净零能耗建筑的能源规划方法
导 读
据研究，2014年，中国建筑能源消费总量为8.14亿t标准煤，占全国能源消费总量的19.12%。2015年，中国民用建筑面积573亿m2，总商品能耗8.58亿t标准煤，占全国能源消费总量的20%。根据预测，2030年中国建筑存量将接近800亿m2，建筑总能耗将达到14.6亿t标准煤。
研究表明，如果采用相对容易实现的中等强度的节能减排情景路线，到2030年可将建筑能耗控制在10.2亿t标准煤左右，到2035年左右建筑能耗达到顶峰。这意味着，到2030年，建筑面积增加近40%，而建筑能耗总量增加不到20%。建筑节能已经进入存量节能、实物量节能和总量控制的新阶段。如果维持现在的能耗强度，就要求有一半的新建建筑能耗为零。在现代社会要做到完全零能耗或极端近零能耗是不可能的。因此，需要积极发展净零能耗建筑(net zero energy building)，即在建筑消耗能源的同时生产出等量的可再生能源进行补偿。
所谓净零能耗建筑，是指全年总能耗量近似等于在现场或在其他地方所生产的可再生能源量的建筑。类似地，可以把全年生产的可再生能源量大于全年总能耗量的建筑叫做增能建筑(energy plus building)，而把全年生产的可再生能源量没有达到全年总能耗量的建筑称为近零能耗建筑或超低能耗建筑(ultra-low energy building)。
在技术上，净零能耗建筑可以分为2种，即：
1) 净零现场能耗建筑(net zero site energy building)。只考虑现场能耗，不考虑输入能源(电力、热力和燃气)的损失，建筑全年可再生能源产能等于或大于全年用能。
2) 净零一次能源能耗建筑(net zero source energy building)。考虑一次能源能耗(包括电力、热力系统的损失)的条件下，建筑全年可再生能源产能等于或大于全年用能。
根据我国能源结构和减排承诺，需要发展净零一次能源能耗建筑，在节能的同时减少建筑运行阶段的温室气体排放量，实现建筑能耗的碳中和。除了考虑净零能耗，还要考虑净零排放(net zero energy emission)，即建筑生产的零排放可再生能源等于或大于它所使用的产生碳排放的能源(有部分可再生能源例如生物质气也会产生一定的温室气体排放)。同时，还要考虑降低建筑运营成本，始终保持净零能耗建筑的增量成本在可接受的水平上。
01
净零能耗建筑及其实现的难度
1.1 净零能耗建筑技术遵循的基本原则
第一，净零能耗建筑首先应该是超低能耗建筑。它不应仅仅满足建筑节能设计标准要求，而要优于民用建筑能耗标准中的引导值或各地建筑能耗指南中的先进值。因此，实现净零能耗建筑的关键是运行。净零能耗是一个运行目标，必须通过建筑节能管理降低现场能耗。
第二，采用适宜的超低能耗建筑技术。这些技术的能效，不能只靠计算，更需要通过实际运行中的能耗检测来加以证实。因此，这里提及的“能效”，应该指的是“绩效”和“效果”(energy performance)。
这些技术包括：
第三，利用可再生能源。
1) 现场(on-site)可再生能源：
2) 非现场(off-site)可再生能源：
特别要注意，实施这3条原则，绝不是“有”了某几项技术就可以了，也不是仅靠设计计算值就算数了。而是要在运行过程中通过智能能量表的检测数据进行验证，用实物量结账。这给净零能耗建筑的实施带来很大的挑战。
1.2 单体建筑实现净零能耗的挑战
