引言在“双碳”目标被明确提出后，建筑领域相关学者及机构积极推进零碳建筑研究，中国建筑科学研究院启动编制《零碳建筑评价标准》等一系列中国工程建设标准化协会标准[1]。零碳建筑的研究将搭建产业链视角，推动建材和建筑运行等关键环节碳排放量的降低[2]。目前，零碳建筑标准定义、评价指标还未明确，相关技术体系正在完善。节能减碳技术的落地推动日本每平方米建筑面积二氧化碳的排放量从约132 kg CO2/a降低到68 kg CO2/a[3]。为了实现2030年比2013年减少26%的温室气体排放目标，日本产业部门、交通运输部门的能源消耗与2013年相比需要减少6.5%、27.4%，涉及建筑行业的业务部门、家庭部门需要减少40%、39%，建筑领域承担了较高的减排压力。日本业务部门将零能耗建筑的普及作为达成目标的重要支撑，2014年发布了相关政策，要求到2020年所有新建公共建筑实现零能耗目标，2030年所有新建居住建筑实现零能耗目标。日本建筑行业着重推广的零能耗建筑具备参考意义。基于国内外技术与标准体系的发展现状，研究零能耗建筑(ZEB)有助于快速深化落实建筑运行阶段的节能减排。零能耗建筑体现了运维前置的系统化设计思路，强调建筑用能供需平衡与能源结构优化。总结国外应用经验，有助于国内建筑领域高品质、低碳、零碳化发展。1ZEB与低碳发展的关系日本ZEB建筑评价定义为不考虑可再生能源时对标基准建筑节能50%，考虑可再生能源时建筑达到100%节能，即建筑以年为单位零能耗。通过节能措施减少建筑本体能源需求，并通过发电或热能获得足够的额度以补偿运行所需的能量，从而实现能源净平衡。ZEB运用的技术理念符合可持续社会发展概念，有助于缓解全球变暖趋势，基于ZEB的研究有利于我国零碳建筑的推进，同时可以产生良好的社会效益：第一，促进建筑赋能增值，推动市场正向反馈；第二，运行阶段节能减排提升了相关从业者使用者的低碳意识，培养了使用者的低碳可持续行为习惯，支撑了可持续低碳社会发展要求；第三，推动了高效能源应用、可再生能源应用等技术的开发和改进，保证了建筑领域低碳可持续发展的技术支撑。ZEB推广的实行效果良好，以日本为例，温室气体排放在2013年达到排放峰值后，连续7年呈下降趋势。研究国外相关技术项目经验可以为我国建筑低碳零碳发展提供参考。2日本ZEB建筑的发展路线及评估办法ZEB的理念[4]被认为是建筑领域实现碳中和的重要支撑。日本以零能耗建筑为目标，设置阶段性节能定性定量的评价等级，统一框架标准下的评判体系有助于为不同节能潜力的建筑提供评价服务，引导下一步节能减排方向。通过各类节能措施的实施，实现阶段性要求，方便统一管理，对不同节能潜力建筑产生积极引导作用。国内建筑标准对节能的要求逐年提升，以能耗为标杆，推出超低能耗建筑标准、近零能耗建筑标准等，发展思路充分结合国内节能诉求，同时也积极吸取国外发展思路经验，为零碳建筑打下基础。日本递进式零能耗建筑认证说明如表1所示。日本建筑零能耗认证发展不同阶段如图1所示。零能耗建筑评价主要参考能源供给量与需求量的关系。根据设定边界下的需求和供给的收支定义建筑是否达标，即可再生能源产生能源/建筑实际消费能源的收支平衡情况，或总配送能源/建筑对外反向输出能源的收支情况。供给量大于等于需求量时(G≥C)，侧重可再生能源的考量；需求量大于供给量且小于基准参考建筑需求量时（GC且C1），侧重降低建筑负荷、设备的高效化使用。有学者总结了4类常见“零能耗建筑”定义，主要指标包括能耗、碳排放量、运维费用[5]。日本推广的ZEB评价指标应为一次能源消耗量（单位为MJ、kWh），一次能源的换算系数以日本节能法为准。另外，将能源使用量乘以当地法律规定的系数指标，得到CO2排放量（称为碳排放ZEB）。