近零能耗建筑全生命周期的關鍵技術研究

杜志芳，曾 寅，趙 龍

（河北軟件職業(yè)技術學院，河北 保定 071000）

一、引言

伴隨著全球經濟的快速發(fā)展，能源危機及環(huán)境問題隨之而來。從全球建筑能耗占比和中國建筑能耗占比來看，建筑領域是能源消費和碳排放的“大戶”，建筑從建造到使用終止的整個生命周期都會消耗大量的能源。從世界范圍來看，歐洲作為世界上建筑節(jié)能領域發(fā)展最為先進的地區(qū)，早在2010年就提出了逐步通過近零能耗建筑的普及，向零能耗建筑和產能房的目標邁進；自2020年起歐盟的27個國家必須采用被動房建設標準，所有新建建筑達到“近零能耗建筑”要求。美國也明確了建筑節(jié)能戰(zhàn)略目標：在2020年“零能耗住宅”可市場化；到2030年所有的新建商業(yè)建筑達到近零能耗狀態(tài)等。隨著我國協(xié)同推進新型城鎮(zhèn)化與鄉(xiāng)村振興，響應“30·60”雙碳目標等，近零能耗建筑滿足高舒適度和低能耗的雙重要素成為各級政府綠色建筑管理部門的主要扶持和發(fā)展方向，正面臨規(guī)?；?、區(qū)域化發(fā)展的新形勢。隨著國家標準《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350—2019）的頒布實施，我國超低/近零能耗建筑進入快速發(fā)展階段。無論是從可持續(xù)發(fā)展角度還是民生建設需求角度，加快推廣超低能耗建筑和近零能耗建筑意義重大，同時對助力實現“碳達峰”“碳中和”目標具有重要意義。

二、近零能耗建筑及其在我國的發(fā)展

“近零能耗建筑”的理念來自于德國的“被動房”。邁向零能耗建筑的過程中，根據能耗指標可劃分為：超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑。近零能耗建筑是指適應氣候特征和場地條件，通過降低能耗的被動設計技術和主動技術措施，最大程度地運用當地可再生能源，在運行階段以最少的能源消耗提供更舒適的室內環(huán)境的建筑。近零能耗建筑其室內環(huán)境參數和能耗指標須符合我國相關標準規(guī)范，零能耗建筑是近零能耗建筑發(fā)展的更高層次，可實現建筑使用過程的低碳化、零碳化。推動建筑邁向近零能耗，實現建筑達到零能耗是全球的發(fā)展趨勢。

我國在被動式超低能耗建筑領域的發(fā)展超過十年，當前，已邁入建設超低能耗建筑的新階段，在有條件的地區(qū)率先推行近零能耗建筑，最終實現建筑零能耗。近零能耗建筑要求建筑物必須在能源消耗、熱負荷和室內環(huán)境參數等方面符合特定的標準，其主要技術思想體現在三個方面：一是充分考慮室外氣候條件和自然環(huán)境條件，氣候條件是影響建筑能耗的重要因素，每個地區(qū)都有自己的氣候條件，被動式近零能耗建筑應與之相適應，因地制宜地選擇高保溫隔熱與高密閉性的建筑圍護結構、建筑無熱橋處理等適應氣候的技術；二是實現超低能耗/近零能耗的能耗標準，通過自然通風、自然采光和建筑遮陽等設計，降低建筑能耗需求，并充分考慮可再生清潔能源的使用，實現近零能耗的目標；三是符合高質量的室內環(huán)境參數及室內熱舒適標準，提高建筑圍護結構的氣密性，增加居住舒適度，同時，選取超低能耗、新型環(huán)保建筑材料。

三、近零能耗建筑建造的關鍵技術

我國零能耗建筑起步較晚，超低能耗/近零能耗建筑全生命周期技術及相關體系還亟待發(fā)展，需要科學的規(guī)劃設計、精細的施工和智慧化運行，這也是近零能耗建筑建造三個階段的關鍵技術應用。

