摘要

已有的零能耗建筑可行性研究主要集中于居住建筑，且仅考虑建筑用能与可再生能源产能之间的平衡。我国新颁布的《近零能耗建筑技术标准》同时考虑了供需平衡和建筑本体节能。然而，目前尚无基于该标准的零能耗建筑可行性研究。本文基于该标准研究了3种场景下我国夏热冬暖地区和寒冷地区非住宅类零能耗建筑在设计阶段的可行性。结果表明，不同场景、气候条件下非住宅类零能耗建筑均能实现，但若要保证实际运行中零能耗目标的实现，需要在设计中考虑可能的实际运行条件。

关键词

零能耗建筑 可行性 技术标准 夏热冬暖地区 寒冷地区 设计阶段 运行条件

作者

香港理工大学 黎航欣 王盛卫

0 引言

在全球变暖的背景下，零能耗建筑作为减少能源消耗和二氧化碳排放的有效手段之一日益受到世界各国的关注。例如，美国规定截止到2020年所有新建居住建筑为净零能耗建筑，截止到2030年所有新建商业建筑为净零能耗建筑。欧洲出台的《建筑能效2010指令》规定截止到2020年其成员国所有新建建筑为近零能耗建筑。2019年9月，中国颁布了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》（以下简称《近零能耗建筑标准》），为近零能耗建筑和零能耗建筑提供了详细的评估方法。

近40年，许多国内外学者对不同国家/地区实现零能耗建筑的可行性进行了研究。大多数的研究探讨了欧洲各个地区实现零能耗建筑的可行性。Mohamed等人研究了赫尔辛基1栋居住建筑实现“净（现场）零能耗建筑”“净（一次）零能耗建筑”“净零能耗账单建筑”及“净零排放建筑”的可行性。Marszal等人研究了丹麦1栋居住建筑实现净（一次）零能耗建筑的可行性。部分研究探讨了中国实现零能耗建筑的可行性。Jin等人研究了在中国北方实现净（现场）零能耗居住建筑的可行性。Fong等人研究了中国香港1栋3层居住建筑实现零能耗目标的可能性。Tian等人研究了北京1栋12层的居住建筑实现零能耗的可行性。

由上可见，先前的研究主要集中于居住建筑零能耗可行性，尚缺乏非居住建筑零能耗的可行性研究。此外，现有的零能耗建筑可行性研究仅以建筑能耗综合值（即建筑终端能耗与可再生能源系统发电量换算为统一当量后的差值）作为零能耗建筑的评价指标。这使得在不降低建筑本体能耗（即不包括可再生能源发电的建筑能耗综合值）的情况下，只需通过使用足够的可再生能源即可轻松实现零能耗目标。中国颁布的《近零能耗建筑标准》将建筑本体能耗和建筑能耗综合值同时作为评价指标。然而，目前尚无基于该标准的零能耗建筑可行性研究。因此，本文旨在基于《近零能耗建筑标准》研究中国夏热冬暖地区及寒冷地区非居住零能耗建筑在设计阶段的可行性。以中国香港的零碳建筑作为基准建筑，采用多阶段优化设计方法，以满足《近零能耗建筑标准》评价指标为前提，对基准建筑的围护结构和能源系统进行优化，以此研究不同场景和气候条件下零能耗建筑的可行性，并比较其最优设计方案。

1 零能耗建筑优化设计

1.1 设计方法

如图1所示，多阶段优化设计方法将零能耗建筑设计过程分为建筑围护结构设计优化阶段和建筑能源系统设计优化阶段。在建筑围护结构设计优化阶段（阶段1），采用遗传算法，以最小化建筑围护结构设计目标函数为目标，对建筑围护结构的设计参数进行优化。在建筑能源系统设计优化阶段（阶段2），基于阶段1所得建筑围护结构最优设计方案，使用EnergyPlus进行能耗模拟，然后采用遗传算法以满足能耗需求及《近零能耗建筑标准》规定的零能耗建筑能效指标为前提，以最小化建筑能源系统设计目标函数为目标，对建筑能源系统的设计参数进行优化。阶段1和阶段2所得的最优建筑围护结构和能源系统设计方案即构成了零能耗建筑的最优设计方案。

1.2 设计参数

如表1所示，设计参数主要包括6个建筑围护结构设计参数和10个建筑能源系统设计参数。建筑围护结构设计参数为建筑朝向、窗墙面积比、墙体传热系数、屋面传热系数、窗户太阳得热系数和窗户传热系数。这些围护结构设计参数为《近零能耗建筑标准》中有严格规定的参数。在建筑能源系统优化设计中，本文仅针对一种典型的能源系统（如图2所示，包括光伏发电装置、热电联供装置、吸收式制冷机、电制冷机、空气源热泵、电池及其他关联组件），优化系统各个组件的容量和数量。

