【科研】64栋超低能耗建筑示范项目控制指标和技术路径研究
本文转载自中国超低能耗建筑分会，作者为张士聪、吕艳杰、徐炜，本文已获作者授权转载
摘要：超低能耗建筑凭借更高舒适度、更高节能效果和更高品质等技术特点在我国得到快速发展。中国建筑科学研究院研究团队按照《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》收集整理了64个已建成和在建的超低/近零能耗建筑示范项目，分析了其能耗控制指标、所采用的主动和被动技术、可再生能源利用情况以及增量成本趋势及分布情况。将示范项目相关技术参数与国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/-2019的要求进行比对，发现64个示范项目全部满足国标中超低能耗建筑能耗控制指标要求，其中32个项目满足近零能耗建筑能耗控制指标要求。
关键词：超低能耗建筑；近零能耗建筑；关键技术；增量成本
0 简介
近年来，超低/近零能耗建筑作为节能建筑的先进形式，逐渐受到科研和各级政府的重视。徐伟[1]提出了我国近零能耗建筑的定义，并对指标体系进行了分析阐述。由于不同气候区近零能耗建筑所需的技术路线侧重点不同，相关气候区学者针对不同气候区进行了系统研究。
冯国辉等[2-4]研究了极寒地区近零能耗建筑围护结构性能及能量系统运行特性。于振宇[5]通过建立准稳态建筑负荷计算方法，对寒冷地区近零能耗建筑冷、热负荷计算进行了对比研究。李正荣[6]研究了夏热冬冷地区超低能耗建筑热工优化设计方法及负荷特性。
除了对建筑荷载的分析研究外，近零能耗建筑相关部件的性能研究也在迅速发展。魏鹤东[7-8]等人系统地开发和测试了被动式高气密性门窗的保温原理和安装工艺，鲍玉清[9]等人开发了近零能耗建筑岩棉外保温系统。吴子敏等[10-11]将装配式建筑的建造技术与近零能耗建筑相结合，开发了装配式近零能耗建筑的建造方法，解决了气密性和热桥问题，并成功应用于一批示范建筑。近零能耗建筑的科学研究已逐渐成熟，从定义、设计方法，到部件、建造技术，覆盖了所有气候区，有力地支撑了示范项目的建设和政府政策的制定。
2017 年 1 月，国务院发布《“十三五”节能减排规划》[12]，强调加强建筑节能，实施先进建筑节能标准，开展超低能耗、近零能耗建筑建设试点。
2017 年 3 月，住房城乡建设部印发《建筑节能和绿色建筑“十三五”规划》[13]，对超低能耗建筑、近零能耗建筑提出了明确要求：为加快完善建筑节能标准，京津冀、长三角、珠三角等重点区域城市将率先执行高于国家标准的地方标准，积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范项目，细化规划、设计、建造、运行维护等共性关键技术，引领节能标准提升进程，推动有条件的园区、街区集中连片建设超低能耗建筑。
开展超低能耗社区（园区）和近零能耗建筑示范项目试点，到2020年建成超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万平方米以上。
除了国家政策推动外，各省市也陆续出台补贴政策推动超低能耗建筑发展。自2016年起，部分省市陆续出台文件，明确超低能耗建筑发展目标和具体实施管理办法。截至2019年12月，已有7个省区、13个城市共计出台28项超低能耗建筑鼓励政策。相关政策主要包括以下几个方面：
1）明确发展目标。政府应在未来3-5年内公布超低能耗建筑规划面积，并实施强制性规定，保证一定规模以上的开发用地有一定比例的超低能耗建筑面积；
2）财政补贴。作为最有效、最直接的刺激措施，各省市结合本地区实际情况，制定了补贴奖励措施；
3）容积率奖励。在政策支持管理中，各省市对因增加墙体外保温厚度而造成的建筑面积损失，在核定建筑面积后，给予一定的奖励；
4）减免配套费用。示范项目、竣工验收合格的项目不再收取地价附加和城建配套费；
5）开辟绿色通道。优化服务流程，开辟超低能耗建筑项目申报、建设手续绿色通道。
2015年11月，住房和城乡建设部发布《被动式超低能耗绿色建筑技术指南（居住建筑）》[14]，首次提出以建筑能耗值作为指导，综合考虑建筑能耗指标、气密性指标和室内环境参数，对建筑从规划、设计、建造、评估到运营的全过程进行控制。表1是指南中的能耗指标和气密性指标。
