近零能耗建筑全生命周期的关键技术研究

杜志芳，曾 寅，赵 龙

（河北软件职业技术学院，河北 保定 071000）

一、引言

伴随着全球经济的快速发展，能源危机及环境问题随之而来。从全球建筑能耗占比和中国建筑能耗占比来看，建筑领域是能源消费和碳排放的“大户”，建筑从建造到使用终止的整个生命周期都会消耗大量的能源。从世界范围来看，欧洲作为世界上建筑节能领域发展最为先进的地区，早在2010年就提出了逐步通过近零能耗建筑的普及，向零能耗建筑和产能房的目标迈进；自2020年起欧盟的27个国家必须采用被动房建设标准，所有新建建筑达到“近零能耗建筑”要求。美国也明确了建筑节能战略目标：在2020年“零能耗住宅”可市场化；到2030年所有的新建商业建筑达到近零能耗状态等。随着我国协同推进新型城镇化与乡村振兴，响应“30·60”双碳目标等，近零能耗建筑满足高舒适度和低能耗的双重要素成为各级政府绿色建筑管理部门的主要扶持和发展方向，正面临规模化、区域化发展的新形势。随着国家标准《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的颁布实施，我国超低/近零能耗建筑进入快速发展阶段。无论是从可持续发展角度还是民生建设需求角度，加快推广超低能耗建筑和近零能耗建筑意义重大，同时对助力实现“碳达峰”“碳中和”目标具有重要意义。

二、近零能耗建筑及其在我国的发展

“近零能耗建筑”的理念来自于德国的“被动房”。迈向零能耗建筑的过程中，根据能耗指标可划分为：超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑。近零能耗建筑是指适应气候特征和场地条件，通过降低能耗的被动设计技术和主动技术措施，最大程度地运用当地可再生能源，在运行阶段以最少的能源消耗提供更舒适的室内环境的建筑。近零能耗建筑其室内环境参数和能耗指标须符合我国相关标准规范，零能耗建筑是近零能耗建筑发展的更高层次，可实现建筑使用过程的低碳化、零碳化。推动建筑迈向近零能耗，实现建筑达到零能耗是全球的发展趋势。

我国在被动式超低能耗建筑领域的发展超过十年，当前，已迈入建设超低能耗建筑的新阶段，在有条件的地区率先推行近零能耗建筑，最终实现建筑零能耗。近零能耗建筑要求建筑物必须在能源消耗、热负荷和室内环境参数等方面符合特定的标准，其主要技术思想体现在三个方面：一是充分考虑室外气候条件和自然环境条件，气候条件是影响建筑能耗的重要因素，每个地区都有自己的气候条件，被动式近零能耗建筑应与之相适应，因地制宜地选择高保温隔热与高密闭性的建筑围护结构、建筑无热桥处理等适应气候的技术；二是实现超低能耗/近零能耗的能耗标准，通过自然通风、自然采光和建筑遮阳等设计，降低建筑能耗需求，并充分考虑可再生清洁能源的使用，实现近零能耗的目标；三是符合高质量的室内环境参数及室内热舒适标准，提高建筑围护结构的气密性，增加居住舒适度，同时，选取超低能耗、新型环保建筑材料。

三、近零能耗建筑建造的关键技术

我国零能耗建筑起步较晚，超低能耗/近零能耗建筑全生命周期技术及相关体系还亟待发展，需要科学的规划设计、精细的施工和智慧化运行，这也是近零能耗建筑建造三个阶段的关键技术应用。

（一）设计阶段的应用

通过近零能耗建筑优化设计，利用最先进的建筑材料以及节能设备，在建筑的初期阶段将近零能耗建筑的能耗和成本降到最低。

1.建筑围护结构高性能优化设计

近零能耗建筑包括综合利用被动式节能技术的建筑。建筑能耗的75%是由围护结构传热造成的，外围护结构（外窗、外墙、屋顶、地面等）设计是近零能耗建筑节能的关键。第一，近零能耗建筑外墙设计。影响外墙保温隔热性能的主要因素是其结构设置和所使用的材料。从结构上来看，外墙保温方式有内保温、夹心保温和外保温，可通过增加保温层厚度和外墙高密闭性技术来提高保温隔热性能。从材料上来看，外墙常用的保温材料有加厚的石墨聚苯乙烯板（GEPS）、挤塑聚苯乙烯板（XPS）、250mm岩棉/双层等。第二，近零能耗建筑屋面设计。从结构上来看，屋面保温主要有架空式保温层面、通风屋顶、反射屋顶等措施。从材料上来看，屋顶保温层应保持连续性，优先选用高性能保温隔热材料。第三，被动式建筑外窗设计。外窗系统是建筑围护结构保温的薄弱环节，窗框部位易引起热桥效应，是影响围护结构保温、防水和气密性的关键部分。从结构上来看，主要参数考虑建筑的窗墙比、材质和气密等级。从材料上来看，常用的被动式窗系统通常窗框大多选择铝包木、PVC包PS型材等，玻璃则采用三玻两腔中空玻璃等高性能材料，例如，铝包木三玻两空窗、PVC包PS型材三玻两空窗等。第四，近零能耗建筑无热桥、高气密性设计。建筑气密性设计参数主要考虑建筑气密层的位置、气密层的连贯性及气密层材料。无热桥设计注重保证围护结构的保温连续性，重视缝隙的密封以及各构件保温连接易形成热桥部位细部节点的无热桥处理措施。由此，通过对围护结构的“被动”保温技术综合设计优化，来提高建筑的保温、气密性，从而保持房屋内部适宜的居住温度，大幅降低房屋总能耗。