（一）設計階段的應用

通過近零能耗建筑優(yōu)化設計，利用最先進的建筑材料以及節(jié)能設備，在建筑的初期階段將近零能耗建筑的能耗和成本降到最低。

1.建筑圍護結構高性能優(yōu)化設計

近零能耗建筑包括綜合利用被動式節(jié)能技術的建筑。建筑能耗的75%是由圍護結構傳熱造成的，外圍護結構（外窗、外墻、屋頂、地面等）設計是近零能耗建筑節(jié)能的關鍵。第一，近零能耗建筑外墻設計。影響外墻保溫隔熱性能的主要因素是其結構設置和所使用的材料。從結構上來看，外墻保溫方式有內保溫、夾心保溫和外保溫，可通過增加保溫層厚度和外墻高密閉性技術來提高保溫隔熱性能。從材料上來看，外墻常用的保溫材料有加厚的石墨聚苯乙烯板（GEPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）、250mm巖棉/雙層等。第二，近零能耗建筑屋面設計。從結構上來看，屋面保溫主要有架空式保溫層面、通風屋頂、反射屋頂等措施。從材料上來看，屋頂保溫層應保持連續(xù)性，優(yōu)先選用高性能保溫隔熱材料。第三，被動式建筑外窗設計。外窗系統(tǒng)是建筑圍護結構保溫的薄弱環(huán)節(jié)，窗框部位易引起熱橋效應，是影響圍護結構保溫、防水和氣密性的關鍵部分。從結構上來看，主要參數考慮建筑的窗墻比、材質和氣密等級。從材料上來看，常用的被動式窗系統(tǒng)通常窗框大多選擇鋁包木、PVC包PS型材等，玻璃則采用三玻兩腔中空玻璃等高性能材料，例如，鋁包木三玻兩空窗、PVC包PS型材三玻兩空窗等。第四，近零能耗建筑無熱橋、高氣密性設計。建筑氣密性設計參數主要考慮建筑氣密層的位置、氣密層的連貫性及氣密層材料。無熱橋設計注重保證圍護結構的保溫連續(xù)性，重視縫隙的密封以及各構件保溫連接易形成熱橋部位細部節(jié)點的無熱橋處理措施。由此，通過對圍護結構的“被動”保溫技術綜合設計優(yōu)化，來提高建筑的保溫、氣密性，從而保持房屋內部適宜的居住溫度，大幅降低房屋總能耗。

2.重視自然通風、采光設計

近零能耗建筑設計需要根據自然條件和場地條件，更多利用自然通風、自然采光和建筑遮陽的平衡進行合理的節(jié)能。建筑首先需要滿足保溫隔熱的基本要求，同時實現自然通風以及自然光采集。良好的自然通風設計可以減少15%的空調運行時間。在進行室內自然通風優(yōu)化設計時，應考慮朝向、合理布置門窗位置、窗墻比、遮陽等，使建筑獲得最大限度的自然采光和通風。通過自然通風實現建筑物夏季降溫，改善室內空氣質量。另外，設置高效新風熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)由新風系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)組成，新風系統(tǒng)保證室內空氣質量高，同時通過回收利用排風中的能量降低建筑能耗需求。自然采光具體設計靠窗地面積比、窗墻面積比來控制，同時注重實現采光和遮陽的平衡。

3.推進可再生能源建筑應用

近零能耗建筑指對不可再生能源的消耗為零，用能主要是太陽能、地熱能、風能等清潔能源?！督隳芎慕ㄖ夹g標準》（GB/T51350-2019）中規(guī)定：對于近零能耗公共建筑和居住建筑的可再生能源利用率需大于10%。此外，可再生能源作為實現我國2035年能源轉型的主力能源，建筑領域應用重點包括太陽能光熱、太陽能光伏、淺層地熱能以及生物質能利用等形式。設計人員需綜合考慮當地的資源和建筑自身條件，因地制宜發(fā)展太陽能光熱、太陽能光伏、地源熱泵供暖供冷以及空氣源熱泵系統(tǒng)等應用，解決建筑空調采暖、熱水供應及照明能源需求問題，推進建筑技術整體能耗的降低。隨著近零能耗建筑規(guī)?；茝V，亟需進一步提升建筑中可再生能源應用比例，從而降低建筑成本。

