范圣東 ，彭仲雄 （安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230000）

1 零能耗建筑

1.1 零能耗建筑概念提出

“零能耗建筑”的概念最早可追溯至1976年，丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）的Torben V.Esbensen教授團(tuán)隊(duì)通過對丹麥一棟單層住宅的冬季太陽能采暖綜合利用實(shí)驗(yàn)測試研究，提出“零能耗住宅”（Zero Energy House）。他們對建筑外墻保溫進(jìn)行嚴(yán)格處理，同時(shí)增加42m2的太陽能集熱器和30m3的保溫蓄水池。外墻保溫使建筑冬季采暖能耗從原先的20000kWh/a降至2300kwh/a，增設(shè)的太陽能集熱器可吸收熱量7300kWh/a，去除設(shè)備能耗損失，即可滿足住宅冬季供暖需求，從而不依靠傳統(tǒng)的外部能源輸入，實(shí)現(xiàn)采暖能耗自給自足[1]。受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，Torben V.Esbensen教授團(tuán)隊(duì)的零能耗建筑僅從外墻保溫和太陽能集熱兩方面處理，與現(xiàn)今應(yīng)用各種綜合技術(shù)方法的零能耗建筑有較大差距。

1.2 零能耗建筑發(fā)展

1992年，德國Voss.K團(tuán)隊(duì)考慮到建筑與城市公共電網(wǎng)連接的情況，提出建筑物和城市電網(wǎng)之間打破傳統(tǒng)的單向供電模式。當(dāng)太陽能光電系統(tǒng)供電量大于建筑所需量時(shí)，可將多余電量傳輸至公共電網(wǎng)供其他建筑使用；當(dāng)太陽能光電系統(tǒng)供電量小于建筑所需量時(shí)，從公共電網(wǎng)接入電量。在以年為單位的統(tǒng)計(jì)情況下，光電系統(tǒng)產(chǎn)生的能源與建筑所消耗的能源達(dá)到平衡，這樣建筑就實(shí)現(xiàn)零能耗[2]。

技術(shù)的發(fā)展使零能耗建筑在技術(shù)操作層面更具可行性。高性能維護(hù)結(jié)構(gòu)可以極大地減少建筑熱能損失。例如2006年德國建成的零能耗示范樓，窗戶傳熱系數(shù)0.7W/（m2·K），遠(yuǎn)低于我國嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.9～2.5W/（m2·K），外墻傳熱系數(shù)僅為0.12W/（m2·K），地板傳熱系數(shù)為0.16W/（m2·K）[3]。地源熱泵系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)也打破了以往單一的太陽能光電系統(tǒng)，為零能耗建筑提供更多的自然清潔能源。

設(shè)計(jì)方法的改變也促進(jìn)了零能耗建筑的發(fā)展，被動式設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)建筑體形系數(shù)、遮陽、通風(fēng)和采光，最大限度的使用自然采光和通風(fēng)，降低建筑對傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的依賴。

2 奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心零能耗設(shè)計(jì)方法

奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心被譽(yù)為美國第一座當(dāng)代碳中和建筑，其設(shè)計(jì)符合美國綠色建筑委員會的最高標(biāo)準(zhǔn)（LEED白金標(biāo)準(zhǔn)）。遺產(chǎn)中心位于北緯43。，美國威斯康辛州巴拉布市的鄉(xiāng)下，處于四季溫度變化明顯的寒帶氣候中，一月份平均氣溫低至零下17。，七月份平均氣溫高達(dá)28。。這一地區(qū)四季分明，氣溫、風(fēng)向、日照時(shí)長、小氣候、降水類型豐富[4]。

2.1 合理的平面布局

遺產(chǎn)中心主體建筑坐落于場地中心位置，包括公共入口、問詢處、公共休息室、員工區(qū)和展覽空間。會議大樓設(shè)在西側(cè)，而首排大廳和車間都位于主體建筑的東南側(cè)，圍合庇護(hù)著中間花園（圖1）。這個(gè)簡單的場地設(shè)計(jì)提供了采光、風(fēng)力發(fā)電、被動式采暖和自然通風(fēng)，這些都是實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的必要條件。

2.2 被動式太陽能設(shè)計(jì)