2.重视自然通风、采光设计

近零能耗建筑设计需要根据自然条件和场地条件，更多利用自然通风、自然采光和建筑遮阳的平衡进行合理的节能。建筑首先需要满足保温隔热的基本要求，同时实现自然通风以及自然光采集。良好的自然通风设计可以减少15%的空调运行时间。在进行室内自然通风优化设计时，应考虑朝向、合理布置门窗位置、窗墙比、遮阳等，使建筑获得最大限度的自然采光和通风。通过自然通风实现建筑物夏季降温，改善室内空气质量。另外，设置高效新风热回收系统。该系统由新风系统和热回收系统组成，新风系统保证室内空气质量高，同时通过回收利用排风中的能量降低建筑能耗需求。自然采光具体设计靠窗地面积比、窗墙面积比来控制，同时注重实现采光和遮阳的平衡。

3.推进可再生能源建筑应用

近零能耗建筑指对不可再生能源的消耗为零，用能主要是太阳能、地热能、风能等清洁能源。《近零能耗建筑技术标准》（GB/T51350-2019）中规定：对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，可再生能源作为实现我国2035年能源转型的主力能源，建筑领域应用重点包括太阳能光热、太阳能光伏、浅层地热能以及生物质能利用等形式。设计人员需综合考虑当地的资源和建筑自身条件，因地制宜发展太阳能光热、太阳能光伏、地源热泵供暖供冷以及空气源热泵系统等应用，解决建筑空调采暖、热水供应及照明能源需求问题，推进建筑技术整体能耗的降低。随着近零能耗建筑规模化推广，亟需进一步提升建筑中可再生能源应用比例，从而降低建筑成本。

（二）施工阶段的应用

近零能耗建筑是追求细节的建筑，施工阶段每个细部节点都需要精细化的施工工艺和质量控制。

1.加强对施工和管理人员的专业培训

现阶段，我国近零能耗建筑处于发展和推广阶段，为实现高保温隔热及气密性，近零能耗建筑的围护结构相较于传统建筑结构更加复杂，施工技术、建材标准均高于普通建筑，这对建筑施工企业的员工素质和能力水平提出了更高要求。建筑企业需要选择经验丰富、技术能力强的施工人员，注重加强专业性技术培训，帮助相关人员快速掌握相关关键技术和具体施工工艺，提高现场工程师、施工人员的专业素养和能力水平，以实现近零能耗建筑专业化施工。

2.重视高质量材料、设备的选取

近零能耗建筑关键技术参数对建筑材料、设备提出了非常高的要求。近零能耗建筑保温材料的厚度是普通建筑材料厚度的2~3倍，且对窗户、保温材料等也有更高的标准。采购人员必须合理控制材料设备采购程序，将带有绿色建材标识或者高性能节能标识的材料和设备作为首选，对进入到施工现场的建筑材料，根据规定的复验程序进行复验，以保证施工材料和设备均符合近零能耗建筑的特殊要求，保证施工技术与时俱进，从而提升近零耗建筑施工的整体质量。

3.全面提高施工质量

在建造过程中，近零能耗建筑保温结构的连续性、建筑整体气密性和无热桥处理等都需要精细化的施工和管理。一方面，加强施工全过程管理。现场工程师要提高施工质量管理和控制水平，需要明确高性能围护结构、被动式门窗技术的施工标准，制定科学合理的施工方案，保证每一项施工内容都有相对应的质量管理措施。实现全过程、精细化管理，对施工中容易产生热桥和影响气密性的施工部位格外重视，并认真细致地做好施工细节的控制和管理。另一方面，保障施工人员在作业时操作规范。从保温层、外窗安装、高效新风热回收系统、被动式胀栓加固等安装到整个建筑完成都需要精准施工。气密层和冷热桥在很大程度上影响了建筑的整体效能，因此应根据相关施工规范，保证建筑的气密性，实现保温层的连续，外墙板拼缝保温节点、外窗保温节点、穿墙管保温节点等部位的冷热桥断桥处理及精细化施工，从而切实有效地保证建筑工程施工质量。

（三）运行维护阶段

暖通空调等系统的运行和管理是建筑节能的重要环节，应构建能耗、能效一体化运行管理体系。建筑运行维护阶段，除了采用能耗较低的采暖、空调方式等，采用智能化的用能控制技术，实现采暖、空调、照明及电梯、可再生能源系统的优化运行是实现建筑节能的重要环节。建筑运行期间，以环境舒适度和系统能耗为目标，一是结合实际情况进行能耗使用情况分析，实现能源系统精细化运行管理。二是实时监控建筑物的内采暖、空调等运行过程，根据运行记录或异常情况分析，及时发现、处理系统运行中的问题，从而提升建筑用能系统的效率。

四、结语

我国政府明确提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，“近零能耗建筑”纳入十四五规划和2035远景目标。近零能耗建筑作为一种健康舒适、绿色节能的高品质建筑，各地在推进的同时，需要根据各自的条件选择适合的技术路线，将建筑全生命周期系统化集成设计、精细化施工、智慧化运营等关键技术应用到实践中，从整体上降低建筑行业的能源消耗，同时为改善建筑人居环境和促进我国建筑节能技术达到世界领先水平作出贡献。