纵观国际上净零能耗和被动式超低能耗建筑的案例，基本上是以独立式住宅和小型公共建筑为主，建筑面积在几百或数千m2，超过1万m2的建筑比较少。Xu等人总结了亚洲太平洋经济合作组织(APEC)国家100个超低能耗建筑的案例，超过1万m2的建筑只有17幢，分别为：中国8幢，日本8幢，美国1幢。
这是为什么呢?在单体建筑(尤其是公共建筑)中实现净零能耗有几个比较难以解决的技术问题：
1) 新风需求。被动式超低能耗建筑的气密性要求很高，需要靠机械通风系统引入新风。夏季在湿热地区需要处理大焓差新风，冬季在严寒地区需要处理大温差新风(可能还需要加湿)，这些都需要耗能。
解决方法之一是用新风热回收(全热和显热)的方法。目前热回收技术最高效率在70%左右。在住宅和小规模办公类公共建筑中应用，由于新风需求不大，比较容易解决。而大型公共建筑的新风需求较大，即使有热回收，还会产生较大的能耗。
解决方法之二(主要用于夏季)是用除湿的方法降低新风负荷(desiccant cooling)，即实现热湿独立处理。但无论是液体还是固体除湿，都需要除湿剂再生过程。要找到适宜的余热、废热等再生热源并不容易。如果利用太阳能，则需要比较大的集热器面积。用制冷机的冷凝热是比较好的解决方案，但在某些气候条件下，可能会提早开启制冷机。
2) 太阳辐射。冬季太阳辐射是被动供暖的有利因素，需要尽量增加太阳辐射得热；夏季太阳辐射则是增加冷负荷的最大不利因素。尽管有低辐射Low-E玻璃窗等围护结构降负荷设施，但为了降低冬季负荷需要将Low-E膜镀在内窗外表面上，为了降低夏季负荷需要将Low-E膜镀在外窗内表面上。二者是相悖的(最好能有冬夏内外窗表面翻转的设施)。夏季也可以采用外遮阳措施降低一部分太阳辐射(直射)。夏季太阳辐射作用在不透明围护结构上，也会形成较高的表面温度，增加导热量。
3) 内部负荷。建筑室内的照明、设备、人员都是发热(湿)源，尤其在公共建筑的室内热平衡过程中有非常重要的影响。在冬季，室内发热量是有利因素，可以降低供暖负荷；而在夏季，室内发热(湿)量是不利因素，要从温度较低的室内将热量转移到温度更高的室外，必须消耗能量。
4) 自然通风。有人会说，将热量从室内搬到室外可以靠自然通风。自然通风确实是夏季实现免费供冷和自然冷却的好办法。
但它需要有一定的条件：
第一，需要室外气温有较大的日较差(日平均气温低于25 ℃)，使室外土壤在夜间蓄存一部分冷量，白天近地面处的空气温度较低，通过自然通风引入这部分温度较低的空气，利用热压作用置换室内温度较高的空气，可以起到降温作用；
第二，需要室外含湿量低于或略高于室内，这样才能通过自然通风为室内除湿(或至少不会明显地加湿)；
第三，需要室外空气比较清洁(或至少没有被污染)。这3个条件在目前中国的多数城市中都不能完全具备。自然通风在冬季也与建筑气密性要求相矛盾。因此，自然通风是一项“锦上添花”的措施，在净零能耗建筑中必须有自然通风措施，但不能指望自然通风技术能带来多少节能量，更不能用计算能耗替代实测能耗，夸大自然通风的作用。必须指出，自然通风并不是开窗通风那么简单，而是需要经过设计的，在一些复杂建筑中，还需要作模拟分析。这本应是建筑师的职责。
上述1)和3)是系统效率问题，而2)和4)在一定程度上与建筑的外环境相关。做过城区气候设计、空间布局合理的城区微气候，会扩大太阳辐射和自然通风的正向效应；而没有经过气候分析的城区，会由于建筑物之间的相互干扰，增大太阳辐射和自然通风的负面作用。
1.3 净零能耗建筑的负荷
