1 引 言

全球范围内建筑运行能耗占全社会终端能耗的平均比例约30%。相关统计表明，广义的建筑能耗总量占社会总能耗的50%左右，同时排放的二氧化碳约占全社会总排放量的50%。建筑能耗的不断增长引起了各国的高度重视，为此许多国家不仅制定了节能法，还专门制定了一系列建筑节能法规、标准，且不断修订。

早在1979年，在加拿大和北欧国家，特别是瑞典，就提出了“低能耗建筑”（Low Energy Building, 简称LEB）的概念。在国际上对低能耗房屋比较公认的理解是：低能耗房屋就是在现有的耗能标准的基础上，将单位面积的年采暖能耗量减少一半。例如在瑞典，低能耗房屋就是每平方米年采暖耗能量不高于70kWh。

目前国际有关文献中，又常常使用更为准确的定义，即：低能耗房屋就是单位使用面积单位采暖度日数的年采暖耗能量为0.02 kWh/(m2•Kd)。尽管各地的气候条件和采暖标准（室内设计温度）有所不同，如图1所示，但这样的定义则能够比较统一地表达房屋的保温性能。低能耗建筑通常特点包括：良好的保温、节能窗、热回收、可再生能源利用。欧洲建筑性能指南（Energy Performance of Buildings Directive，简称EPBD）在2008 年对17 个欧洲国家进行的调查显示，各国的LEB 概念包括“低能耗建筑”、“高性能房屋”、“被动式房屋”、“节能住宅”、“三升油住宅”等。

图1  欧洲低能耗建筑的定义与数值

欧洲几个主要国家有关本国低能耗建筑的发展目标及政策，如表1所示。

表1 欧洲主要国家低能耗建筑的发展目标及相关政策

国家	发展目标及政策
奥地利	自2015年起，只有被动式建筑可享受补贴
丹麦	到2020年，所有新建建筑比2006年标准节能75%。具体步骤为：到2010年，节能25%；到2015年，节能50%
芬兰	到2010年，节能30%~40%；到2015年，被动房标准
法国	到2020年建筑运行不可再采用化石燃料
匈牙利	2020年新建建筑零能耗
爱尔兰	2010年节能60%，2013年零能耗建筑
新西兰	2010年节能25%，2015年节能50%，2020年零能耗
英国（英格兰和威尔士）	2013年基本达到被动房水平，2016年零能耗
瑞典	以1995年建筑总能耗为标准，2020年节能20%，2050年节能50%

 

自上世纪80年代至今我国的建筑节能取得了巨大成就，居住建筑（北方采暖地区）节能设计标准要求（三步节能）已接近发达国家；公共建筑单位面积建筑能耗（二步节能）低于发达国家，特别是北美。然而我国建筑总量巨大，未来20年内每年都将会增加20亿平方米建筑；按目前的单位面积建筑能耗水平，分配给建筑领域的一次能源不足以支撑预期的建筑总量；由此，需进一步降低单位建筑面积能耗，实现建筑能耗总量的增加速度明显低于建筑总量的增加速，为此需要超低能耗建筑。我国低能耗建筑也宜开展十余年，2008～2009年住建部共评选了46项低能耗示范项目，居住建筑27项，公共建筑19项，面积分别约为542万m2、101万m2。其中北方严寒和寒冷地区26个项目，约占项目总数的56%。

目前，国内外建造超低能耗建筑逐渐成为趋势 ，认识逐渐清晰：

（1）在有采暖需求的区域建设更容易实现超低能耗目标；

（2）公共建筑实现超低能耗目标非常不容易，如果再加上造价合理就更不容易；

（3）实现建筑的超低能耗目标需要：

1）优化的设计，基于能耗目标，同时考虑技术成本；

2）高效率的用能设备，勿以善小而不为；

3）良好的施工与测试和调试，实践中调试做的非常不理想；

4）到位的运行管理，责任心+专业+监测和自动控制。

（4）实现超低能耗建筑的基本技术路线：被动优先+主动优化+应用可再生能源。

建筑物在其建造、使用、拆除等全寿命期内需要消耗大量资源和能源，同时往往还会造成对环境的负面影响。为此，在实现建筑超低能耗的同时，应追求绿色建筑，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生。

