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【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

来源:中国超低能耗建筑分会作者:张时聪 吕燕捷 徐伟
文章附图


本文转自中国超低能耗建筑分会,作者为张时聪 吕燕捷 徐伟,本文已获作者授权转载


摘要 :超低能耗建筑以其更加舒适、更加节能、更高质量等技术特点在我国得到快速发展,中国建筑建筑科学研究院研究团队通过收集整理按照《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》已建成及在建的64栋超低/近零能耗建筑示范项目,对其能耗控制指标、所采用的主被动技术、可再生能源利用情以及增量成本变化趋势与分布组成等内容进行分析,并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/T51350-2019要求进行比对,发现64栋示范项目均达到国家标准中超低能耗建筑能耗控制指标要求,其中 32个示范项目达到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 引言


近年来,超低/近零能耗建筑作为节能建筑的一种高级表现形式,开始逐渐得到科学研究和各级政府的重视。徐伟[1]提出我国近零能耗建筑定义,并对指标体系进行了分析和阐述,由于近零能耗建筑在不同气候区所需技术路线有着不同的侧重点,相关气候区学者分别针对不同气候区展开系统性研究。


冯国会等人[2-4]对严寒地区近零能耗建筑围护结构性能及能源系统运行特点进行了研究,余镇雨[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展开对比研究,李峥嵘[6]针对夏热冬冷地区超低能耗建筑热工优化设计方法及负荷特点进行了研究。


除针对建筑负荷的分析研究外,对于近零能耗建筑相关部品的性能研究也在同时迅速展开,魏贺东[7-8]等人对被动式高气密性门窗的保温原理和安装工艺进行了系统的研发和测试,鲍宇清[9]等人研发了近零能耗建筑用岩棉外保温系统。吴自敏等人[10-11]将装配式建筑施工工艺与近零能耗建筑相结合,研发了装配式近零能耗建筑施工工法,解决了气密性和热桥难题,并成功应用于多项示范建筑。针对于近零能耗建筑的科学研究已逐渐趋向于成熟,从定义、设计方法,到部品、施工工艺,涵盖各个气候区,有力地支撑了示范项目的建设和政府政策制定。


2017年1月,国务院发布《“十三五”节能减排综合工作方案》[12],强调强化建筑节能工作,实施建筑节能先进标准领跑行动,开展超低能耗及近零能耗建筑建设试点。


2017年3月,住房和城乡建设部印发《建筑节能与绿色建筑 “十三五”专项规划》[13],对超低能耗建筑、近零能耗建筑提出明确要求:为加快提高建筑节能标准,京津冀、长三角、珠三角等重点区域城市率先实施高于国家标准要求的地方标准,积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范,提炼规划、设计、施工、运行维护等环节共性关键技术,引领节能标准提升进程,在具备条件的园区、街区推动超低能耗建筑集中连片建设。


开展超低能耗小区(园区)、近零能耗建筑示范工程试点,到2020年,建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万m2以上。


除国家政策推动外,各省市地方也相继发布补贴政策推动超低能耗建筑的发展,自2016年开始,部分省市相继发布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,7个省及自治区、13个城市共出台28项超低能耗建筑激励政策,相关政策主要包含以下几方面的内容:


1)明确发展目标。从政府层面发布未来3-5年辖区内超低能耗建筑规划面积,并对一定规模以上的开发用地实施保证一定比例超低能耗建筑面积的强制性规定;


2)财政补贴。作为最有效直接的刺激手段,不同省市纷纷依据自身实际情况制定补贴奖励;


3)容积率奖励。各省市在政策支持管理中对由于墙体外保温厚度增加造成的建筑面积损失经建筑面积核定后予以一定的奖励;


4)配套费用减免。示范项目不再增收土地价款和城建配套费用,项目竣工后通过专家评审的项目;


5)开辟绿色通道。办事流程优化,为超低能耗建筑项目报建手续开辟绿色通道。


住建部于2015年11月发布《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(居住建筑)》[14],首次提出以建筑能耗值为导向,综合考虑建筑能耗指标、气密性指标及室内环境参数,对建筑从规划、设计、建造、评价,到运营进行全过程控制。表1给出导则中能耗指标及气密性指标。


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随着《导则》的出台,对示范项目建设提出了新的要求,总结我国目前超低/近零能耗建筑的发展趋势,可以看出,我国超低/近零能耗建筑的发展目前尚处于整体起步阶段,试点示范取得初步成效,已带动相关政策、产业的发展,并正在向连片建设推进。虽然《导则》中并未明确规定对于超低能耗公共建筑的指标要求,但大部分示范项目按照节能率较GB20189—2015《公共建筑节能设计标准》节能60%以上为目标进行设计建造。





