摘要
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，推進建筑節能工作勢在必行。超低能耗建筑以其舒適度高、節約能源等特點，越來越受到我國政府和相關科研人員的關注。梳理了國內超低能耗建筑的發展現狀，探討了上海地區超低能耗建筑的氣候適應性設計策略，提出了上海地區發展超低能耗建筑所面臨的問題，以期為后續進一步的研究工作提供指導。
關鍵詞
超低能耗建筑；氣候特征；建筑節能；夏熱冬暖地區
隨著我國人口數量持續增長和人們物質生活條件不斷改善，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。數據顯示，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]。在倡導節約高效、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能工作成為我國政府及相關科研人員任重而道遠的任務。
當前國際上主要發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能先進理念，德國、瑞典、日本、美國等國家已經制定出適應本國特點的節能建筑發展路線和技術標準[2-6]。我國自2009年以來，通過住建部的示范引導，引進德國先進建筑節能技術，吸納被動式超低能耗建筑技術理念，在不同地區陸續開展了一系列的超低能耗示范工程建設，如“漢堡之家”“在水一方”“布魯克”等，取得了良好的應用效果[7]。2017年，住建部印發的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》明確提出了“在全國不同氣候區積極開展超低能耗建筑建設示范”“結合氣候條件和資源稟賦情況，探索實現超低能耗建筑的不同技術路徑”等要求。由此可見，研究和發展舒適度高、節約能源的超低能耗建筑是我國建筑節能工作的必然趨勢。
現階段，國內關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，但仍存在著各地發展不均衡的問題。本文就超低能耗建筑在國內的發展現狀進行了梳理，并結合氣象特征和現有案例對其在上海地區的發展進行探討。
1.國內超低能耗建筑發展現狀
1988年“被動房”概念首次在德國被提出，經過近30a的發展，被動房已成為具有完備技術體系的自愿性超低能耗建筑標準，其節能性“比既有建筑節能90%以上，比新建建筑節能75%以上”[8]。住建部自2007年起與德國能源署開展合作，2009年雙方確定將在中國推動被動式低能耗建筑的發展作為合作內容。
超低能耗建筑與之前常規節能建筑在理念上的重要區別在于從“措施導向”轉為“目標導向”。常規節能設計標準限定節能措施要求，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條件自由選擇節能措施。
結合我國實際情況及建筑節能標準的工作進程，目前對超低能耗建筑的界定為適應氣候特征和場地條件，在利用被動式建筑設計和技術手段大幅降低建筑供暖、空調、照明需求的基礎上，通過主動技術措施提高能源設備與系統效率，以更少的能源消耗提供舒適室內環境的建筑。其供暖、空調、照明、生活熱水、電梯能耗水平應較2016年建筑節能設計標準降低50%以上。超低能耗建筑在國內的發展現狀可從項目、標準規范和政策激勵3個方面進行總結。
1.1 項目層面
超低能耗建筑及其近似理念在國內的項目推廣，主要有3條脈絡：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）根據住建部科技與產業化發展中心的數據，截至2017年其參與技術支持的被動式低能耗示范項目達到45個，其中夏熱冬冷地區有11個，占比為24.0%，夏熱冬冷地區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）根據中國建筑節能協會被動式超低能耗建筑分會公布的數據，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，其中夏熱冬冷地區項目共有7個，占比10.4%。夏熱冬冷地區的項目分布在江蘇鎮江及南京、福建廈門、浙江臺州、江西南昌、湖南長沙和四川成都[10]。
（3）根據德國被動房研究所（PassiveHouseInstitute，PHI）官方網站數據，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，而位于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區的項目有4個，按項目數量占比為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) 按項目數量統計 1
(b)按項目建筑面積統計 2
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的項目推廣主要集中在北方地區，夏熱冬冷地區項目的占比約在20%以下。針對上海地區而言，無論是住建部示范工程，抑或中國建筑節能協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域有2個認證項目。
1.2 標準規范
國內超低能耗建筑標準體系的建立始于2015年，自河北省率先發布DB13(J）/T177－2015《被動式低能耗居住建筑節能設計標準》以來，山東、河南、青海等省市陸續推出地方性的規范或導則，但均集中在北方地區，南方地區尚無地方性的規范標準發布。已出臺的地方性超低能耗建筑相關規范如表1所示。