以假设的夏热冬冷地区办公楼为例，采用多种节能技术控制建筑物的围护结构和设备，概略计算其负荷，结果如表1所示。
基于表1负荷，假定办公楼全年供冷和供暖满负荷当量小时数均为600 h，采用系统季节性能系数3.0的热泵系统，可以达到全年供暖、供冷能耗15 kW·h/(m2·a)的水平。如果只计算供暖能耗，则只有4 kW·h/(m2·a)，数值上远低于欧洲超低能耗建筑供暖能耗标准。但欧洲标准中的kW·h是热量单位，15 kW·h/(m2·a)相当于我国一次能源(折合标准煤，下同)消耗1.8 kg/(m2·a)。我国以火力发电为主，4 kW·h/(m2·a)折合一次能源消耗为1.3 kg/(m2·a)。如果供暖用的是系统效率70%的燃气锅炉，则一次能源消耗要达到2 kg/(m2·a)左右，高于欧洲标准。
假设全年人均工作时间为法定的2 000 h(每月167 h)，则办公楼的设备能耗为40 kW·h/(m2·a)，照明能耗为10 kW·h/(m2·a)。这里的能耗都是电耗。
考虑各种不可预知因素，则这一超低能耗办公楼的总能(电)耗为70 kW·h/(m2·a)，折合一次能源为22.4 kg/(m2·a)。从上面的假定可以看出，这一假想办公楼的节能潜力基本用尽了。比如新风热回收效率要达到70%是非常困难的。
1.4 需要可再生能源的补偿
如果上述假想办公楼要达到净零能耗建筑标准，就需要用可再生能源来提供等于或大于70 kW·h/(m2·a)的能耗。对于单体建筑而言，比较可行的可再生能源应用技术是太阳能光伏(PV)发电。
按现在的PV效率，1 m2光伏板功率在130 W左右，以上海地区全年满负荷日照小时数1 000 h计算，满足70 kW·h/(m2·a)的能耗需求至少需要0.5～0.7 m2的光伏板面积。对多层和高层公共建筑，不可能在建筑红线内安装这么大面积的光伏板。而对大空间单层公共建筑(如机场车站)，又因为内部负荷加大，以及屋顶的传热负荷增加，也无法满足能耗需求(见图1)。只在负荷比较小的仓储类大空间工业建筑中有过成功案例。
由图1可以看出，仅靠单体建筑红线内有限的空间资源，只在小规模、低负荷建筑中才有可能利用可再生能源的补偿实现净零能耗。而在城区层面，则可以通过公共空间资源的共享，将可再生能源的供应视为城区的基础设施，利用城区不同建筑间的负荷参差率减少总装机容量，利用多种可再生能源生产的波动性和储能设施调节供应量，实现多能互补。
1.5 小结
02
净零建筑能耗城区的概念
2.1 净零建筑能耗城区的定义
净零能耗城区是指在城区范围内全年生产的能源等于或大于全年所消耗的能源。这里的能耗按广义的理解，应包括产业、交通、建筑和基础设施在内的城区内所有能耗；而狭义的理解则只包括城区内的建筑能耗。为简化问题，本文只讨论净零建筑能耗城区。
净零建筑能耗城区可分为：
城区的净零能耗是建筑群的平均能耗，所以并不是城区内所有单体建筑都是净零能耗建筑或超低能耗建筑。城区建筑群提供了负荷的多样性和热能梯级利用的机会。城区内哪些建筑是超低能耗建筑，哪些可以不是，需要通过能源规划来权衡和协调。因此，净零建筑能耗城区的能源规划是至关重要的环节。
2.2 净零建筑能耗城区的优点
1) 将城区或建筑群当作一个系统进行综合能源管理，从而实现资源共享，在城区尺度和平均意义上实现净零能耗，较之单体建筑更容易达到净零能耗目标。
2) 单体建筑需要在低层、低密度、小规模的建筑形态条件下实现净零能耗目标，而净零建筑能耗城区可以保持紧凑型的城市形态，可以有较高的楼层、适当的容积率和一定的规模。