2 超低能耗绿色建筑设计方法

建筑师在建筑设计过程中主动地合理利用各种保温隔热措施以及自然通风、遮阳等设计手段以适应地区气候特点，节约能源、利用太阳能等可再生能源，是建筑节能的主要途径。建筑能耗的控制体现在两方面，一是降低能量需求，一是努力改变能源结构，提高可再生能源的贡献率。

2.1 合规设计

目前的建筑设计，以合规设计为主，主要表现为满足各种国家、行业标准及规范，但实际建成建筑的能耗往往偏离设计值。为此，需要转变设计理念、调整设计逻辑、丰富设计工具，具体表现在：

（1）合规设计（或称为处方式设计） → 有能耗限值的设计  —— 基于能耗限值的性能化设计 → 设计阶段对建筑的能耗进行量化控制；合规设计，易于操作、易于评价，表现为相互关联的整体分解为众多“条目”（规范条文），但存在按节能设计标准，却没有充分节能；较多的设计以对标为根本，虽然以节能技术为出发点和落脚点但不关注建筑的能耗表现；节能技术孤立堆砌，而非适用节能技术的整合。

（2）按专业划分的孤立设计 → 围绕 建筑功能与能耗目标的整合设计；

（3）单项直达的设计逻辑 → 循环迭代的设计逻辑

（4）模拟分析工具 —— 性能化设计的必要工具，贯穿设计的全过程，特别是方案与初步设计阶段，不再是“花瓶”

2.2 性能化设计

性能化设计是基于能耗目标与模拟分析的超低能耗建筑设计方法，主要包括以下内容：首先确定实现超低能耗的能耗目标与技术路线，通过建筑能耗动态模拟分析，优化建筑设计、合理组合被动节能技术、确定建筑供暖、空调、照明的负荷与计算周期内的能量需求；根据使用要求确定生活用热能量需求；根据各用能系统的能耗权重与节能技术成本，筛选主动节能技术；根据能源条件、技术支撑及其非技术因素的可实施性，确定利用能源的类型与利用方式；将以上分析结果整合成完整的建筑过程设计。

性能化设计，实现以能耗限值为目标的节能技术优化整合，避免了技术采用的盲目性，提高了节能投资收益，实现能耗限值下的节能投资成本最低或固定节能投资成本下的节能最大化；但存在设计难度大，周期长；设计成果评价难度高，即性能化设计的体现为：不规定具体的节能措施组合，只强调建筑的最终能耗表现，具体表现为：

（1）控制单项建筑围护结构的最低传热系数 → 建筑物整体能耗的控制；

（2）千篇一律的节能技术组合 → 形成适合项目当地气候特点建筑节能技术体系；

（3）不论节能投资收益的技术展示 → 基于全生命期成本的适宜技术优化集成。

建筑首先应基于当地的气候条件、环境资源与能源状况，即通过现场的勘察，气象资料的分析可以获得场地的详细信息；其次，应对建筑的功能需求进行详细的界定，确定建筑系统的能量需求，同时分析通过被动式技术可以解决的部分；第三，根据上述，结合当地的气候条件、经济水平等，选择适宜高效的主动式能源系统，既充分考虑了被动式的节能效果，又提升了系统整体的能效水平；第四，通过用户测节能，即运行管理技术，确保各个技术措施都落在实处，确实降低了建筑的能耗，性能化建筑设计的流程，如图2所示。