1 示范项目概况与能耗控制指标


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、在建的超低能耗建筑示范项目,并对其中具有代表性的64个示范项目展开技术经济分析。64个项目分别于2012—2019年期间建成,其中建筑类型涵盖居住建筑、办公建筑、学校建筑等常规建筑类型,以及康复中心、展览馆等特殊功能建筑。图1给出了各示范项目开建年份分布。


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从图1可以看出,2014年底我国示范项目总面积仅为4.7万m2,2015—2016年期间示范项目数量开始呈现快速增长态势,至2018年底,收集示范项目面积超过160万m2。由于示范项目收集的地域和类型限制,考虑到石家庄、郑州等政策对行业的推动作用,估算至2019年底,全国超低/近零能耗建筑总面积应已达800万m2


表2给出各类型示范项目气候区分布,可以看出项目主要分布在严寒和寒冷地区,示范项目个数55个,示范面积139.31万m2,占统计示范项目总面积的86.7%,夏热冬冷和夏热冬暖地区目前尚处于尝试阶段,主要以办公建筑和小型居住建筑为主,9个示范项目中有7个已经入住并取得良好的运行效果。


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图2给出不同建筑类型的示范项目面积,早期尝试阶段仍然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总面积为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,部分企业出于战略影响力考虑,将其员工宿舍楼、办公楼等进行超低能耗建筑尝试,起到较好的示范作用。


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1.2 居住建筑


图3给出居住建筑示范项目的一次能耗情况,目前居住建筑示范项目主要集中于寒冷地区,根据《导则》要求,居住建筑一次能源消耗低于60 kWh/(m2a),且气密性低于0.6次/h。居住建筑示范项目尚无严寒地区项目收录,寒冷地区示范项目由于良好的围护结构保温性能和气密性,冬季供暖能耗普遍降低50%~75%,夏热冬冷和夏热冬暖地区的示范项目由于充分采用高效设备系统和可再生能源,项目全年能耗水平也有明显降低。


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1.3 公共建筑


图4给出公共建筑示范项目的综合节能率,经统计,所有公共建筑示范项目综合节能率皆能够达到60%以上,其中9个示范项目相对节能率可达到80%以上,冬季完全不采用化石燃料供暖,夏季供冷负荷相较于常规建筑也有大幅降低。


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2 技术应用


从现有示范项目所应用的技术体系来看,我国超低能耗建筑发展的主要技术路线:以高性能围护结构和建筑整体气密性提升建筑保温性能,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用能系统,提升建筑整体能效,实现超低能耗建筑;通过可再生能源补充实现近零能耗或零能耗建筑。


2.1 非透光围护结构


目前示范项目围护结构采用的保温材料主要为岩棉、XPS、EPS,以及真空绝热板等,其中使用最为普遍的仍然是岩棉和XPS。


岩棉由于其较高的抗冲击性和良好的耐火防潮性能,以及较低的价格,在超低能耗建筑市场中一直占有较高的份额,64个示范项目中有48个示范项目使用岩棉;


XPS板的完全闭孔式发泡化学结构与其蜂窝状物理结构,使其具有轻便、耐久、高强度的特点,有33个示范项目采用;


EPS因具有较好的憎水性和耐久性,在建筑领域的应用也日益增多,64个示范项目中有17个示范项目采用;


值得一提的是,随着超低能耗建筑体量日益增大,功能日益复杂,同一项目通常会采用多种保温材料,根据对64个示范项目的研究统计,有45个示范项目根据建筑不同构造采用多种保温材料构建建筑整体保温系统,具体见图5。


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图6给出目前示范项目非透明围护结构保温性能,严寒和寒冷地区屋面传热系数控制在0.2W/(m2a)以下,较现行节能标准提升55~60%,外墙传热系数控制在0.17 W/(m2a)以下,较现行节能标准提升65%-80%。夏热冬冷和夏热冬暖地区外墙传热系数较严寒和寒冷地区相比,围护结构性能稍有放松,但仍远高于现行节能标准。


2.2 外窗性能


图7给出示范项目外窗传热系数,严寒和寒冷地区外窗的传热性能对冬季降低供暖需求有着重要意义,目前我国北方地区示范项目外窗传热性能基本可以达到0.8-1.0W/(m2a),较现行节能标准提升58%-60%。夏热冬冷和夏热冬暖气候区示范项目传热系数也控制在1.2 W/(m2a)以下,较现行节能标准提升40%。


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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和夏季空调供冷及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和整体气密性设计,可以有效提升建筑气密性。