3) 可以在城区范围内共享可再生能源和可利用空间。
4) 可以通过城市设计，优化城区的日照环境和风环境，为被动式建筑技术应用创造条件。
5) 可以利用城区建筑群负荷的多样性和参差率，利用电网和共享蓄热装置，实现负荷平准化，平衡可再生能源的供给与负荷需求。
6) 由于负荷的平准化，可以减小城区基础设施设备系统的规模，降低投资和运行成本，从而吸引有实力的投资者。
2.3 净零建筑能耗城区的实施难点
1) 需要有兼顾需求侧和供应侧的精细化城区能源规划。
2) 需要城规、建筑、暖通、热能、电力、景观等跨专业的协同，才能使能效和资源利用最大化。
3) 在城区尺度上，城市形态对单体建筑能耗有重大的影响。同样还要考虑城市形态对可再生能源种类选择、空间布局以及能源效率的影响。要将这些影响尽量调整为正面影响。但目前城市形态对建筑能耗的影响分析，尚缺乏适用的工具和系统的方法论。
4) 在城区尺度上，把握人口和需求的增长是有困难的，尤其在我国所处的急剧的经济转型阶段。
5) 提高各单体建筑能效是净零建筑能耗城区概念中的核心。欧洲经验表明，在现行建筑节能标准基础上再节能60%是可行的。但这需要所有投资商、二级开发商、业主、供应商、设计团队和建造者的配合，成为他们共同的诉求。利益相关者越多，净零建筑能耗城区的实施越难。在规划阶段就要统筹考虑单体建筑的能源性能。
6) 可再生能源规模化应用中受到产能和耗能的峰值差、能源的储存，以及可再生能源联网中各种不确定因素的困扰。
7) 实现净零建筑能耗城区会产生更多的先期成本，如建筑能效提升、基础设施优化等。因此，它更适合政府、科研机构、企业总部、大学等综合性园区，以及“购买并持有”的投资人。
2.4 雄安模式为净零建筑能耗城区建设创造了机遇
2017年，中央决定设立国家级雄安新区。雄安新区的规划建设，体现新城新区发展的新理念、新路径、新模式，展示了中国新型城镇化未来的方向。其重大创新之处主要有以下几点：
1) 我国城镇化已经从投资圈地、规模扩张的粗放发展阶段，进入价值创新的可持续发展阶段。
2) 跨越土地财政，住宅以公租房、廉租房为主，不允许配建商品房，房子回归住人的本原。
3) 改变遍地开花的建设模式，规划主导，成片推进，迅速形成规模。
4) 没有固定住宅用地，建设兼有居住、商业、公园、休闲娱乐和快速公共交通的混合社区，唯一业主，统一风格。
5) 产业园区开发模式，花园式办公。城市形态是有较大绿地面积、公共建筑低层低密度、居住建筑多层高密度。
6) 建设高起点的智慧城市，5G通信、人工智能、物联网、大数据等各种新技术得到普及应用。
7) 以人为本、生态环保、健康舒适、宜居宜业，居民有强烈的获得感。
可以看出，在这样的建设模式中，利益相关方简单、决策过程简化、规划真正起到主导作用，非常适合于建设净零建筑能耗城区。
03
净零建筑能耗城区的能源规划方法
净零建筑能耗城区的能源规划需要需求侧与供应侧的协同，但本质上还是从底到顶、充分考虑需求侧节能(超低能耗建筑)的需求侧能源规划。因此，净零建筑能耗城区的能源规划，遵循需求侧能源规划的“六步法”。
3.1 第一步：目标设定
1) 对城区开发战略、发展定位和城市总规的理解。在现阶段，一般而言建设净零建筑能耗城区的开发者是有追求的，可能是作为示范性开发或标志性城区。规划者要将能源规划目标与城区开发目标相协调，预测开发远景和未来能耗需求，通过调研加深对当地能耗现状和节能减排政策的理解。
2) 设立适合当地情况和净零能耗目标的各类建筑能耗和碳排放基准线。