表 1 已出臺的地方性超低能耗建筑相關規范
立足全國性規范的角度，目前已出臺的僅有住建部于2015年11月發布的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）》（居住建筑）（以下稱“住建部導則”），與德國被動房技術體系對標。住建部導則僅適用于居住建筑，缺少公共建筑的技術規定。國家標準GB/T51350－2019《近零能耗建筑技術標準》提出，對于公共建筑，相對現行國家公建節能標準節能50%為超低能耗建筑。
德國被動房的核心技術指標有如下幾點[8]：①供暖能耗：供暖能耗≤15kWh/(m2·a)或熱負荷≤10W/m2；當采用空調時，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則相同。
表 2 不同氣候區的能耗指標kWh/(m2·a)和氣密性指標
1.3 政策激勵
住建部在《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》中提出，“到2020年，建設超低能耗、近零能耗建筑示范項目1000萬m2以上”。為響應該要求，目前全國多個地區出臺超低能耗建筑在本地發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《關于加快推進被動式超低能耗建筑發展的實施意見》。該意見中關于容積率等政策，如“建設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。
調研顯示，該類激勵政策仍是集中在嚴寒及寒冷地區，在夏熱冬冷地區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能減排專項引導資金支持。
1.4 現狀總結及反思
根據對項目建設、標準規范制定及激勵政策3個方面的總結可知，目前國內超低能耗建筑的發展主要存在以下問題。
①各地發展不均衡。究其原因，主要是我國幅員遼闊，存在嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區等5個氣候區，不同氣候區的氣象條件、建筑特點、生活習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的發展力度較大，上海等夏熱冬冷地區則比較欠缺。這主要因為北方地區的氣候條件與德國相對接近，其技術體系可基本適用。與北方和歐洲地區不同，上海等夏熱冬冷地區在氣候特征和用能習慣上有著較為明顯的差異[12-15]，造成從業人員和政府管理部門對本地區發展超低能耗技術路徑的疑慮，進而導致相關工作推進緩慢。
②已出臺的相關標準規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一的計算邊界下，負荷及能耗強度差異較小，有設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，難以用統一的能耗指標和技術參數界定不同類型的公建。
綜上所述，上海等夏熱冬冷地區超低能耗建筑要實現推廣加速，亟待結合本地區的氣候特征開展深入的研究分析，解答技術疑慮，明晰技術路徑，編制規范導則進行引導。
2、上海地區氣候特征及其超低能耗路徑
上海屬于典型的夏熱冬冷氣候區，在溫度、濕度、太陽輻射強度等方面與德國和中國北方及歐洲地區都有顯著差異，這也構成了被動式超低能耗建筑技術路線差異的根源所在。以德國的漢堡作為比較對象，可以看出這種氣候差異以及節能策略的不同。
2.1 溫濕度特征
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。
圖 2 上海與漢堡的月平均氣溫對比 1
圖 3 上海與漢堡的月平均含濕量對比 2
上海位于夏熱冬冷地區，而從緯度上看漢堡比我國位于嚴寒地區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，數值2倍于漢堡7月份的平均含濕量。室內舒適點（干球溫度26℃、相對濕度60%）對應的含濕量12.78g/kg，理論上當室外空氣含濕量超過12.78g/kg時，新風供應就應該除濕。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成中不可忽視，需要采取一定的除濕措施，同時也會產生相應的除濕耗能。
2.2 太陽輻射特征
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，夏季有必要通過合理的遮陽措施降低進入室內的太陽輻射熱，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
2.3 風環境特征
上海屬季風氣候區，春秋兩季為南北風向轉換季節，春季最多風向為東到東南風，秋季最多風向為東到東北風，具備較好的風環境資源，如圖5所示。從居民的生活習慣來說，對自然通風的需求較強。因此在這種氣候特征下，對建筑的朝向和規劃設計提出了要求，要為過渡季和夏季利用自然通風提供條件。
圖 5 上海累年年風玫瑰圖
2.4 氣候響應的被動式設計策略
上海地區夏季炎熱、晝夜溫差小、太陽輻射強烈，建筑設計應重點考慮降低環境溫度、做好建筑遮陽、圍護結構隔熱。同時，本地區還有冬季寒冷、潮濕，梅雨季潮濕多雨的特點，對應地則應加強建筑的可控通風、做好圍護結構與地面保溫、加強建筑氣密性。主要適用的氣候響應設計措施如表3所示。
表 3 氣候響應被動設計策略
上海地區典型超低能耗案例及思考
我國超低能耗建筑的發展主要吸取了德國被動房技術理念，其技術體系主要包括5大方面：圍護結構保溫、節能門窗、建筑氣密性、熱橋處理與排風熱回收，其中前4項技術均為被動式節能設計[8]。