随着《指南》的发布，对示范项目建设提出了新的要求。总结目前我国超低/近零能耗建筑的发展态势，可以看出，我国超低/近零能耗建筑发展尚处于总体起步阶段，试点示范已取得初步成效，带动了相关政策和产业发展，正在向连片建设迈进。虽然《指南》没有明确规定超低能耗公共建筑的指标要求，但大部分示范项目都是按照2015年《公共建筑节能设计标准》按照节能率60%以上进行设计和建设的。
1 示范项目概况及能耗控制指标
1.1 总体情况
中国建筑科学研究院研究团队收集了我国已建成或在建的超低能耗建筑示范项目，对64个具有代表性的示范项目进行了技术经济分析。64个项目均建于2012年至2019年之间，建筑类型既包括住宅、办公楼、学校等常规建筑类型，也包括康复中心、展览馆等特殊功能建筑。图1显示了各示范项目建设年份分布情况。
从图1中可以看出，2014年底，我国示范项目总面积仅为4.7万m2，2015年至2016年示范项目数量开始快速增长，截至2018年底，收集到的示范项目面积已超过160万m2。由于示范项目收集的地域和类型限制，同时考虑石家庄、郑州等地政策对产业的推动作用，预计到2019年底，全国超低/近零能耗建筑总面积应能达到800万m2。
表2给出了各类示范项目的气候区分布情况，可以看出项目主要分布在严寒、寒冷地区，示范项目共55个，示范面积139.31万m2，占统计示范项目总面积的86.7%。夏热冬冷、夏热冬暖地区尚处于试点阶段，主要为办公楼和小型住宅。9个示范项目中7个已入住，并取得良好运营效果。
图2为不同建筑类型的示范项目面积，试点初期仍以居住建筑和办公建筑为主，64个示范项目中居住建筑和办公建筑合计面积154.43万m2，占示范项目总面积的96.1%。随着技术的不断成熟，展览馆、档案馆、学校等公共建筑也在逐步探索过程中。出于战略影响力的考虑，一些企业在员工宿舍、办公楼等场所尝试使用超低能耗建筑，起到了很好的示范作用。
1.2 住宅建筑
图3为居住建筑示范项目一次能耗情况。目前居住建筑示范项目主要集中在寒冷地区，根据《导则》要求，居住建筑一次能耗小于60kWh/(m2a)，气密性小于0.6次/h，严寒地区尚无居住建筑示范项目。寒冷地区示范项目由于围护结构保温性能好、气密性好，冬季采暖能耗普遍降低50%~75%。夏热冬冷、夏热冬暖地区的示范项目也因充分利用高效设备系统和可再生能源，年能耗水平明显降低。
1.3 公共建筑
图4为公共建筑示范项目综合节能率，经统计，所有公共建筑示范项目综合节能率均能达到60%以上，其中9个示范项目相对节能率达到80%以上，冬季采暖不使用化石燃料，夏季制冷负荷也较常规建筑大幅降低。
2 技术应用
从现有示范项目应用的技术体系来看，我国发展超低能耗建筑的主要技术路线为：以高性能围护结构和建筑整体气密性提高建筑保温性能，以遮阳、自然通风、自然采光等被动式技术手段降低建筑冷热负荷；同时通过合理优化建筑能源系统，提高建筑整体能源效率，实现超低能耗建筑；通过可再生能源的补充，实现近零能耗或零能耗建筑。
2.1 非透光外壳结构
目前示范项目围护结构采用的保温材料主要有岩棉、XPS、EPS、真空绝热板等，其中最常用的仍是岩棉和XPS。
岩棉凭借其抗冲击性能强、防火防潮性能好、价格低廉等特点，在超低能耗建筑市场一直占有较高的份额，64个示范项目中，有48个使用了岩棉。
XPS板全闭孔发泡化学结构和蜂窝状物理结构，使其具有质轻、耐用、高强度等特点，已在33个示范项目中采用；
EPS因其良好的防水性能和耐久性，在建筑领域的应用越来越广泛，64个示范项目中有17个采用了EPS。
值得一提的是，随着超低能耗建筑规模增大、功能日趋复杂，同一工程通常会采用多种保温材料。根据64个示范工程的研究统计，有45个示范工程根据建筑结构的不同，采用了多种保温材料构建建筑整体保温体系，详见图5。
图6为本示范项目非透明围护结构保温性能，严寒、寒冷地区屋面传热系数控制在0.2W/(m2a)以下，高于现行节能标准55%-60%，外墙传热系数控制在0.17W/(m2a)以下，高于现行节能标准65%-80%。夏热冬冷、夏热冬暖地区外墙传热系数要求较严寒、寒冷地区略宽松，但仍远高于现行节能标准。
2.2 外窗性能
图7为示范项目外窗传热系数。严寒、寒冷地区外窗的传热性能对降低冬季采暖需求具有重要意义。目前，我国北方地区示范项目外窗传热性能基本能达到0.8-1.0W/(m2a)，比现行节能标准高出58%-60%。夏热冬冷、夏热冬暖气候区示范项目外窗传热系数也控制在1.2W/(m2a)以下，比现行节能标准高出40%。
2.3 建筑整体气密性
建筑气密性是超低能耗建筑减少冬季冷风渗透、夏季空调制冷通风能耗的重要途径，超低能耗建筑通过采用高气密性门窗、整体气密性设计可有效提高建筑气密性。