（二）施工階段的應用

近零能耗建筑是追求細節(jié)的建筑，施工階段每個細部節(jié)點都需要精細化的施工工藝和質量控制。

1.加強對施工和管理人員的專業(yè)培訓

現階段，我國近零能耗建筑處于發(fā)展和推廣階段，為實現高保溫隔熱及氣密性，近零能耗建筑的圍護結構相較于傳統(tǒng)建筑結構更加復雜，施工技術、建材標準均高于普通建筑，這對建筑施工企業(yè)的員工素質和能力水平提出了更高要求。建筑企業(yè)需要選擇經驗豐富、技術能力強的施工人員，注重加強專業(yè)性技術培訓，幫助相關人員快速掌握相關關鍵技術和具體施工工藝，提高現場工程師、施工人員的專業(yè)素養(yǎng)和能力水平，以實現近零能耗建筑專業(yè)化施工。

2.重視高質量材料、設備的選取

近零能耗建筑關鍵技術參數對建筑材料、設備提出了非常高的要求。近零能耗建筑保溫材料的厚度是普通建筑材料厚度的2~3倍，且對窗戶、保溫材料等也有更高的標準。采購人員必須合理控制材料設備采購程序，將帶有綠色建材標識或者高性能節(jié)能標識的材料和設備作為首選，對進入到施工現場的建筑材料，根據規(guī)定的復驗程序進行復驗，以保證施工材料和設備均符合近零能耗建筑的特殊要求，保證施工技術與時俱進，從而提升近零耗建筑施工的整體質量。

3.全面提高施工質量

在建造過程中，近零能耗建筑保溫結構的連續(xù)性、建筑整體氣密性和無熱橋處理等都需要精細化的施工和管理。一方面，加強施工全過程管理?，F場工程師要提高施工質量管理和控制水平，需要明確高性能圍護結構、被動式門窗技術的施工標準，制定科學合理的施工方案，保證每一項施工內容都有相對應的質量管理措施。實現全過程、精細化管理，對施工中容易產生熱橋和影響氣密性的施工部位格外重視，并認真細致地做好施工細節(jié)的控制和管理。另一方面，保障施工人員在作業(yè)時操作規(guī)范。從保溫層、外窗安裝、高效新風熱回收系統(tǒng)、被動式脹栓加固等安裝到整個建筑完成都需要精準施工。氣密層和冷熱橋在很大程度上影響了建筑的整體效能，因此應根據相關施工規(guī)范，保證建筑的氣密性，實現保溫層的連續(xù)，外墻板拼縫保溫節(jié)點、外窗保溫節(jié)點、穿墻管保溫節(jié)點等部位的冷熱橋斷橋處理及精細化施工，從而切實有效地保證建筑工程施工質量。

（三）運行維護階段

暖通空調等系統(tǒng)的運行和管理是建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)，應構建能耗、能效一體化運行管理體系。建筑運行維護階段，除了采用能耗較低的采暖、空調方式等，采用智能化的用能控制技術，實現采暖、空調、照明及電梯、可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行是實現建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。建筑運行期間，以環(huán)境舒適度和系統(tǒng)能耗為目標，一是結合實際情況進行能耗使用情況分析，實現能源系統(tǒng)精細化運行管理。二是實時監(jiān)控建筑物的內采暖、空調等運行過程，根據運行記錄或異常情況分析，及時發(fā)現、處理系統(tǒng)運行中的問題，從而提升建筑用能系統(tǒng)的效率。

四、結語

我國政府明確提出2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，“近零能耗建筑”納入十四五規(guī)劃和2035遠景目標。近零能耗建筑作為一種健康舒適、綠色節(jié)能的高品質建筑，各地在推進的同時，需要根據各自的條件選擇適合的技術路線，將建筑全生命周期系統(tǒng)化集成設計、精細化施工、智慧化運營等關鍵技術應用到實踐中，從整體上降低建筑行業(yè)的能源消耗，同時為改善建筑人居環(huán)境和促進我國建筑節(jié)能技術達到世界領先水平作出貢獻。