1.3 设计目标

建筑围护结构和能源系统设计优化的目标函数分别见式（1）和式（3）。建筑围护结构设计优化的目标函数包括在典型设计条件下的全年电力需求和对偏离热舒适区（包括冬季过冷和夏季过热）的“惩罚”。建筑能源系统设计优化的目标函数包括系统寿命周期成本和对系统运行造成电网压力的罚金。考虑系统运行对电网的影响是为了减轻频繁输入输出电力给电网造成的负担。

式（1）～（5）中 Fe为围护结构设计优化目标，kW·h； Et为建筑全年电力需求，kW·h；a1为偏离热舒适区的惩罚系数，kW·h； Dd， t为一年中第t时刻偏离舒适区的程度；Dd为衡量偏离热舒适区程度的指标；PMV为预计平均热感觉指数；Fs为建筑能源系统设计优化目标，元；C为能源系统的寿命周期成本，元；a2为对电网影响的惩罚系数，元；n为建筑寿命周期，a，本文设为50 a； Ii，j为寿命周期中第i年第j月系统运行对电网的影响程度；I为衡量系统运行对电网影响的指标；CI为系统初投资，元；CO为系统运行成本，元；CR为系统替换成本，元；Pi， t为t时刻建筑从电网输入的电量，kW；Pe， t为t时刻建筑向电网输出的电量，kW；Pd为电力需求，kW；t1、t2分别为某特定月的起始和结束时间。

2 不同气候区零能耗建筑优化设计结果及分析

2.1 基准建筑及其能耗

由于非住宅类建筑功能复杂、用能特征差异大，《近零能耗建筑标准》采用相对于基准建筑的建筑本体节能率和建筑综合节能率作为零能耗公共建筑的评价指标。本文的基准建筑选择中国香港的零碳建筑（如图3所示）。该零碳建筑是香港唯一一栋零排放建筑，目前作为零/低能耗技术示范中心。基准建筑参考了该零碳建筑的形状、大小、内部空间划分和使用功能，其围护结构的热工性能参数、能源系统、窗墙面积比（如表1所示）、室内参数和室内人员、照明、设备内热设置则按照标准要求设置。基准建筑内所需电力均由电网供应，无可再生能源发电系统。电制冷机用于供冷，燃气锅炉用于供暖。

本文以中国香港为夏热冬暖地区的代表城市，以北京为寒冷地区的代表城市，采用EnergyPlus建立基准建筑的建筑模型，模拟2种气候条件下基准建筑的能耗。由图4可见，在中国香港，基准建筑有冷负荷、无热负荷，其建筑本体能耗为155.0 kW·h/（m2·a），其中供冷能耗为98.0 kW·h/（m2·a）（年供冷量为142.5 kW·h/（m2·a）），其他能耗为57.0 kW·h/（m2·a）。在北京，基准建筑物既有冷负荷，也有热负荷，其建筑本体能耗为171.6 kW·h/（m2·a），其中供冷能耗为38.9 kW·h/（m2·a）（年供冷量为53.5 kW·h/（m2·a）），供暖能耗为75.6 kW·h/（m2·a）（年供热量为56.8 kW·h/（m2·a）），其他能耗为57.1 kW·h/（m2·a）。根据《近零能耗建筑标准》要求和基准建筑能耗可得：若要在中国香港实现零能耗建筑，建筑本体能耗应降低至124.0 kW·h/（m2·a）或以下，其建筑综合能耗应降低至0或以下（如表2所示）;若要在北京实现零能耗建筑，建筑本体能耗应降低至120.0 kW·h/（m2·a）或以下，其建筑综合能耗应降低至0或以下。

2.2 夏热冬暖地区的零能耗建筑优化设计结果

本文研究了3种不同场景下在基准建筑的基础上实现零能耗建筑的优化设计方案。场景1为建筑与电网连接，建筑能源系统设计优化的目标函数仅考虑寿命周期成本（即a2=0元）。场景2为建筑与电网连接，建筑能源系统设计优化的目标函数考虑寿命周期成本及其对电网的影响（a2设为3 317.6 元）。场景3为建筑不与电网连接，建筑能源系统设计优化的目标函数仅考虑寿命周期成本（即a2=0元）。在进行优化设计时，建筑能源系统的主要参数按照表3设置。