图2  超低能耗建筑设计流程

3 超低能耗绿色建筑技术

3.1 概述

世界和我国都在通过低能耗、超低能耗、零能耗示范建筑，探索实现建筑超低能耗、接近零能耗、乃至零能耗的技术途径。已有的实践表明，通过被动式节能设计降低建筑能耗需求，提高建筑设备的运行效率降低能耗水平，最大限度利用可再生能源满足与平衡建筑能耗需求，建设超低能耗甚至零能耗建筑仅从技术角度是可能。但技术的可能不等于技术经济及综合其他因素的可行，例如国内目前示范项目暴露的突出问题之一就是虽然技术可行，但由于堆砌了过多的单项节能技术而造价过于高昂。过于高昂的造价，势必影响此类建筑的推广。

超低能耗绿色建筑技术体系，第一层面的节能是被动式节能技术，其核心理念强调直接利用阳光、风力、气温、湿度、地形、植物等场地自然条件，通过优化规划和建筑设计，实现建筑在非机械、不耗能或少耗能的运行模式下，全部或部分满足建筑采暖、降温及采光等要求，达到降低建筑使用能量需求进而降低能耗，提高室内环境性能的目的。被动式技术通常包括自然通风，天然采光，围护结构的保温、隔热、遮阳、集热、蓄热等方式。

第二层面是主动式技术，是指通过采用消耗能源的机械系统，提高室内舒适度，通常包括以消耗能源为基础的机械方式满足建筑 采暖、空调、通风、生活热水等要求，其核心是提高用能系统效率、减少能源消耗；

第三是可再生能源利用技术，如太阳能热水、太阳能供暖、太阳能光伏、风力发电、地源热泵等，虽然其也是主动式技术，但是针对其消耗的是可再生能源，为此对其进行单独分析，其核心是环保、可持续；这些技术的实施，最终目的是确保建筑的超低化石能源能耗。

超低能耗绿色建筑技术体系的逻辑关系，如图3所示。

图3  超低能耗建筑技术体系

3.2 被动式技术

“被动式”节能技术主要可以分为两部分，一部分是根据当地气候条件和场地情况进行建筑设计的合理布局，进而降低建筑本体的能量需求；另一部分是采用符合建筑所在的地区地理气候、人为的构造手段，结合建筑师们的巧妙构思，降低建筑自身用能。其主要目标是以非机械或电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术，通过在建筑规划及单体设计中对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑开口设计等实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗的降低。

建筑造型及围护结构形式对建筑物性能有着决定性影响。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。不同的建筑设计形式会造成能耗的巨大差别，然而建筑作为复杂系统，各方面因素相互影响，很难简单地确定建筑设计的优劣。这就需要利用动态计算机模拟技术对不同的方案进行详细的模拟预测和比较，从而确定初步建筑方案，如图4所示。随后基于单位面积能耗限值，进行详细的能耗分析，从而确定建筑围护结构的热工性能，建筑冷热源系统的负荷及系统形式。

图4  超低能耗计算机辅助设计流程

（1）建筑合理布局，良好的被动式设计或具有能源意识的建筑，应在建筑设计伊始，就结合当地的气候特征，充分考虑地形、地貌和地物的特点，对其加以利用，创造出建筑与自然环境和谐一致，相互依存，富有当地特色的居住、工作环境，充分考虑建筑的朝向、间距、体形、体量、绿化配置等因素对节能的影响，通过相应的合理布局降低用能需求，同时也能为“主动式”节能措施提供良好的条件。在建筑单体设计中，体形复杂、凹凸面过多的外面表对全年空调采暖的建筑节能不利，原则上应尽量减少建筑物外表面积，适当控制建筑体形系数。研究表明，体形系数每增大0.01，能耗指标增加2.5%，体形系数小于0.3更利于节能。一般情况下，在相同体积的建筑中，以立方体的体形系数最小。

（2）被动式太阳能采暖，被动式太阳能采暖是一种吸收太阳辐射热的自然加温作用，它引起的升温，会使热量从被照射物体表面流向其它表面和室内空气，同时也是建筑物内部结构的蓄热过程。而蓄热在昼夜循环时又可用于调整太阳得热的过剩或不足，并且它也成为设计时要考虑的关键一步。虽然任何的外部建筑构件够可以和玻璃结合起来为被动式太阳能采暖创造条件，但必须对居住情况、空间的使用情况以及室外条件慎重考虑。被动式太阳能采暖需要依靠下面一个或多个条件：窗户、高侧窗和天窗，这些构件可以使居住空间见到阳光。