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、地熱、人體熱等資源，使室內四季保持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)。其所采用的節能技術主要有以下幾點。
①建筑本體設計。針對上海夏季炎熱的特點，“漢堡之家”設計為坐南朝北，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建筑保溫隔熱系統和氣密性設計。紅磚外墻質地密實，隔熱隔音性能較好，外層紅磚墻和內層水泥墻之間有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。建筑整體氣密性良好，有利于保持室內恒溫。
③可再生能源利用和熱回收。“漢堡之家”屋頂裝有450m2的光伏發電設備，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的基礎樁與地下管網連接采集地熱，通過地熱泵獲得采暖、制冷、通風和除濕所需能量。為建筑提供新風的中央通風設備與熱泵循環系統相連，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%。建筑內部的灰暗涂料可吸收房間內設備、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，其節能率達到近90%。同時室內PM2.5和TVOC基本都為0，溫濕度能恒定在20～25℃和30%～60%人體最舒適區間內。
此外，上海市長寧區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構，外墻及屋面的傳熱系數<0.6W/m2·K，采用了自然采光和自然通風的被動式節能措施，太陽能光伏發電的安裝面積為288m2，裝機容量51.3kW，空調系統為高效多聯機設備，制冷綜合性能系數達到9.0，并配備新風全熱回收系統，采用智能集成控制系統監測管理設備運行。
前兩座建筑均強調了“被動房”的概念，而國內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措施有所不同。后一座建筑強調“低碳”概念，建設理念和目前國內的超低能耗建筑相近。上海地區發展超低能耗建筑，應當在概念和技術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、氣密性指標和室內環境指標等，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問題。在技術措施層面，需要討論高氣密性、厚保溫、熱回收等技術策略是否適合上海地區，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、照明、生活熱水和電梯4部分，由此可知節能措施的方向為降低建筑供暖空調負荷需求、提高供暖空調系統效率、縮短空調運行時間、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項措施主要依靠設備系統實現節能，屬于“主動式節能措施”，其技術要求相對固定，與氣候差異的關聯較小，而第一項降低負荷需求主要依靠“被動式節能措施”來實現，由建筑專業主導，其具體的技術選擇具有典型的地域特征，與本地的氣候特點息息相關。
調研結果表明，上海地區要實現超低能耗建筑目標，應當遵循“被動優先，主動優化”原則，合理應用被動式節能設計、主動式設備節能以及可再生能源。
首先通過規劃與建筑自身的設計，營造良好的建筑本體條件，主要包括建筑朝向、自然通風與采光的設計措施，然后采取以被動式節能設計為主的方式去降低建筑負荷。
對于住宅建筑推薦的技術優先級為高性能外窗及外遮陽、適度的圍護結構保溫、新風全熱回收、改善氣密性；對于公共建筑推薦的技術優先級為外遮陽、新風全熱回收、改善氣密性、適度保溫及高性能外窗。其中氣密性應滿足N50≤1.0，圍護結構不宜過度保溫，且應注意隔熱防潮，優先選用高性能保溫材料，以減少保溫層厚度。
在主動式設備節能措施方面，住宅建筑應以節能照明為主，公共建筑應以提高空調系統能效和節能照明為主。對于可再生能源利用，在住宅建筑中采用太陽能熱水系統解決熱水能耗，在公共建筑中除太陽能熱水系統外，可采用可再生能源發電補充電力。
結合上海地區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展做了較好的示范，未來上海地區應當在借鑒“被動房”理念和技術的基礎上，滿足國家和本地區的規范要求。
4、結語
在建筑節能的大環境下，我國倡導發展超低能耗建筑并做出了積極探索，但存在著各地發展不均衡的問題。當前北方嚴寒及寒冷地區有較大的發展力度，在示范項目、標準規范和激勵政策方面均有階段性計劃和行動，而上海等夏熱冬冷地區超低能耗建筑發展相對滯后。
作為建筑節能的先進理念，超低能耗建筑理念同樣應在本地區得到更大范圍的推廣和應用。根據上海地區的氣候特征，超低能耗建筑需考慮冬季保溫、夏季隔熱、除濕防潮、遮陽和自然通風設計等問題。
上海地區現有的超低能耗建筑滿足德國“被動房”的要求，未來需要業界更多的技術研究和項目實踐來推動本地的自主化和特色化。政府也應該在標準制定、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展。
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作者簡介
瞿燕，高級工程師，現供職于華東建筑設計研究院有限公司。