表4给出了这3种场景下基准建筑在中国香港实现零能耗的最优设计方案。由表4可见，在香港无论建筑是否与电网连接，基准建筑都能通过围护结构和能源系统优化设计实现零能耗的目标。在3种场景下建筑围护结构的最优设计方案相同。最优的墙体传热系数、屋面传热系数及窗户太阳得热系数均为对应取值区间内的最小值。这是因为建筑围护结构部件的传热系数越小，越有利于改善冬季的室内热舒适性（a1越大，最优的墙体、屋面传热系数越小）。最优的窗墙面积比为0.31，而最优建筑朝向角度为178°。

当建筑与电网连接时，若不考虑对电网的影响，则713 m2的光伏板即可满足建筑全年的电力需求。若考虑对电网的影响，则还需要1台容量为25 kW的热电联产发电机和1个容量更大（99.7 kW·h）的电池以避免频繁的电力输入输出。当建筑不与电网连接时，则需要662 m2的光伏板和2台容量均为24 kW的热电联产发电机以满足建筑内的电力需求。场景1和场景2的最优冷水机组总容量均约为230 kW，场景3的最优冷水机组总容量为259 kW。

2.3 寒冷地区的零能耗建筑优化设计结果

表5为3种场景下基准建筑在北京实现零能耗的最优设计方案。由表5可见，在北京无论建筑是否与电网连接，基准建筑也都能通过围护结构和能源系统优化设计实现零能耗的目标。在3种场景下建筑围护结构的最优设计方案相同。最优的墙体传热系数和屋面传热系数均为对应取值区间内的最小值。最优的窗墙面积比为0.53，而最优的窗户太阳得热系数为0.52，这是因为要在冬季增加太阳得热来降低热负荷。最优的建筑朝向角度为171°。

当建筑与电网连接时，若不考虑对电网的影响，则780 m2的光伏板即可满足建筑全年电力需求。若考虑对电网的影响，则还需要1台容量为20 kW的热电联产发电机和1个容量更大（80.0 kW·h）的电池，以避免频繁的电力输入输出。当建筑不与电网连接时，则需要682 m2的光伏板和1台容量为31 kW的热电联产发电机，以满足建筑内的电力需求。在3种场景下，最优的冷水机组总容量均约为139 kW，而最优的热泵总容量均为318 kW。

相对于在中国香港实现零能耗建筑，在北京实现零能耗建筑需要更大的窗墙面积比（大0.22）及更大的窗户太阳得热系数（大0.42）。不论在中国香港或北京，当建筑与电网连接时，若不考虑对电网的影响，光伏发电装置就能满足建筑全年电力需求；若考虑对电网的影响，则均需额外的热电联产发电机和容量更大的电池，以降低频繁的电力输入输出对电网的影响。当建筑不与电网连接时，均同时需要光伏发电装置和热电联供装置来满足建筑电力需求。

2.4 实际天气条件对实现零能耗目标的影响

上述对零能耗建筑可行性的研究均在设计条件下进行，而实际运行条件可能与设计条件有很大差异。以场景1条件下在中国香港实现零能耗建筑的最优设计方案为例，由图5可见，在2001年和2004年中国香港实际气候条件下该“零能耗建筑”未能满足零能耗建筑综合能耗值小于或等于0的要求。在2007年中国香港实际气候条件下该建筑未能满足零能耗建筑综合能耗应小于或等于0及建筑本体能耗应小于或等于124 kW·h/（m2·a）的要求。由此可见，零能耗建筑的优化设计应考虑实际可能的运行条件，以确保在实际运行中实现零能耗目标。

3 结论

本文基于《近零能耗建筑标准》研究了夏热冬暖地区及寒冷地区零能耗公共建筑在设计阶段的可行性。研究结果表明，不论建筑是否与电网连接，夏热冬暖地区及寒冷地区的公共建筑均能通过围护结构和能源系统的优化设计实现零能耗的目标。其中，寒冷地区的零能耗公共建筑比夏热冬暖地区的零能耗公共建筑需要更大的窗墙面积比及更大的窗户太阳得热系数以降低冬季热负荷。但这些零能耗目标的实现均是在设计条件下，若要确保在实际运行中零能耗目标的实现，则需要在设计中考虑可能的实际运行条件。此外，围护结构的优化设计中仅考虑建筑能耗和热舒适性，未来的研究需进一步将经济成本作为优化目标，同时需对零能耗建筑在其他不同气候条件和场景（如可资源共享的零能耗建筑群）下的可行性进行研究。

本文引用格式：黎航欣，王盛卫．《近零能耗建筑技术标准》下夏热冬暖地区及寒冷地区零能耗建筑的可行性研究［Ｊ］．暖通空调，2022，52（1）：121-125，29．