市制定了以2020年為時間節(jié)點的階段性行動計劃和明確的資金獎勵政策。

比較典型的政策有河北石家莊《關(guān)于加快推進被動式超低能耗建筑發(fā)展的實施意見》。該意見中關(guān)于容積率等政策，如“建設(shè)被動房的地上建筑面積9%不計入容積率”以及資金激勵“被動房建筑在辦理商品房價格備案時可上浮30%”“符合被動房節(jié)能標準的建筑項目每平方米補貼200元”等有效地帶動了超低能耗建筑在石家莊的推廣。

調(diào)研顯示，該類激勵政策仍是集中在嚴寒及寒冷地區(qū)，在夏熱冬冷地區(qū)鮮有超低能耗建筑的激勵政策出臺。目前僅有江蘇省將超低能耗被動式綠色建筑工程示范納入了省級節(jié)能減排專項引導(dǎo)資金支持。

根據(jù)對項目建設(shè)、標準規(guī)范制定及激勵政策3個方面的總結(jié)可知，目前國內(nèi)超低能耗建筑的發(fā)展主要存在以下問題。

①各地發(fā)展不均衡。究其原因，主要是我國幅員遼闊，存在嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)等5個氣候區(qū)，不同氣候區(qū)的氣象條件、建筑特點、生活習(xí)慣及用能特點等方面均存在較大差異。目前超低能耗建筑在北方嚴寒及寒冷地區(qū)的發(fā)展力度較大，上海等夏熱冬冷地區(qū)則比較欠缺。這主要因為北方地區(qū)的氣候條件與德國相對接近，其技術(shù)體系可基本適用。與北方和歐洲地區(qū)不同，上海等夏熱冬冷地區(qū)在氣候特征和用能習(xí)慣上有著較為明顯的差異[12-15]，造成從業(yè)人員和政府管理部門對本地區(qū)發(fā)展超低能耗技術(shù)路徑的疑慮，進而導(dǎo)致相關(guān)工作推進緩慢。

②已出臺的相關(guān)標準規(guī)范中針對居住建筑的較多，其主要原因是不同類型的居住建筑在統(tǒng)一的計算邊界下，負荷及能耗強度差異較小，有設(shè)定絕對能耗指標的可行性，而公共建筑類型較多，負荷和能耗特征多樣，難以用統(tǒng)一的能耗指標和技術(shù)參數(shù)界定不同類型的公建。

綜上所述，上海等夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑要實現(xiàn)推廣加速，亟待結(jié)合本地區(qū)的氣候特征開展深入的研究分析，解答技術(shù)疑慮，明晰技術(shù)路徑，編制規(guī)范導(dǎo)則進行引導(dǎo)。

上海與德國漢堡的月平均氣溫和濕度對比分別如圖2和圖3所示。

上海位于夏熱冬冷地區(qū)，而從緯度上看漢堡比我國位于嚴寒地區(qū)的哈爾濱更靠近北極。上海7月平均溫度高出漢堡10.6K，而1月平均溫度高出漢堡3.9K。與漢堡相比，上海夏季更為炎熱，而冬季雖然寒冷，氣溫卻比漢堡高。德國以供暖為主而空調(diào)需求較小，上海不僅需要解決冬季供暖問題，在夏季還有較大的制冷需求，隔熱與保溫均應(yīng)考慮。

夏季潮濕是上海氣候的典型特征之一。上海7月份的平均含濕量達到18.94g/kg，數(shù)值2倍于漢堡7月份的平均含濕量。室內(nèi)舒適點（干球溫度26℃、相對濕度60%）對應(yīng)的含濕量12.78g/kg，理論上當(dāng)室外空氣含濕量超過12.78g/kg時，新風(fēng)供應(yīng)就應(yīng)該除濕。由圖7可見，上海在6月～9月有較為明顯的除濕需求。除濕負荷在整個建筑負荷和能耗構(gòu)成中不可忽視，需要采取一定的除濕措施，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的除濕耗能。

全年太陽輻射充足且月份間的不平衡性相對較小是上海地區(qū)太陽輻射特點，全年累計的太陽輻射強度達到1271kWh/m2。上海與漢堡的月太陽輻射總量對比如圖4所示。因此在上海地區(qū)，夏季有必要通過合理的遮陽措施降低進入室內(nèi)的太陽輻射熱，而在冬季輻射資源較好，充足的輻射熱進入室內(nèi)能夠降低熱負荷，有必要保障太陽輻射的進入。