（3）自然通风，建筑设计应以当地主导气候特征为基础，通过合理的布局与形体设计创造良好的微气候环境，组织自然通风。现代建筑对自然风的利用不仅需要继承传统建筑中的开窗、开门及天井通风，更需要综合分析室内外实现自然通风的条件，利用各种技术措施实现满足室内热舒适性要求的自然通风。不仅需要在建筑设计阶段利用建筑布局、建筑通风开口、太阳辐射、气候条件等来组织和诱导自然通风；而且需要在建筑构件上，通过门窗、中庭、双层幕墙、风塔、屋顶等构件的优化设计，来达到良好的自然通风效果。

（4）自然采光，自然采光可分为直接采光和间接采光，直接采光指采光窗户直接向外开设；间接采光指采光窗户朝向封闭式走廊（一般为外廊）。自然采光的合理利用可以显著降低建筑照明能耗，但是利用自然采光最常用也是最经济的措施是增大建筑的窗墙比，而窗墙比的增加，在夏季会引起太阳辐射得热量增大，冬季和引起室内热量的散失，所以设计不当可能造成虽然自然采光有效降低了照明能耗，但是窗墙比过大造成了空调能耗的大幅提高。现代自然采光技术可分为侧窗采光系统、天窗采光系统、中庭采光系统和新型天然采光系统（如导光管、光导纤维、采光搁板、导光棱镜窗），随着科学技术的发展，也出现了一些新型采光材料，如光致变色玻璃、电致变色玻璃、聚碳酸酯玻璃、光触媒技术等。

（5）围护结构节能技术，建筑围护结构指的是围绕着建筑供暖和制冷区域的建筑结构，包括建筑外墙、楼板和地面、屋顶、窗户和门。建筑物的能耗主要由其外围护结构的热传导和冷风渗透两方面造成的。按照能量路径优化策略，建筑外围护结构的节能措施集中体现在对通过建筑外围护结构的热流控制上。设计保温围护结构是建筑节能设计的第一层面，良好的保温围护结构可降低采暖和降温的需求。建筑围护结构要实现的功能主要有视野、采光、遮阳与隔热、保温、通风、隔声等六大方面，这些功能并非孤立存在，它们是彼此相互关联、相互矛盾的。在我国公共建筑中，窗的能耗约为墙体的3倍、屋面的4倍，约占建筑围护结构总能耗的40%~50%。

（6）被动式节能技术的节能潜力和设计要素指标，选择适合当地条件的“被动式”节能技术，可用4%~7%的建筑造价达到30%的节能指标，建筑节能的回收期一般为3~6年，在建筑的全寿命周期里，其经济效益是显而易见的。

综上所述，通过各类模拟分析，如自然采光模拟、风环境模拟，进行建筑方案优化，进而选择合理的建筑形态与围护结构措施与参数，降低建筑的能量需求。

3.3 主动式技术

用于调节建筑物室内物理环境舒适的耗能设备系统中，空调和照明系统在大多数民用非居住建筑能耗中所占比例较大，其中仅空调系统的能耗就占建筑总能耗的50%左右，是主要的节能控制对象；而照明系统能耗占30%以上，也不容忽视。建筑设备系统的节能措施主要应用在以下三个方面：第一，建筑能源的梯级利用，根据建筑不同用能设备和系统等级的划分，优先满足用能品位高的设备和系统，利用这些设备和系统释放的能量满足用能品位低的下游设备和系统。如能源回收技术。第二，选用高能效的设备。当必须使用空调设备才能满足室内热舒适要求时，要采用高效节能的空调设备或系统，如高效光源与高效灯具、高效电机、节能电梯、节能性配电变压器等；第三，制定合理的建筑耗能设备的运行方式和控制管理模式，提高系统整体的运行效率。

