凈零能耗建筑的能源規(guī)劃方法

0引言

根據(jù)研究，2014年，中國(guó)建筑能源消費(fèi)總量為8.14億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的19.12%。2015年，中國(guó)民用建筑面積573億m2，總商品能耗8.58億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。根據(jù)預(yù)測(cè)，2030年中國(guó)建筑存量將接近800億m2，建筑總能耗將達(dá)到14.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤。研究表明，如果采用相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的中等強(qiáng)度的節(jié)能減排情景路線，到2030年可將建筑能耗控制在10.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，到2035年左右建筑能耗達(dá)到頂峰。這意味著，到2030年，建筑面積增加近40%，而建筑能耗總量增加不到20%。建筑節(jié)能已經(jīng)進(jìn)入存量節(jié)能、實(shí)物量節(jié)能和總量控制的新階段。如果維持現(xiàn)在的能耗強(qiáng)度，就要求有一半的新建建筑能耗為零。在現(xiàn)代社會(huì)要做到完全零能耗或極端近零能耗是不可能的。因此，需要積極發(fā)展凈零能耗建筑(net zero energy building)，即在建筑消耗能源的同時(shí)生產(chǎn)出等量的可再生能源進(jìn)行補(bǔ)償。

所謂凈零能耗建筑，是指全年總能耗量近似等于在現(xiàn)場(chǎng)或在其他地方所生產(chǎn)的可再生能源量的建筑。類似地，可以把全年生產(chǎn)的可再生能源量大于全年總能耗量的建筑叫做增能建筑(energy plus building)，而把全年生產(chǎn)的可再生能源量沒有達(dá)到全年總能耗量的建筑稱為近零能耗建筑或超低能耗建筑(ultra-low energy building)。

在技術(shù)上，凈零能耗建筑可以分為2種，即：

1) 凈零現(xiàn)場(chǎng)能耗建筑(net zero site energy building)。只考慮現(xiàn)場(chǎng)能耗，不考慮輸入能源(電力、熱力和燃?xì)?的損失，建筑全年可再生能源產(chǎn)能等于或大于全年用能。

2) 凈零一次能源能耗建筑(net zero source energy building)?？紤]一次能源能耗(包括電力、熱力系統(tǒng)的損失)的條件下，建筑全年可再生能源產(chǎn)能等于或大于全年用能。

根據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和減排承諾，需要發(fā)展凈零一次能源能耗建筑，在節(jié)能的同時(shí)減少建筑運(yùn)行階段的溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)建筑能耗的碳中和。除了考慮凈零能耗，還要考慮凈零排放(net zero energy emission)，即建筑生產(chǎn)的零排放可再生能源等于或大于它所使用的產(chǎn)生碳排放的能源(有部分可再生能源例如生物質(zhì)氣也會(huì)產(chǎn)生一定的溫室氣體排放)。同時(shí)，還要考慮降低建筑運(yùn)營(yíng)成本，始終保持凈零能耗建筑的增量成本在可接受的水平上。

1 凈零能耗建筑及其實(shí)現(xiàn)的難度

1.1 凈零能耗建筑技術(shù)遵循的基本原則

第一，凈零能耗建筑首先應(yīng)該是超低能耗建筑。它不應(yīng)僅僅滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，而要優(yōu)于民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)中的引導(dǎo)值或各地建筑能耗指南中的先進(jìn)值。因此，實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑的關(guān)鍵是運(yùn)行。凈零能耗是一個(gè)運(yùn)行目標(biāo)，必須通過建筑節(jié)能管理降低現(xiàn)場(chǎng)能耗。

第二，采用適宜的超低能耗建筑技術(shù)。這些技術(shù)的能效，不能只靠計(jì)算，更需要通過實(shí)際運(yùn)行中的能耗檢測(cè)來加以證實(shí)。因此，這里提及的“能效”，應(yīng)該指的是“績(jī)效”和“效果”(energy performance)。這些技術(shù)包括：1) 被動(dòng)式技術(shù)，如晝光照明、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、提高氣密性、被動(dòng)式太陽能供暖、自然通風(fēng)等；2) 高效暖通空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)、高效照明、高效電器等。

第三，利用可再生能源。1) 現(xiàn)場(chǎng)(on-site)可再生能源：①建筑紅線之內(nèi)的可再生能源，如光伏、太陽能熱水、屋頂小型風(fēng)電、樁基地埋管換熱器等；②建筑場(chǎng)地之內(nèi)的可再生能源，如光伏、太陽能熱水、低影響土壤源/地表水源換熱器、風(fēng)電、現(xiàn)場(chǎng)廢棄物生產(chǎn)生物質(zhì)能源等。2) 非現(xiàn)場(chǎng)(off-site)可再生能源：①利用非現(xiàn)場(chǎng)的可再生能源資源在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)能，如來自外部的生物質(zhì)、木屑、生物柴油、沼氣等，產(chǎn)能裝置在建筑現(xiàn)場(chǎng)；②通過排放權(quán)交易或綠色采購得到的風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電。