64个示范工程气密性设计目标均控制在0.6倍以下，其中17个示范工程已完成现场检测验证，气密性能够满足设计目标。部分工程气密性可控制在0.2倍以下，如图8所示。
2.4 被动式建筑设计
通过对被动技术统计可以发现，我国不同气候区示范项目的被动技术体系已初步形成。除采用高性能外窗、墙体外，自然通风、外遮阳、自然采光等都是降低空调负荷和照明能耗的有效方式。同时，被动手段的应用可以大大提高室内环境的舒适度。
图9统计了示范项目所采用的主要被动式技术措施，其中63个项目加强了自然采光设计；61个示范项目在建筑设计阶段就注重自然通风的协调利用，降低冷热负荷；47个示范项目采用了外遮阳、中央遮阳；示范项目绿化部分通过采用大面积生态绿植来调节室内温湿度，避免和创造舒适的室内声场环境。目前，绿植环境优化技术主要应用于公共建筑中。
除了上述常用的被动措施外，光导技术、蓄热技术及地下风设计等由于应用建筑体量的限制，目前还处于试验阶段。据统计，示范项目中12个采用光导管道，8个项目采用地板蓄热及主动式储热罐蓄热系统，7个项目采用地下风设计，均能有效降低热负荷。
2.5 主动技术
在主动技术应用方面，超低能耗建筑主要着眼于提高能耗系统整体能源效率，图10显示了示范项目采用的主要主动技术，包括空调系统、末端形式等。
从图10可以看出，高效照明和节能电器是降低建筑综合能耗的有效途径。由于超低能耗建筑气密性较高，机械通风系统必须配备热回收装置。目前示范项目中已有61个项目在机械通风系统中采用了热回收装置，热回收总热回收效率可达75%。
2.6 可再生能源利用
根据《指南》的要求，可再生能源的应用并非强制性要求，因此在已建成的示范项目中可再生能源的应用还处于尝试和探索阶段。图11给出了示范项目中可再生能源的应用情况。从图中可以看出，可再生能源的应用主要集中在太阳能光伏利用、太阳能热利用和热泵系统方面。其中，地源热泵系统多用于办公建筑，空气源热泵多用于住宅建筑。
据统计，目前居住建筑提供的可再生能源量约占建筑年能耗的10-25%，能源供给主要集中在冬季供暖、生活热水方面；办公建筑提供的可再生能源量占比较高，达35-55%。
通过示范项目技术分析可以看出，我国早期超低能耗示范项目所采用的技术体系很大程度上借鉴了德国被动房技术体系。随着建筑体量逐渐增大、气候区不断扩大、技术相对成熟、建筑形态更加多样，逐渐形成了超低/近零能耗建筑技术体系。
3 增量成本研究
3.1 发展趋势
示范项目增量成本统计显示，我国超低能耗示范项目增量成本呈逐年下降趋势，如图12所示。随着技术和市场的成熟，居住建筑增量成本由1300元/平方米下降到600元/平方米，降幅53.8%，办公建筑增量成本由1620元/平方米下降到800元/平方米，降幅50.6%。学校建筑增量成本主要集中在围护结构和空调及新风系统方面，增量成本由1540元/平方米下降到1000元/平方米，降幅35.1%。公共建筑由于建筑形态和建筑体量变化较大，由于建筑外观和功能设计复杂，增量成本可能相差较大。
从2016-2018年示范项目总体发展情况来看，经过不断的尝试，近零能耗建筑技术体系逐渐建立，逐渐由前期的完全探索、试验转向实际应用，示范项目也逐渐由多能源系统转向最优能源系统。需要注意的是，2016年统计的项目中，很多都是2012年开始建设的示范建筑，因此增量成本相对较高。同时，2017年和2018年，夏热冬冷地区的项目较多，该气候区示范建筑增量成本相对寒冷地区要低。
3.2 增量成本分配
图13给出了不同类型示范项目的增量成本分布情况，从图中可以看出，被动技术仍是增量成本的主要来源，占到总增量成本的47%~66%。对于居住建筑而言，由于其他能源系统的要求相对简单，被动技术的增量成本占比较大。
主动技术增量成本占比为8%~20%，主要由于末端系统复杂度增加，办公建筑可再生能源系统占比相对高于其他类型建筑；学校建筑对人员新风处理有一定要求，因此新风空调系统增量成本相对较高。
可再生能源应用带来的增量成本相对较大，占比8%~45%，随着建筑构件逐步升级、产业逐步形成、构件成本逐步降低，被动式技术增量成本将逐步降低。
4 技术指标符合国家标准《近零能耗建筑技术标准》
2019年2月，国家标准《近零能耗建筑技术标准》（GB/—2019）[15]（简称《近零能耗建筑技术标准》）正式发布，提出了建筑节能的三个进一步发展目标：超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑。其中，超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级阶段，零能耗建筑是近零能耗建筑的高级形式。