六月當(dāng)?shù)孛咳杖照諘r(shí)長可達(dá)16h，而十二月僅有9h。夏天與冬天的平均溫度差為27℃。在這種情況下，建筑設(shè)備中占主導(dǎo)地位的是提供熱負(fù)荷的設(shè)備，這增加了通過使用被動式太陽能達(dá)到建筑零能耗的難度。建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)不僅把太陽能和風(fēng)能用于制熱和制冷，同時(shí)也嘗試?yán)眠@些能量滿足日常照明需求。

圖1 建筑總平面圖

不同的建筑空間對溫度有不同需求，有員工工作及展覽空間的主樓一年四季都使用空調(diào)調(diào)溫，而會議室只在使用時(shí)供熱。首排大廳和車間無機(jī)械制熱與制冷系統(tǒng)，但大廳的柴爐在最寒冷的時(shí)期可以補(bǔ)充供熱。主樓消耗的能源最多，因此將其設(shè)計(jì)為南北朝向，在冬天可以優(yōu)化太陽能的獲取。在供暖季節(jié)，南面的“熱流通區(qū)”可收集和儲存太陽熱能，這些熱能是從連接員工工作區(qū)的大型推拉門窗傳入。在需要制冷的季節(jié)，一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的懸挑屋頂就阻擋了陽光直射。毗鄰流通區(qū)域的遮蔽，用來接收十一月到一月的正午陽光，以及阻擋五月到七月的正午日照（圖2）。

圖2 能量傳導(dǎo)分析

圖3 餐廳內(nèi)景

圖4 展覽區(qū)高側(cè)窗采光

可開啟的窗戶保證室內(nèi)通風(fēng)，使氣流穿過南立面，到達(dá)更遠(yuǎn)的區(qū)域。一個(gè)開放式的廚房巧妙地布置在員工區(qū)的中心，從上部南向的高側(cè)窗采光（圖3）。充足的光照在主樓中心區(qū)域營造了一個(gè)充滿活力的社交空間。一排朝北的高側(cè)窗貫穿中心員工區(qū)，并且最北端的工作區(qū)還有可開啟的窗戶，以此可以直接觀景并提供了與場地的聯(lián)系。展覽區(qū)域?yàn)楸苊怅柟庵鄙?，使用了一個(gè)北向高側(cè)窗來提供間接照明（圖4）。

2.3 太陽能設(shè)計(jì)與高性能材料

建筑屋頂上有大規(guī)模的光伏陣列進(jìn)行現(xiàn)場發(fā)電（圖5）。設(shè)計(jì)師認(rèn)為太陽能設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的基礎(chǔ)：“太陽塑造了這個(gè)項(xiàng)目，你必須去感受陽光和氣候，這樣你就能解決更多的技術(shù)問題……一切始于太陽能收支平衡，這種能源收支決定了什么是可獲得的，你可以從太陽那里獲得多少能量，然后在能源收支平衡范圍內(nèi)設(shè)計(jì)建筑”。使用被動式策略進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)之后，設(shè)計(jì)師整合供熱、制冷、通風(fēng)、熱水和光電系統(tǒng)為一體再應(yīng)用到建筑中。設(shè)計(jì)師研究發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)零能耗建筑，大約需要280m2光伏電板用于產(chǎn)生建筑所需的能量。建筑獲取太陽能可通過三個(gè)途徑，包括被動式太陽能設(shè)計(jì)、主動式熱水系統(tǒng)和光伏陣列。設(shè)計(jì)師創(chuàng)造的獨(dú)立置換通風(fēng)系統(tǒng)通過建筑物地下管道加熱或冷卻空氣，并以0.018cfm/m2的量為建筑內(nèi)部輸送百分百的戶外空氣。太陽能熱水加熱系統(tǒng)滿足熱水需求，同時(shí)一個(gè)39.6kW的并網(wǎng)發(fā)電式光伏陣列每年可供應(yīng)61250kWh的電量。