特別要注意，實(shí)施這3條原則，絕不是“有”了某幾項(xiàng)技術(shù)就可以了，也不是僅靠設(shè)計(jì)計(jì)算值就算數(shù)了。而是要在運(yùn)行過程中通過智能能量表的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，用實(shí)物量結(jié)賬。這給凈零能耗建筑的實(shí)施帶來很大的挑戰(zhàn)。主要有兩大挑戰(zhàn)：1) 在有一定建筑密度的城區(qū)，由于建筑之間的相互影響和干擾，被動(dòng)式技術(shù)難以達(dá)到預(yù)想效果；2) 在單體建筑紅線之內(nèi)，沒有充足的空間供可再生能源的收集和儲(chǔ)存。

1.2 單體建筑實(shí)現(xiàn)凈零能耗的挑戰(zhàn)

縱觀國(guó)際上凈零能耗和被動(dòng)式超低能耗建筑的案例，基本上是以獨(dú)立式住宅和小型公共建筑為主，建筑面積在幾百或數(shù)千m2，超過1萬m2的建筑比較少。Xu等人總結(jié)了亞洲太平洋經(jīng)濟(jì)合作組織(APEC)國(guó)家100個(gè)超低能耗建筑的案例，超過1萬m2的建筑只有17幢，分別為：中國(guó)8幢，日本8幢，美國(guó)1幢。

這是為什么呢?

在單體建筑(尤其是公共建筑)中實(shí)現(xiàn)凈零能耗有幾個(gè)比較難以解決的技術(shù)問題：

1) 新風(fēng)需求。被動(dòng)式超低能耗建筑的氣密性要求很高，需要靠機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)引入新風(fēng)。夏季在濕熱地區(qū)需要處理大焓差新風(fēng)，冬季在嚴(yán)寒地區(qū)需要處理大溫差新風(fēng)(可能還需要加濕)，這些都需要耗能。解決方法之一是用新風(fēng)熱回收(全熱和顯熱)的方法。目前熱回收技術(shù)最高效率在70%左右。在住宅和小規(guī)模辦公類公共建筑中應(yīng)用，由于新風(fēng)需求不大，比較容易解決。而大型公共建筑的新風(fēng)需求較大，即使有熱回收，還會(huì)產(chǎn)生較大的能耗。解決方法之二(主要用于夏季)是用除濕的方法降低新風(fēng)負(fù)荷(desiccant cooling)，即實(shí)現(xiàn)熱濕獨(dú)立處理。但無論是液體還是固體除濕，都需要除濕劑再生過程。要找到適宜的余熱、廢熱等再生熱源并不容易。如果利用太陽能，則需要比較大的集熱器面積。用制冷機(jī)的冷凝熱是比較好的解決方案，但在某些氣候條件下，可能會(huì)提早開啟制冷機(jī)。

2) 太陽輻射。冬季太陽輻射是被動(dòng)供暖的有利因素，需要盡量增加太陽輻射得熱；夏季太陽輻射則是增加冷負(fù)荷的最大不利因素。盡管有低輻射Low-E玻璃窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)降負(fù)荷設(shè)施，但為了降低冬季負(fù)荷需要將Low-E膜鍍?cè)趦?nèi)窗外表面上，為了降低夏季負(fù)荷需要將Low-E膜鍍?cè)谕獯皟?nèi)表面上。二者是相悖的(最好能有冬夏內(nèi)外窗表面翻轉(zhuǎn)的設(shè)施)。夏季也可以采用外遮陽措施降低一部分太陽輻射(直射)。夏季太陽輻射作用在不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，也會(huì)形成較高的表面溫度，增加導(dǎo)熱量。

3) 內(nèi)部負(fù)荷。建筑室內(nèi)的照明、設(shè)備、人員都是發(fā)熱(濕)源，尤其在公共建筑的室內(nèi)熱平衡過程中有非常重要的影響。在冬季，室內(nèi)發(fā)熱量是有利因素，可以降低供暖負(fù)荷；而在夏季，室內(nèi)發(fā)熱(濕)量是不利因素，要從溫度較低的室內(nèi)將熱量轉(zhuǎn)移到溫度更高的室外，必須消耗能量。

4) 自然通風(fēng)。有人會(huì)說，將熱量從室內(nèi)搬到室外可以靠自然通風(fēng)。自然通風(fēng)確實(shí)是夏季實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供冷和自然冷卻的好辦法。但它需要有一定的條件：第一，需要室外氣溫有較大的日較差(日平均氣溫低于25 ℃)，使室外土壤在夜間蓄存一部分冷量，白天近地面處的空氣溫度較低，通過自然通風(fēng)引入這部分溫度較低的空氣，利用熱壓作用置換室內(nèi)溫度較高的空氣，可以起到降溫作用；第二，需要室外含濕量低于或略高于室內(nèi)，這樣才能通過自然通風(fēng)為室內(nèi)除濕(或至少不會(huì)明顯地加濕)；第三，需要室外空氣比較清潔(或至少?zèng)]有被污染)。這3個(gè)條件在目前中國(guó)的多數(shù)城市中都不能完全具備。自然通風(fēng)在冬季也與建筑氣密性要求相矛盾。因此，自然通風(fēng)是一項(xiàng)“錦上添花”的措施，在凈零能耗建筑中必須有自然通風(fēng)措施，但不能指望自然通風(fēng)技術(shù)能帶來多少節(jié)能量，更不能用計(jì)算能耗替代實(shí)測(cè)能耗，夸大自然通風(fēng)的作用。必須指出，自然通風(fēng)并不是開窗通風(fēng)那么簡(jiǎn)單，而是需要經(jīng)過設(shè)計(jì)的，在一些復(fù)雜建筑中，還需要作模擬分析。這本應(yīng)是建筑師的職責(zé)。