居住建筑按照建筑能耗综合值、建筑性能指标（包括年采暖耗热量、年制冷耗热量、建筑气密性）、可再生能源利用率等指标进行划分；公共建筑按照建筑综合节能率、建筑性能指标（建筑节能率、建筑气密性）、可再生能源利用率进行划分。本文将按照居住建筑和公共建筑的指标对标对64个示范项目。
4.1 住宅建筑
根据《建筑能耗综合值》规定，建筑能耗综合值是衡量超低/近零能耗建筑的重要指标，是指在设定的计算条件下，单位面积供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯等终端能耗与可再生能源系统发电量之间的差值，经能源折算系数统一折算为标准煤当量。
对于超低能耗居住建筑，建筑综合能耗值应小于65（kWh/（m2·a））或≤8.0（kg/（m2·a））；对于近零能耗居住建筑，应小于55（kWh/（m2·a））或≤6.8（kg/（m2·a）），可再生能源利用率应≥10％。此外，还规定了不同气候区供暖、制冷能耗的限值要求。
图14给出了24个居住建筑示范项目能耗水平对标情况，其中12个示范项目满足标准中的超低能耗居住建筑要求，12个示范项目满足近零能耗建筑示范项目的要求，3个示范项目可再生能源应用比例较高，满足近零能耗建筑的要求，但其建筑综合能耗值未能满足近零能耗建筑的要求，仍为超低能耗建筑。
4.2 公共建筑
公共建筑在建筑体量、形态、使用功能等方面相对多样，因而受到建筑综合节能率的制约。超低能耗公共建筑，建筑综合节能率应≥50%；近零能耗公共建筑，建筑综合节能率应≥60%，可再生能源利用率应≥10%。需要指出的是，对于夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区，对超低/近零能耗公共建筑不设气密性要求。
图15显示了40个公共建筑示范项目对标情况，其中20个示范项目满足标准中的超低能耗公共建筑示范项目要求，20个示范项目满足近零能耗建筑示范项目要求。
4.3 总结
表3给出了各气候区超低/近零能耗示范项目统计情况。按照能效指标要求，64个示范项目全部满足超低能耗建筑要求，其中32个示范项目满足近零能耗建筑要求。由于我国大部分示范项目特别是公共建筑以试点示范、技术试验为主，项目设计初期定位较高，因此近零能耗建筑占比较高。
5 结论
本文对我国已建成或在建的64个超低/近零能耗建筑示范项目进行技术统计与分析，对围护结构性能、建筑气密性、被动技术应用、主动技术应用、可再生能源利用等技术方面进行统计与评估，同时对各项目的增量成本分布进行统计分析，得到以下结论：
1）自2015年以来，我国家的超低能源消费式示范项目已经快速增长。到2018年底，收集的示范项目超过160万平方米。到2019年底，超低/近零能源消耗的总面积应在800万m2的情况下进行。统计示范项目。
2）通过对64个演示项目的技术参数的比较，可以发现我的国家逐渐形成了一个从单个材料到复合整合的全面的绝缘系统在炎热的夏季和寒冷的冬季，炎热的夏季和温暖的冬季区域，外部窗户的系数也受到1.2 W/（M2·A）的控制，比目前的节能标准高40％。
3）随着技术和市场的成熟，我国家的超低能源消费示范项目的增量一直在下降。学校建筑物的增量成本已从1,540元/m2降至1,000元/m2，由于建筑形式和建筑物量的变化很大，由于建筑物的增量成本可能很大，由于建筑物外观和功能性设计的复杂性，但总体上的增量可能会越来越多。
4）通过根据国家标准中的指标进行基准测试64个示范项目，可以发现所有64个示范项目目前符合超低能源消耗建筑的要求，其中32个符合接近零耗能建筑的要求。
参考
[1] Xu Wei，Sun Deyu，Lu Fei，Yu ，Wang Jia。
[2] Feng ，Xu ，Wang Yue，Wang 的敏感性分析。
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[10] Wu Zimin，Chu ，Yin ，Tong Hua，Zhu ，Li 。
[11] Wu Zimin，Chu ，Yin ，Tong Hua，Zhu ，Li 。
[12个国家理事会的国家发展和改革委员会。
[13]中华人民共和国共和国的房屋和城市发展部。
[14]中国人民共和国的住房和农村发展部
[15]中国人民共和国的住房和农村发展部。