3) 在此基础上设立减碳目标(低碳/零碳/碳中和)以及各类建筑的能耗目标(对标基准线基础上降低能耗)。
4) 设立可再生能源利用目标。即是否在某一领域(例如供暖、照明)实现100%可再生能源利用；是否能实现能源自治(即所有可再生能源资源均来自于城区边界内，例如全部利用边界内的生物质资源制气)。
5) 确定城区要达到的可持续生态城区评价标准。
3.2 第二步：资源分析
1) 传统能源资源分析：①电力、燃气和热力的可获得性和资源量；②所在区域近期和远期的能源发展规划(是否有水电/核电/风电等大规模一次电力资源)；③电力变电站的分布和电压等级；④可再生能源电力并网接入点及相关技术要求。
2) 可再生能源资源分析：①资源分析。太阳能(光电/光热)、风能、生物质能(城区边界内/外)、地热能(深层/浅层/地表水)、能效提升(可望达到的最小系统能效比)。②可利用性分析。能量提取点的空间分布和可利用面积、地表水的水温变化和水量、土壤热物理参数、地质资料、气象资料等。③根据资源条件确定各种可再生能源的供能量。
3) 空间资源分析：①容积率；②建筑类型和用途(细分化)；③城市形态和建筑形态；④人口数；⑤可能设能源站和能源子站的位置。
4) 政策资源分析：①当地节能减排标准规范；②鼓励节能减排和可再生能源利用的政策；③投资环境。
5) 节能资源分析：①协调城区各类建筑预期能耗量以满足净零建筑能耗城区目标；②根据预测负荷和所需要达到的系统能效提出供选择的可利用技术；③提出终端超低能耗的供暖和供冷方式，例如采用低空调方式。
3.3 第三步：需求预测
1) 2种方法：①数据挖掘。收集当地同类型建筑的能耗数据(最好是逐时的分项能耗数据)，经过数据挖掘得到各类型建筑具有代表性的能耗数据。②能耗模拟。根据节能设计标准设置室内负荷的不同情景，通过计算机模拟得到各类型建筑的典型能耗数据，与上述数据挖掘得到的能耗数据比较，调整相应计算参数以符合当地大多数建筑实际，使能耗模拟结果保持在一定误差范围内。
2) 2种模式：①反推预测(back casting)。根据设定能耗目标和基准线反推负荷。②正向预测(forecasting)。与上述能耗模拟中的负荷进行比较，找出影响负荷的敏感因素，在可能条件下加以调整(例如新风的处理方式)，从而使最终能耗满足超低能耗要求。据此形成城区建筑设计导则。
3) 2个结果：①各类建筑和整个城区的静态负荷。据此决定城区能源系统的容量和形式。②城区建筑的动态负荷。据此决定各类能源所承担的负荷时间段和负荷份额，决定各类能源的系统装机容量。
3.4 第四步：规划协调
净零建筑能耗城区规划协调的主要作用是通过空间规划和城市形态的调整，使得建筑利用自然资源(主要是日照、昼光、自然通风)的被动式技术成果最大化，同时使气候因素对建筑的负面影响最小化，从而为城区中建筑的超低能耗创造条件。
在城区层面，被动式技术的应用效果有很大的随机性和不确定性，因此，规划调整只能定性地增加自然资源的利用，无法定量地确定能够降低多少负荷，究竟有多少节能量。因此，规划调整的结果应视为实现净零建筑能耗城区的保证措施。
通过规划协调实现节能主要有2个方面的作用：
1) 降负荷：①紧凑型城市形态(改变形状系数和增加被动空间)可以降低建筑负荷；②通过建筑功能混合可以使城区负荷平准化；③绿地和湿地可以有效降低热岛效应；④能源站选址靠近负荷中心可以减少输送损失。
2) 降能耗：①通过城市形态调整增加建筑被动空间(冬季增加太阳辐射，过渡季增加自然通风)；②空间布局中尽量留出可再生能源的能量采集位置；③设置通风廊道和风屏障，增加过渡季冷却通风和减少冬季寒风侵袭。