64个示范项目其气密性设计目标全部控制在0.6次以下,其中17个示范项目已经完成现场检测验证,气密性均能达到设计目标,部分项目的气密性可以控制在0.2次,如图8所示。


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2.4 被动式建筑设计


通过对被动式技术的统计可以发现,目前我国不同气候区示范项目的被动式技术体系已经初步形成,除采用高性能外窗和墙体外,自然通风、外遮阳和自然采光是减少空调负荷和照明能耗的有效途径,同时,被动式手段的应用可以大幅提升室内环境的舒适度。


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图9给出示范项目所采用的主要被动式技术措施统计,其中63个项目强化了自然采光设计,61个示范项目在建筑设计阶段注意协调和利用自然通风降低冷热负荷;47个示范项目采用建筑外遮阳和中置遮阳;绿部分示范项目通过采用大面积生态绿植避免等方式调节室内温湿度,营造舒适的室内声场环境,目前绿植环境优化技术主要应用在公共建筑中。


除前述较为常用的被动式措施外,光导技术、蓄热技术及地道风设计由于受限于应用建筑体量,目前尚处于尝试阶段,统计中有12个示范项目采用光导管,8个项目采用楼板蓄热活储热罐蓄热系统,7个项目采用地道风设计有效降低热负荷。


2.5 主动式技术


主动式技术应用方面,超低能耗建筑主要集中于提升用能系统整体能效。图10给出示范项目中主要应用的主动式技术,包括空调系统和末端形式。


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通过图10可以看出,高效照明和节能电器是降低建筑整体能耗的有效途径,由于超低能耗建筑高气密性的特点,机械通风系统须配有热回收装置,目前示范项目中61个项目在机械通风系统中采用热回收装置,热回收的全热回收效率可以达到75%。


2.6 可再生能源利用


根据《导则》要求,可再生能源应用并非强制性要求,因此目前已建成示范项目的可再生能源应用还处于尝试探索阶段。图11为示范项目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于太阳能光伏利用、光热利用和热泵系统。其中办公建筑中多应用地源热泵系统,居住建筑应用中多应用空气源热泵。


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根据统计,目前居住建筑可再生能源提供量占建筑年能耗的10-25%,供能主要集中于冬季采暖和生活热水;办公建筑可再生能源提供量占比较高,占35-55%。


通过对示范项目进行技术分析,可以看出,早期我国超低能耗示范项目所采用的技术体系较大程度借鉴德国被动房技术体系,随着建筑体量逐渐增大,气候区不断扩展,技术相对成熟,建筑形式更加丰富,已逐渐形成超低/近零能耗建筑技术体系。





3 增量成本研究


3.1 发展趋势


对示范项目增量成本进行统计可以发现,我国超低能耗示范项目的增量成本呈逐年下降的趋势,如图12所示。其中居住建筑由于技术和市场逐渐成熟,增量成本从1300元/m2,降至600元/m2,降幅达53.8%,办公建筑增量成本从1620元/m2,降至800元/m2,降幅50.6%,学校类建筑增量成本主要集中在围护结构和空调新风系统方面,增量成本从1540元/m2,降至1000元/m2,降幅35.1%,公共建筑由于建筑形式、建筑体量变化较大,增量成本可能由于建筑外形、功能设计复杂而存在较大的差异性。


从2016-2018年间示范项目的整体发展情况来看,经过不断尝试,近零能耗建筑技术体系逐渐建立,从早期的完全摸索尝试阶段逐渐向以实际应用转变,示范项目也逐渐从多能源系统形式转向最适能源系统。需要说明的是,2016年统计的项目中很多为2012年开始建造的示范性建筑,因此增量成本相对偏高,同时,2017、2018年间,夏热冬冷地区项目增多,此气候区示范建筑增量成本较寒冷地区相对降低。


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3.2 增量成本分布


图13给出不同类型示范项目的增量成本分布。从图中可以看出,被动式技术依然是增量成本的主要来源,占总增量成本的47%~66%,其中对于居住建筑来说由于其他能源系统需求相对简单,被动式技术增量成本占比较为突出;


主动式技术所产生的增量成本占8%~20%,主要是由于末端系统复杂程度的增加,办公建筑中可再生能源系统占比较其他类型建筑相对较高,学校建筑由于在对人员新风处理有一定要求,新风及空调系统部分的增量成本相对较高;


可再生能源应用所带来的增量跨度较大,占8%~45%。随着建筑部品逐渐升级,产业逐渐形成,部品成本逐步降低,被动式技术成本增量将逐渐降低。


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4 技术指标对标国标《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/T51350—2019 [15](简称”GB51350”)正式发布,提出超低能耗建筑、近零能耗建筑和零能耗建筑3个建筑节能进一步发展目标,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更高表现形式。