圖 4   上海與漢堡的月太陽輻射總量對比

上海屬季風(fēng)氣候區(qū)，春秋兩季為南北風(fēng)向轉(zhuǎn)換季節(jié)，春季最多風(fēng)向為東到東南風(fēng)，秋季最多風(fēng)向為東到東北風(fēng)，具備較好的風(fēng)環(huán)境資源，如圖5所示。從居民的生活習(xí)慣來說，對自然通風(fēng)的需求較強。因此在這種氣候特征下，對建筑的朝向和規(guī)劃設(shè)計提出了要求，要為過渡季和夏季利用自然通風(fēng)提供條件。

圖 5   上海累年年風(fēng)玫瑰圖

上海地區(qū)夏季炎熱、晝夜溫差小、太陽輻射強烈，建筑設(shè)計應(yīng)重點考慮降低環(huán)境溫度、做好建筑遮陽、圍護結(jié)構(gòu)隔熱。同時，本地區(qū)還有冬季寒冷、潮濕，梅雨季潮濕多雨的特點，對應(yīng)地則應(yīng)加強建筑的可控通風(fēng)、做好圍護結(jié)構(gòu)與地面保溫、加強建筑氣密性。主要適用的氣候響應(yīng)設(shè)計措施如表3所示。

表 3   氣候響應(yīng)被動設(shè)計策略

2010年上海世博會的德國館“漢堡之家”是中國第一個獲得德國被動房認證的建筑[15]，主要利用太陽能、地?zé)?、人體熱等資源，使室內(nèi)四季保持25℃左右的恒溫，建筑所消耗的外部能源只有普通房屋的10%，一次能源需求＜50kWh/(m2·a)。其所采用的節(jié)能技術(shù)主要有以下幾點。

①建筑本體設(shè)計。針對上海夏季炎熱的特點，“漢堡之家”設(shè)計為坐南朝北，南向無窗或窗很小，東向和北向為大片落地窗，以此達到“夏涼”的效果。體形上采用緊湊的抽屜式設(shè)計，便于背陰面采光和對下層建筑遮陽。

②建筑保溫隔熱系統(tǒng)和氣密性設(shè)計。紅磚外墻質(zhì)地密實，隔熱隔音性能較好，外層紅磚墻和內(nèi)層水泥墻之間有20cm厚的隔熱層。屋頂同樣有19cm厚的隔熱層，且鋪設(shè)的太陽能板可起到遮陽作用。玻璃為3層絕熱型，中間充滿惰性氣體隔絕熱傳遞，窗框和門框采用特殊絕緣材料降低熱橋效應(yīng)。建筑整體氣密性良好，有利于保持室內(nèi)恒溫。

③可再生能源利用和熱回收?！皾h堡之家”屋頂裝有450m2的光伏發(fā)電設(shè)備，可提供建筑運行所需電能的80%左右。利用建筑物地下深達35m的基礎(chǔ)樁與地下管網(wǎng)連接采集地?zé)?，通過地?zé)岜毛@得采暖、制冷、通風(fēng)和除濕所需能量。為建筑提供新風(fēng)的中央通風(fēng)設(shè)備與熱泵循環(huán)系統(tǒng)相連，并配備有高效熱回收裝置，在采暖時效率可達90%，制冷時效率可達80%。建筑內(nèi)部的灰暗涂料可吸收房間內(nèi)設(shè)備、人體等釋放的熱量，減少能量散失。

2018年，上海第一棟自主設(shè)計和施工的被動房“舜元被動房”（SunyoungPavilion）獲得PHI認證，這是上海第二座得到德國被動房認證的建筑。其供暖需求為13kWh/(m2·a)，制冷及除濕需求為27kWh/(m2·a)，一次能源需求為94kWh/(m2·a)。相比普通建筑，其節(jié)能率達到近90%。同時室內(nèi)PM2.5和TVOC基本都為0，溫濕度能恒定在20～25℃和30%～60%人體最舒適區(qū)間內(nèi)。

此外，上海市長寧區(qū)在世界銀行項目中推出了一棟近零排放建筑——虹橋迎賓館9號樓，該建筑是按照長寧低碳城市項目中制定的近零排放標準[CO排放量≤25kg/(m2·a)]建造。建筑中使用了高性能的圍護結(jié)構(gòu)，外墻及屋面的傳熱系數(shù)<0.6W/m2·K，采用了自然采光和自然通風(fēng)的被動式節(jié)能措施，太陽能光伏發(fā)電的安裝面積為288m2，裝機容量51.3kW，空調(diào)系統(tǒng)為高效多聯(lián)機設(shè)備，制冷綜合性能系數(shù)達到9.0，并配備新風(fēng)全熱回收系統(tǒng)，采用智能集成控制系統(tǒng)監(jiān)測管理設(shè)備運行。