3.5 第五步：系统优化
净零建筑能耗城区的区域能源系统属分布式能源系统，但并不是传统意义上的区域供冷供热或冷热电联产系统，它有几个特点：
1) 一定是一个多能源互补系统。集成和分享可再生能源和清洁能源。单一能源的区域供冷供热和冷热电联产系统是无法实现净零能耗的目标的。
2) 一定是一个分布式系统。生产冷热电和可再生能源的设备分布在城区任何位置，通过能源互联网互联。
3) 一定是一个共享式系统。在城区层面实现资源和空间的共享。
4) 在城区层面生产的可再生能源总量等于或大于城区建筑的总耗能量。
配置净零建筑能耗城区的能源系统有几条原则：
1) 发挥电力传输的优势和热力储存的优势，而不是相反。不能将多能源系统做成“电力不出能源站大门，冷热水超长距离输送”的大集中系统或“热电厂模式”。
2) 电力分散生产，城区集中供应，利用智能电网、电池组和电动汽车消纳可再生能源产出的多余电量，也可通过电力驱动热泵蓄热(冷)间接蓄电。
3) 热能分布式生产，以街区(邻里)或单栋建筑为单位供能，尽量缩短热力管道的输送距离和输送半径。大管径的输送管道可以作为蓄热(冷)装置考虑。
4) 热泵的热源/热汇资源共享(太阳能热水/工业余热/地埋管换热器/地表水源/污水源/热源塔/冷却塔)，通过能源总线系统集成低品位热源/热汇。
在区域能源系统的优化配置中有几个要点：
1) 作精细化负荷预测，根据负荷分布特点选择合适的系统组合，确定系统形式(集中/分散/分布)。
2) 分析城区动态负荷特点，确定不同时段的负荷分别由哪个系统(哪种能源)分担(scheduling)，系统效率，对建筑内末端系统的要求，新风热回收效率的低限。
3) 智能能源管理系统是净零建筑能耗城区能源系统成功的关键，几乎所有区域能源系统的可研报告或系统方案中都会提及智能能源管理系统，但都没有实质性的系统架构和方案，在实际工程中更是被忽视。这主要因为区域能源管理系统的研究还十分欠缺，尤其对多能源复杂系统的控制模型和优化算法的研究还是空白。
4) 区域能源系统不能沿用习以为常的单体建筑供暖供冷系统的设计方法。净零建筑能耗城区的能源系统一定比单体建筑系统的一次能效高，其系统总负荷一定低于各单体建筑峰值负荷之和，区域能源系统的总装机容量一定小于单体建筑装机容量之和，集中式的区域能源系统一定是多能源复合的供能系统。
3.6 第六步：绩效评估
净零建筑能耗城区能源规划的绩效评估是规划实施的决策依据，应包括以下内容：
1) 各类建筑与超低能耗建筑基准线相比的节能量。
2) 总能耗量和城区净零能耗的计算值。
3) 节能量和减碳量的分摊。
4) 投资回报。
图2给出了净零建筑能耗城区能源规划的基本流程，图中虚线箭头表示不能满足规划目标时的重复分析过程。
04
结 论
1) 要实现我国建筑能耗总量控制和综合节能目标，净零能耗建筑是必要的措施。
2) 要使新建建筑达到净零能耗标准，可以采取在城区层面共享资源、集成应用可再生能源、创造适宜被动式技术的空间环境等技术，通过建设净零建筑能耗城区来实现。
3) 在城区需求侧能源规划基础上，建立起供给侧与需求侧协同的净零建筑能耗城区能源规划方法。
4) 净零建筑能耗是一个运行目标，需要通过全年的运行绩效检测来验证。技术的发展为净零建筑能耗城区的能源管理提供了有效的工具。
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