根据建筑能耗综合值、建筑本体性能指标(包含供暖年耗热量、供冷年耗冷量、建筑气密性)、可再生能源利用率等指标对居住建筑进行划分;根据建筑综合节能率、建筑本体性能指标(建筑本体节能率、建筑气密性)、可再生能源利用率对公共建筑进行划分。本文将对64栋示范项目分别依据GB51350中居住建筑和公共建筑指标要求进行对标。


4.1 居住建筑


根据GB51350,建筑能耗综合值是衡量超低/近零能耗建筑的重要指标,其指在设定计算条件下,单位面积年供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯的终端能耗量和可再生能源系统发电量,利用能源换算系数,统一换算到标准煤当量后,两者的差值。


对于超低能耗居住建筑,其建筑能耗综合值应小于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)),同时可再生能源利用率≥10%。此外,GB51350还对不同气候区的供暖、供冷能耗进行了限值要求。


图14为24个居住建筑示范项目在GB51350下的能耗水平对标,其中12个示范项目达到标准中超低能耗居住建筑要求,12个示范项目达到近零能耗建筑示范项目要求,其中有3个示范项目虽然可再生能源应用比例较高,达到近零能耗建筑要求,但由于其建筑能耗综合值未能达到近零能耗建筑要求,仍然为超低能耗建筑。

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4.2 公共建筑


公共建筑由于建筑体量、建筑形式和建筑功能都相对多样,因此通过建筑综合节能率进行约束,对于超低能耗公共建筑,其建筑综合节能率应≥50%;对于近零能耗公共建筑,建筑综合节能率应≥60%,同时可再生能源利用率≥10%。需要指出的是,对于夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区,对超低/近零能耗公共建筑的气密性不作要求。


图15为40个公共建筑示范项目在GB51350下的对标,其中20个示范项目达到标准中超低能耗公共建筑要求,20个示范项目达到近零能耗建筑示范项目要求。


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4.3 小结


表3给出各气候区超低/近零能耗示范项目统计。按照GB51350能效指标要求,64个示范项目全部达到超低能耗建筑要求标准,其中32个示范项目达到近零能耗建筑要求。由于目前我国大部分示范项目,尤其是公共建筑,多以试点示范,技术尝试为主,项目设计初期定位较高,因此近零能耗建筑比例较高。


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5 结语


本文对我国已建成及在建的64个超低/近零能耗建筑示范项目进行了技术统计和分析,针对其围护结构性能、建筑气密性、被动式技术应用、主动式技术应用,以及可再生能源利用等技术环节进行了统计和评估,同时对各个项目的增量成本分布进行了统计,得到以下结论:


1)我国超低能耗建筑示范项目于2015年起进入快速增长态势,至2018年底,收集示范项目面积超过160万m2,估算至2019年底,全国超低/近零能耗建筑总面积应已达800万m2。目前示范项目主要分布在严寒和寒冷地区,占统计示范项目总面积的86.7%,夏热冬冷和夏热冬暖地区目前尚处于尝试阶段。64个示范项目中居住建筑和办公建筑总面积为154.43万m2,占示范项目总面积的96.1%。


2)通过对64个示范项目技术参数的比对研究可以得到,我国已逐渐形成从单一材料到复合集成的综合保温体系,严寒和寒冷地区示范项目外墙保温性能较现行节能标准提升65%~80%,外窗保温性能较现行节能标准提升58%~60%。夏热冬冷和夏热冬暖地区外窗传热系数也控制在1.2 W/(m2·a)以下,较现行节能标准提升40%。


3)我国超低能耗示范项目的增量成本呈逐年下降的趋势。其中居住建筑由于技术和市场逐渐成熟,增量成本从1300元/m2,降至600元/m2,降幅达53.8%,办公建筑增量成本从1620元/m2,降至800元/m2,降幅50.6%,学校类建筑增量成本从1540元/m2,降至1000元/m2,降幅35.1%,公共建筑由于建筑形式、建筑体量变化较大,增量成本可能由于建筑外形、功能设计复杂而存在较大的差异性,但整体增量成本仍呈现明显下降趋势。


4)将64个示范项目按照国家标准GB51350中指标要求进行对标,可以得到,目前64个示范项目全部达到超低能耗建筑要求标准,其中32个示范项目达到近零能耗建筑要求。

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[14] 中华人民共和国住建部. 被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑).2015

[15] 中华人民共和国住建部.GB/T 51350-2019 近零能耗建筑技术标准[S].北京:中国标准出版社,2019.