不同氣候區凈零能耗建筑技術對比

摘要：由于建筑能耗約占全球總能耗的1/3，積極推進凈零能耗建筑的建設，對于節能減排、改善環境意義深遠。自2016年以來，已有一批凈零能耗示范建筑在我國拔地而起。但是對于不同氣候區的示范建筑，現有的技術、經驗和資料仍極為有限。基于此，本文選取中美公共建筑中具有區域代表性的凈零能耗示范建筑，從不同技術視角對比分析異同點，總結我國示范項目的經驗，并系統地評估各項主動和被動技術對凈零能耗建筑的貢獻。

關鍵詞：凈零能耗建筑；主動和被動技術；技術對比；系統評估

引言

據清華大學建筑節能研究中心的《中國建筑節能年度發展研究報告2020》顯示，2018年全球建筑運行占全球能耗的比例為30%，而我國的該比例為23%。考慮到我國仍處于城鎮化建設時期，未來建筑的運行能耗將占更大比例[1]。因此，降低能源消耗、推進綠色節能技術正逐漸成為未來建筑領域的主要發展方向。隨著凈零能耗概念不斷深入人心，越來越多的建筑設計者踐行這一理念。

一、案例比較

本章節會對中美多個氣候區域的凈零能耗建筑進行深入比對，重點關注主動式節能技術，相關數據詳見表1。當對不同氣候區的示范建筑進行橫向對比時，可以總結出以下兩點：（1）年綜合能耗目標與建筑面積呈一定負相關關系。隨著建筑面積的增加，年綜合能耗目標呈明顯下降趨勢。這種負相關的主要原因在于當建筑面積增大時，建筑供冷供暖的能耗在單位面積上的分攤會逐步降低；（2）目前的示范公共建筑集中在辦公和教學建筑。且由于建筑整體的規模普遍較大，存在著“凈零能耗區域”而非“凈零能耗建筑”的情況。

1.主動式節能技術

主動式節能技術主要針對的是與建筑使用、人員活動相關的能耗設備。不同氣候區域項目選取的主動式節能技術有較明顯的不同，其中最主要的區別在于采取的冷熱源方式的不同。表2總結了各個對比的示范項目所采用的主動式節能技術：（1）在照明上，高效LED燈是大部分示范項目的首選，同時根據不同的項目配備了不同的照明控制裝置：對于功能區域獨立的部分采用分區控制。（2）在冷熱源選擇上，不同的示范項目根據各自所處的氣候區和建筑負荷選擇不同的技術。對于地熱資源豐富的區域采用地源熱泵，對于干燥氣候區（例如甘肅蘭州）適宜蒸發冷卻機組，對于建筑周圍存在熱電廠、太陽能等廉價熱源的可優先考慮外部熱源。在建筑需求能被滿足的情況下，多聯機系統可以帶來更靈活的設備運行。除去技術的選擇，在規劃冷熱源設備規模上，需要設計者對建筑的使用習性進行預估，從全年的角度統計分析不同負荷程度的時間占比，合理分配各個機組的類型和裝機容量，避免長期出現設備供應能力遠大于需求的情況。（3）在通風上，很多項目都采用了熱回收機組。一些項目利用所在區域獨特的氣候條件，引入了具有特點的通風模式，如四川成都項目的夜間通風預冷、甘肅蘭州項目的新風地道預熱預冷。在通風這一項，美國西雅圖的布利特中心還引入了控制手段，通過對需求的感知控制通風的程度。

二、我國建筑技術特點及比較

1.我國建筑技術特點

從中國凈零能耗示范建筑項目的現況來看，由于大多數示范建筑剛建成，缺乏實際運行的數據和經驗，或已有運行數據和經驗公開度不足，暫時導致了示范建筑“信息孤島”現象。在未來，隨著凈零能耗建筑的投入使用，通過對運行數據分析可以進一步反饋已有技術細節存在的缺陷，幫助設計者和研究者進一步完善中國凈零能耗建筑技術體系。從技術角度來看，僅有個別項目探討了智能控制，但深度不足，仍然局限在建筑群控的角度，這是目前凈零能耗技術體系中較為缺失的一部分。

2.未來發展方向

根據我國建筑技術特點的討論和分析，本文認為未來中國凈零能耗技術將會將更多的精力和研究集中在主動式節能技術的升級上。圖1闡述了在凈零能耗建筑改造過程中不同技術領域能承擔的部分。在現有的普通建筑中，只存在能源的消耗（電力、燃氣等）而不存在能源的生成，因此在普通建筑中能源使用嚴重偏向支出（如圖1中實線部分所示）。為了盡可能實現建筑凈零能耗的目標，參考西雅圖布利特中心的實踐經驗[18]，可以通過被動式節能技術實現總節能潛力的50%，主動式節能技術實現總節能潛力的45%，其他節能措施實現5%，再加入可再生能源技術，最終達到凈零能耗收支平衡的目標。在主動式節能技術中，通過基礎建筑群控技術（包括照明系統的聲光控制、區域控制，能源設備的基本群控等）可以實現總節能潛力的25%，通過更加智能化的AIoT控制技術可以實現總節能潛力的20%。AIoT技術是近年來隨著人工智能(AI)和物聯網(IoT)技術不斷發展而興起的更加智能化的設備控制技術。它基于物聯網傳感器對控制對象的全方位感知，利用人工智能算法根據建筑實時需求改變設備控制參數，從而做到在建筑負荷較低的時段調整制冷設備的溫度設定，關閉不需要的末端設備，在負荷較高的時候尋找系統運行參數的組合最優值。這樣的AIoT控制技術打破了原有的依賴運維人員經驗的設定方式，更多通過系統實時運行的數據和狀態進行調整。

三、結語

推進建筑的凈零能耗，能夠極大地促進建筑節能減排，進而減輕建筑能耗對全球變暖產生的不利影響。本文通過中美典型氣候區凈零能耗示范項目的資料和數據，在不同技術維度上橫向比較各項主動式和被動式建筑技術，分析目前凈零能耗建筑技術在我國落地的重點、難點和不足點，并以此為依據提出了對未來我國凈零能耗建筑技術體系的展望。目前我國已將近零能耗建筑被動式節能技術推廣應用到凈零能耗建筑中，但在主動式節能方面仍缺乏以AIoT為基礎的智能化控制，未來可在此基礎上通過數據驅動實現進一步節能。

參考文獻：

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