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.025.T001表1日本递进式零能耗建筑认证说明认证阶段定性定义定量定义ZEB每年零能耗不考虑可再生能源时基准一次能源消耗降低50%以上，且考虑可再生能源时基准一次能源消耗降低100%。NZEB近零能耗建筑，满足ZEB就绪要求，使用可再生能源将年一次能源消耗降低到零。不考虑可再生能源时基准一次能源消耗降低50%以上，且考虑可再生能源时基准一次能源消耗降低75%~100%。ZEB就绪节能要求较高的节能建筑，侧重外保温等被动式技术以及高效率设备的使用。对比标准建筑一次能源消耗降低50%以上，不包括对可再生能源的要求。ZEB导向使用高性能建筑保温与高效节能设备不考虑可再生能源，办公室、学校、工厂等建筑减少一次能源消耗40%及以上，旅馆、医院、商店、饭店、会议室等建筑的一次能源消耗减少30%及以上。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.025.F001图1日本建筑零能耗认证发展不同阶段推广ZEB分为两阶段：第一阶段针对典型建筑，开展示范项目建设，据悉到2020年为止；第二阶段是技术普及阶段，配合经济产业省、国土交通省、环境省的发展路线，2030年实现ZEB普及的目标。日本在ZEB推进阶段，将学校、办公建筑（位于市郊型）作为优先目标，在ZEB普及阶段依次向办公建筑（都市型）、商业建筑、其他建筑普及。3技术案例分析3.1示范项目介绍Taisei Corporation ZEB示范项目位于神奈川县横滨市，2014年5月竣工，是产业园内总建筑面积1 277.3 m2的办公楼，属于“都市型”ZEB项目。建筑为钢筋混凝土结构，地上3层，由日本大成建设完成。项目运营一年，以建筑物为边界实现了净零能耗。3.2节能减碳技术汇总项目采用被动设计减少负荷，使用高效设备优化能源利用，充分利用自然能源替代化石能源。项目运行充分利用控制与监测设备，结合室内、室外环境变化，联动人体监测传感控制系统，为设备启停及运行优化提供支持。项目提高了室内人员满意度，实现了精确控制，最大限度降低能耗。3.2.1采光照明采光照明部分从三点入手，一是充分利用自然光源，降低照明负荷；二是采用高效照明设备，降低设备能源消耗；三是结合数字化技术和精细化设计，优化照明需求。针对第一点，采用特殊装置，利用阳台空间设置特殊曲面反射镜，增加采光时长和采光范围，实现天井照明，室内获得柔和的扩散光。采光装置如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.025.F002图2采光装置针对第二点，采用超高效率LED照明，并且针对不同时段进行色温控制，提高人员生产效率，桌面采用低功耗的EL照明灯。照明系统原理如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.025.F003图3照明系统原理针对第三点，结合T-Zone Saver室内人员感知系统，设计低照度任务的环境照明系统，保证空工位上方LED灯关闭，结合EL低功耗桌面照明，合理降低环境照度需求与照明能耗。结合以上措施，整体采光照明系统较基准建筑的照明能耗降低86%。3.2.2空调与冷热源优化空调末端系统，采用辐射空调系统(TABS)，将冷热水管埋在楼板上，对天花板表面进行冷却和加热，利用来自天花板表面的辐射进行室内环境的加热和供冷，维持基本环境舒适度；使用另一套空调末端系统补充变动的环境需求，此系统由恒温恒湿空调装置和独立控制的地板出风口装置共同组成，依托工位位置设计地板送风，联合T-Zone Saver室内人员感知系统，点对点进行启停控制。冷热源来自燃料电池系统发电产生的废热，设置蓄热水箱保证热源稳定，结合吸收式制冷机实现供冷。燃料电池的发电效率高于火电系统，结合热电联供运行模式，一次能源利用率达到90%。