以某项目为例，其年供热量8000GJ，依据能源边界条件，热源形式有四种选择，相应一次能源中的化石能源消耗与CO2排放，如表2所示。

表2  不同冷热源型式的化石能源消耗和CO2排放量

 备注：燃气热值8500kcal/Nm3、折算系数1.964；0.347kg标准煤/kWh电、折算系数2.66

（1）热泵技术，通过热泵技术提升低品位热能的温度，为建筑物提供热量，是建筑能源供应系统提高效率降低能耗的重要途径，也是建筑设备节能技术发展的重点之一。热泵技术的优势在于利用一些高品位的能源，如：电力、燃气、蒸汽等，提取低品位能源中的热量供应建筑需求。在建筑供热方面，由于技术所限，现在可知的可完全保证的基本供热方是主要以燃料燃烧供热为主。而在燃烧过程中不可避免的产生能量损失，因此采用燃烧方式的COP永远小于1。由此可知，热泵的优势在于建筑供热领域。热泵技术的利用方式主要分别为空气源热泵、水源热泵、地源热泵，以及三类热泵的耦合利用。

（2）温湿度独立控制技术，温湿度独立控制空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，从而避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。由于温度、湿度采用独立的控制系统，可以满足不同房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高（或过低）的现象。“低温供热、高温供冷”——提高制冷制热能效、利于低品位能源利用。

（3）能源梯级利用，化石能源，应采用能源梯级利用技术，即首先利用能源高能级段做功能力发电，产生的余热，由于其品位与建筑供热、制冷所需能源品位对应，可直接用于供热、制冷。

（4）建筑能耗监测级管理系统节能技术，设计应按实现“部分空间、部分时间”的要求，进行用能系统划分、制定控制策略；优化用能系统关键参数 —— 提高系统能效比。这就需要对建筑设备系统的运行特性参数进行监测和统计分析，开展建筑节能运行管理，其实将建筑主动式技术的能效特性发挥出来。

3.4 可再生能源利用技术

可再生能源建筑应用技术，主要包括地源热泵、太阳能光热、光伏及风能等，目前，以热泵与太阳能光热的利用节能减排效果好，性价比高，热泵最应受到重视。

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。

建筑的太阳能光热利用技术主要包括太阳能供热技术、太阳能制冷技术、太阳能光热发电等。推荐采用与建筑一体化的太阳能利用方式，如光伏建筑，其不仅是简单的将光伏与建筑相加，而是根据节能、环保、安全、美观、经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系融入建筑领域，对于新建的光伏建筑要纳入建设工程基本建设程序，同步设计、施工、验收，与建设工程同时投入使用，同步后期管理。光电建筑应用主要有：光伏屋顶、光伏幕墙、光伏雨棚、光伏遮阳板、光伏阳台、光伏天窗等。

太阳能光伏系统在建筑中的广泛应用，具有以下优势：

（1）可舒缓夏季高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾。

（2）可实现原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。

（3）节省城市土地光伏组件可有效地利用建筑围护结构表面，如屋顶或墙面，无需额外用地或增建其他设施。

（4）避免了由于使用化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，降低CO2等气体的排放。

BIPV是目前世界光伏发电的主要市场之一，联合国能源机构的调查报告显示，BIPV将成为21世纪城市建筑节能的市场热点和最重要的新兴产业之一。近年来，以与建筑相结合为重点的并网发电的应用比例快速增长，已成为光伏技术的主流应用、光伏发电的主导市场。

建筑师要尽量通过建筑设计而不是单纯依靠设备系统的“提供”和“补救”来保证良好的建筑微气候环境。因此，超低能耗建筑的整体设计思路应该是在建筑设计整体设计思路的基础上，首先应以被动优先、主动优化的原则降低建筑能耗需求，提高能源利用效率，然后通过现场产生的可再生能源替代传统能源，以降低化石能源消耗。