圖5 建筑屋頂太陽能板

建筑整體采用高性能的玻璃、門、窗和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)來減少滲透，整體絕緣的建筑產(chǎn)生熱質(zhì)量是0.009Btu/h/m2，遠(yuǎn)低于ASHRAE（美國加熱冷凍及空調(diào)工程師協(xié)會）要求的0.021Btu/h/m2。獨(dú)立的制熱區(qū)可以被分開，也可以合并，這取決于工作區(qū)是否需要供熱或制冷。簡單的被動式設(shè)計(jì)策略結(jié)合可再生能源和機(jī)械系統(tǒng)，即可以滿足遺產(chǎn)中心全年的供熱、制冷、通風(fēng)和照明的需要。這表明在寒冷氣候條件下的建筑可以實(shí)現(xiàn)零能耗的生態(tài)目標(biāo)。

3 奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心對我國現(xiàn)代建筑節(jié)能設(shè)計(jì)帶來的啟示

奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心的成功告訴我們，一系列適度而周到的設(shè)計(jì)策略能夠?qū)崿F(xiàn)建筑零能耗，其對我國現(xiàn)代建筑節(jié)能設(shè)計(jì)有重要啟示意義。

3.1 建筑融合技術(shù)

零能耗建筑的發(fā)展離不開科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。太陽能光電系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)、高性能建筑外墻保溫系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)以及建筑內(nèi)部控制智能化等先進(jìn)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)建筑零能耗奠定了基礎(chǔ)。相較于歐美發(fā)達(dá)國家，我們的建筑技術(shù)仍相對較低，太陽能和地?zé)崮艿拈_發(fā)與利用仍受限于技術(shù)瓶頸，這就需要我們突破技術(shù)壁壘，轉(zhuǎn)化利用技術(shù)成果。

3.2 因地制宜地選擇適宜技術(shù)手段

我國幅員遼闊，氣候條件差異巨大，東部與西部的太陽能資源、風(fēng)力資源也相差巨大，因此，因地制宜地選擇適合本地區(qū)的技術(shù)手段尤為重要。東部沿海地區(qū)是我國最大風(fēng)能資源區(qū)，有效風(fēng)能密度大，有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間百分率達(dá)80%～90%，此地區(qū)建筑可以重點(diǎn)利用風(fēng)能進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。西部地區(qū)是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，尤以西藏西部最為突出，日輻射量高達(dá)6.4kWh/m2，居世界第二，此地區(qū)建筑可以利用太陽能發(fā)電取暖，同時(shí)解決高寒地區(qū)電力設(shè)施無法鋪設(shè)的問題。北部嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)則可以利用地?zé)崮軡M足冬季供暖[5]。

3.3 重點(diǎn)建筑示范引導(dǎo)

零能耗建筑相較于普通建筑而言，全壽命周期運(yùn)營成本低，但其一次性資金消耗較大，帶來的效益需數(shù)年甚至數(shù)十年才能顯現(xiàn)。因此，從我國國情出發(fā)，短期內(nèi)全面實(shí)現(xiàn)建筑零能耗仍不現(xiàn)實(shí)。制定分步發(fā)展計(jì)劃，重點(diǎn)地區(qū)實(shí)施，逐步推廣是行之有效的方法[6]。通過重點(diǎn)建筑示范引導(dǎo)，鼓勵(lì)業(yè)主積極嘗試使用零能耗建筑技術(shù)。同時(shí)，制定相應(yīng)的規(guī)范制度，引導(dǎo)與約束并重。

3.4 設(shè)計(jì)結(jié)合技術(shù)

單純從技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)建筑零能耗會造成資源極大浪費(fèi)，我們需要將設(shè)計(jì)與技術(shù)相結(jié)合，通過被動式設(shè)計(jì)方法，合理控制建筑體形系數(shù)、建筑朝向、內(nèi)外遮陽、自然通風(fēng)與采光、房間功能性布局，采用高性能窗戶與高性能保溫結(jié)構(gòu)，減少建筑對能源的依賴和建筑能耗損失。

4 結(jié)語

零能耗建筑有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，其對提高人們生活品質(zhì)，降低不可再生能源消耗，減少碳排放有著重要意義。奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心為我們指明了零能耗建筑的發(fā)展方向，被動式設(shè)計(jì)加主動式技術(shù)，是每一座新建筑都可以嘗試的方向，相信終有一天，我們也會沿著節(jié)能的道路實(shí)現(xiàn)建筑零能耗。