结合以上措施，空调系统较基准建筑能耗降低76%。3.2.3可再生能源应用供电设计主要包括光伏的使用和高效率电源氢能燃料电池的使用。相关系统搭配使用蓄电池，作为落实当地持续经营计划(BCP)的技术支撑，实现防灾功能。这部分主要说明可再生能源应用。项目位于城市区域，为了最大限度使用可再生能源，一方面在屋顶布置高效率的单晶硅光伏，另一方面采用薄膜光伏，其在形状、尺寸和颜色方面有相对较高的自由度，容易融入外墙设计；且材料的重量轻，易于安装，方便与建筑材料结合。国内也有多个相关技术的成功应用案例，如北京建筑节能研究发展中心改造办公楼。3.2.4BEMS平台能源管理通过搭建建筑能源管理系统(BEMS)，前馈式最优化运维平台进行能源管理，作为管理环节节能的关键技术支撑，实现了能源应用的可视化，通过数据分析制定运行节能策略。该技术强调数据积累与应用，布置多个点位采集数据，如使用智能插座进行能源消耗的详细调查。本项目BEMS包括能源使用、能源供应、能源生产、能源储蓄4个部分。其中，能源使用包含插座、照明、空调；能源供应包含市政电力、市政燃气；能源生产包含光伏、燃料电池热电联产；能源储存包含蓄电池和蓄热槽。3.3运行效果项目竣工并投入实际运行，对2015年的能耗进行分析，得到供应与需求对比。示范项目运行效果如图4所示。带入日本当时商业供电一次能源转换系数9.76 MJ/kWh，燃气热值45 MJ/m3。本项目中，可再生能源供给量为484 MJ/(m2·a)，能源消费量为439 MJ/(m2·a)，其中不包含插座386 MJ/(m2·a)，能源收支为+45 MJ/(m2·a)，实现了ZEB要求。另外，在配送能量与反向输出能量的比较中，配送电力和燃料共287 MJ/(m2·a)，除去建筑使用部分，对外输送光伏电力332 MJ/(m2·a)。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.025.F004图4示范项目运行效果在能源消耗分项中，空调系统约占总量的40%，每月用能趋势表明，季节性波动很明显。照明系统能耗已经大大减少，全年的能源消耗量很小，不作为下一步节能改造的重点。未来将依据对运行数据的分析，进行下一步节能计划的制定，突出规划设计阶段不宜解决的措施，如减少待机功率等。日本节能中心出版《办公建筑节能》，参考20 000 m2以下办公建筑的统计用能值，本项目建筑节能率为76%，可再生能源利用为27%，建筑处于+45 MJ/(m2·a)的零能耗建筑能源平衡区，不包括电源插座时为+98 MJ/(m2·a)。4国内建筑节能减排启示建筑零碳评价离不开全生命周期的考量。其中，建筑运行阶段能耗占比大，解决难度高。在ZEB项目案例中，相较传统设计，侧重精细化和数字化技术应用，实现运维阶段零能耗。一方面负荷优化的过程不同于传统能源设计，需要根据场景需求进行细化；另一方面数据处理与模拟过程中，项目采用数据分析技术能够准确对ZEB落地程度进行评价，根据实际运行效果及时调整运行策略，实现有效指导。关注建筑设计运行阶段的能耗降低，强调建筑本体节能的同时还强调对环境优势的利用。在建筑层面，优先降低建筑本身的能源需求。通过更合理的设计及施工，考虑日照影响，优化自然采光，考虑风环境影响，优化自然通风，使用非设备的被动式手段实现建筑节能降耗。打造零碳建筑的过程中，通过技术手段降低建筑本体能耗需求是基础。在设备层面，以使用高效设备为前提，整合系统降低运行能耗。高效一方面是对设备本身性能的要求，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）对设备性能有进一步要求；另一方面也强调依托数字化技术结合时间空间环境需求，通过主动式技术保证能源的高效应用。最终在保证室内环境舒适度的同时减少电量、燃气等能源使用量。