前兩座建筑均強調(diào)了“被動房”的概念，而國內(nèi)在推廣此概念時使用的名稱是“被動式超低能耗建筑”，二者雖然理念相似，但具體的指標和技術(shù)措施有所不同。后一座建筑強調(diào)“低碳”概念，建設(shè)理念和目前國內(nèi)的超低能耗建筑相近。

上海地區(qū)發(fā)展超低能耗建筑，應(yīng)當(dāng)在概念和技術(shù)兩個層面進行自主化和本地特色化的界定。在概念層面，需要明確超低能耗建筑的具體指標，如能耗指標、氣密性指標和室內(nèi)環(huán)境指標等，其中包含了負荷約束范圍、一次能源需求的計算、能耗模擬的方法和邊界等細節(jié)問題。在技術(shù)措施層面，需要討論高氣密性、厚保溫、熱回收等技術(shù)策略是否適合上海地區(qū)，以及超低能耗路徑的重點是被動式措施還是主動式措施等問題。

目前國家標準將超低能耗目標的范圍約束在供暖空調(diào)、照明、生活熱水和電梯4部分，由此可知節(jié)能措施的方向為降低建筑供暖空調(diào)負荷需求、提高供暖空調(diào)系統(tǒng)效率、縮短空調(diào)運行時間、降低照明功率密度、縮短照明運行時間、提高供熱水設(shè)備的效率、補充可再生能源利用等。

其中后6項措施主要依靠設(shè)備系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能，屬于“主動式節(jié)能措施”，其技術(shù)要求相對固定，與氣候差異的關(guān)聯(lián)較小，而第一項降低負荷需求主要依靠“被動式節(jié)能措施”來實現(xiàn)，由建筑專業(yè)主導(dǎo)，其具體的技術(shù)選擇具有典型的地域特征，與本地的氣候特點息息相關(guān)。

調(diào)研結(jié)果表明，上海地區(qū)要實現(xiàn)超低能耗建筑目標，應(yīng)當(dāng)遵循“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”原則，合理應(yīng)用被動式節(jié)能設(shè)計、主動式設(shè)備節(jié)能以及可再生能源。

首先通過規(guī)劃與建筑自身的設(shè)計，營造良好的建筑本體條件，主要包括建筑朝向、自然通風(fēng)與采光的設(shè)計措施，然后采取以被動式節(jié)能設(shè)計為主的方式去降低建筑負荷。

對于住宅建筑推薦的技術(shù)優(yōu)先級為高性能外窗及外遮陽、適度的圍護結(jié)構(gòu)保溫、新風(fēng)全熱回收、改善氣密性；對于公共建筑推薦的技術(shù)優(yōu)先級為外遮陽、新風(fēng)全熱回收、改善氣密性、適度保溫及高性能外窗。其中氣密性應(yīng)滿足N50≤1.0，圍護結(jié)構(gòu)不宜過度保溫，且應(yīng)注意隔熱防潮，優(yōu)先選用高性能保溫材料，以減少保溫層厚度。

在主動式設(shè)備節(jié)能措施方面，住宅建筑應(yīng)以節(jié)能照明為主，公共建筑應(yīng)以提高空調(diào)系統(tǒng)能效和節(jié)能照明為主。對于可再生能源利用，在住宅建筑中采用太陽能熱水系統(tǒng)解決熱水能耗，在公共建筑中除太陽能熱水系統(tǒng)外，可采用可再生能源發(fā)電補充電力。

結(jié)合上海地區(qū)氣候特征和自然條件建成的兩座“被動房”和一座“低碳”建筑為超低能耗建筑在上海的發(fā)展做了較好的示范，未來上海地區(qū)應(yīng)當(dāng)在借鑒“被動房”理念和技術(shù)的基礎(chǔ)上，滿足國家和本地區(qū)的規(guī)范要求。

作為建筑節(jié)能的先進理念，超低能耗建筑理念同樣應(yīng)在本地區(qū)得到更大范圍的推廣和應(yīng)用。根據(jù)上海地區(qū)的氣候特征，超低能耗建筑需考慮冬季保溫、夏季隔熱、除濕防潮、遮陽和自然通風(fēng)設(shè)計等問題。

上海地區(qū)現(xiàn)有的超低能耗建筑滿足德國“被動房”的要求，未來需要業(yè)界更多的技術(shù)研究和項目實踐來推動本地的自主化和特色化。政府也應(yīng)該在標準制定、政策機制上予以配套，通過各方努力共同推進超低能耗建筑的發(fā)展。

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