在能源供应层面，经济、技术可行下加大可再生能源的使用，替代化石能源消耗实现节能减排。近零能耗标准开始对建筑可再生能源节能占比有了定量要求，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）要求新建建筑必须使用光伏。在管理层面，运用数字化技术具象节能目标，强调因地制宜的管控措施，同时利用能源可视化感知节能效果。示范项目采用的BEMS结合PDCA的管理逻辑，一个周期包含计划、执行、评估和改善4个环节，首先进行节能运行预测，其次根据负荷选择合适的运行方案，开始实施并进行数据收集处理，得到反馈并继续指导下一轮节能运行方案调整。数字化技术为达峰后建筑碳交易提供了科学依据。结合ZEB评价标准，未来发展零碳建筑有以下几点值得借鉴：第一，重视必要的能源数据采集整理。在推行建筑领域低碳零碳发展的路径上，技术的节能效果需要实际运行数据论证。日本《建筑节能法》要求2 000 m2以上公共建筑提交相关节能认证，建筑运行后业主需要定期报送能源消耗等建筑实际使用现状[6]，从实际数据中验证技术水平、总结节能规律。对于项目运行，帮助制定建筑节能发展目标，梳理科学的节能技术路径。对于运维企业，报送过程也是数据积累的过程，数据可作为提高能源管理水平的判断依据。对于监管部门，项目对标的基准建筑能够依托数据库反馈当前背景下的实际技术水平，有利于节能潜力的挖掘。国内围绕碳排放的监管报告在工业领域发展较完善，近年伴随“双碳”目标的明确，建筑领域也逐渐提高对相关工作的重视。第二，重视精细化的现场环境资源应用。一方面体现在能够对用能场景的能源需求进行细致划分，另一方面能够对使用的能源或具体的设备进行适用性匹配。示范项目将室内照明拆分为基本环境照明和人员工作照明，选择用不可控的自然光补充需求时间长、对人员工作效率直接影响小的环境照明，同时明确了基本环境照度要求，设备灯光根据需求进行补充，便于设定照明系统控制策略，保证照明效果。在实际项目中，应当充分结合当地自然禀赋，对包括可再生能源的高附加值资源予以充分利用。在实践中进行充分的前期调研以及精细化的能源设计。可再生能源的应用设计是实现零碳建筑的关键。第三，重视数字化技术赋能下的设备运行控制。注重运维控制等同于注重使用者实际能源需求，通过合理控制建立使用者与设备的关系，实现对节能措施效果的及时反馈，运维控制一方面实现了定制化服务，提高了使用人员满意度；另一方面可以合理优化设备运行能耗，在需要时加大供应，不需要时减少浪费。第四，注重技术集成与技术创新应用。节能技术的选择需要系统性思维，充分考虑各项技术间的耦合；还需要有创新意识，积极尝试能够稳定提供应用价值的先进技术，只有不断进行技术创新才可以实现建筑深度的节能减碳。示范项目应用技术包括光伏建筑一体化应用、建筑用固体氧化物燃料电池热电联产、电制照明灵活应用等。建造创新型的零碳建筑，应鼓励应用一项或几项创新型技术，包括但不局限于新材料的使用、新设备的应用。5结语随着我国建筑领域低碳、零碳进程的推进，越来越多的先进技术理念将被应用于实际项目中，最终形成符合国内建筑发展需求的技术路线体系。国外建筑零能耗发展过程中总结的经验、采用的技术理念可以为国内建筑运行阶段优化能源利用提供参考，包括围绕空调、采光照明等需求节点形成的建筑本体和设备性能的提升，以及统筹运行需求的数字化技术的应用。为了保证实际运行节能减碳效果，特别强调以下几点：在项目管理层面，强调对能源数据的重视与应用可以及时排除故障挖掘节能潜力；在设计层面，紧扣项目现场资源环境，提出精细化且具有创新意义的技术体系，提供技术升级的抓手；在服务意识层面，强调准确便利地反馈能源需求，通过控制优化、能源平台建设等技术实现定制化供能。结合我国建筑低碳可持续发展诉求，零能耗建筑为代表的技术理念体系可以为我国建筑运行阶段节能减排提供参考。