上述1)和3)是系統(tǒng)效率問題，而2)和4)在一定程度上與建筑的外環(huán)境相關(guān)。做過城區(qū)氣候設(shè)計(jì)、空間布局合理的城區(qū)微氣候，會(huì)擴(kuò)大太陽輻射和自然通風(fēng)的正向效應(yīng)；而沒有經(jīng)過氣候分析的城區(qū)，會(huì)由于建筑物之間的相互干擾，增大太陽輻射和自然通風(fēng)的負(fù)面作用。

1.3 凈零能耗建筑的負(fù)荷

以假設(shè)的夏熱冬冷地區(qū)辦公樓為例，采用多種節(jié)能技術(shù)控制建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，概略計(jì)算其負(fù)荷，結(jié)果如表1所示。


基于表1負(fù)荷，假定辦公樓全年供冷和供暖滿負(fù)荷當(dāng)量小時(shí)數(shù)均為600 h，采用系統(tǒng)季節(jié)性能系數(shù)3.0的熱泵系統(tǒng)，可以達(dá)到全年供暖、供冷能耗15 kW·h/(m2·a)的水平。如果只計(jì)算供暖能耗，則只有4 kW·h/(m2·a)，數(shù)值上遠(yuǎn)低于歐洲超低能耗建筑供暖能耗標(biāo)準(zhǔn)。但歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的kW·h是熱量單位，15 kW·h/(m2·a)相當(dāng)于我國(guó)一次能源(折合標(biāo)準(zhǔn)煤，下同)消耗1.8 kg/(m2·a)。我國(guó)以火力發(fā)電為主，4 kW·h/(m2·a)折合一次能源消耗為1.3 kg/(m2·a)。如果供暖用的是系統(tǒng)效率70%的燃?xì)忮仩t，則一次能源消耗要達(dá)到2 kg/(m2·a)左右，高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

假設(shè)全年人均工作時(shí)間為法定的2 000 h(每月167 h)，則辦公樓的設(shè)備能耗為40 kW·h/(m2·a)，照明能耗為10 kW·h/(m2·a)。這里的能耗都是電耗。

考慮各種不可預(yù)知因素，則這一超低能耗辦公樓的總能(電)耗為70 kW·h/(m2·a)，折合一次能源為22.4 kg/(m2·a)。從上面的假定可以看出，這一假想辦公樓的節(jié)能潛力基本用盡了。比如新風(fēng)熱回收效率要達(dá)到70%是非常困難的。

1.4 需要可再生能源的補(bǔ)償

如果上述假想辦公樓要達(dá)到凈零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，就需要用可再生能源來提供等于或大于70 kW·h/(m2·a)的能耗。對(duì)于單體建筑而言，比較可行的可再生能源應(yīng)用技術(shù)是太陽能光伏(PV)發(fā)電。按現(xiàn)在的PV效率，1 m2光伏板功率在130 W左右，以上海地區(qū)全年滿負(fù)荷日照小時(shí)數(shù)1 000 h計(jì)算，滿足70 kW·h/(m2·a)的能耗需求至少需要0.5～0.7 m2的光伏板面積。對(duì)多層和高層公共建筑，不可能在建筑紅線內(nèi)安裝這么大面積的光伏板。而對(duì)大空間單層公共建筑(如機(jī)場(chǎng)車站)，又因?yàn)閮?nèi)部負(fù)荷加大，以及屋頂?shù)膫鳠嶝?fù)荷增加，也無法滿足能耗需求(見圖1)。只在負(fù)荷比較小的倉儲(chǔ)類大空間工業(yè)建筑中有過成功案例。


由圖1可以看出，僅靠單體建筑紅線內(nèi)有限的空間資源，只在小規(guī)模、低負(fù)荷建筑中才有可能利用可再生能源的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)凈零能耗。而在城區(qū)層面，則可以通過公共空間資源的共享，將可再生能源的供應(yīng)視為城區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，利用城區(qū)不同建筑間的負(fù)荷參差率減少總裝機(jī)容量，利用多種可再生能源生產(chǎn)的波動(dòng)性和儲(chǔ)能設(shè)施調(diào)節(jié)供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)。

1.5 小結(jié)

1) 一定規(guī)模的公共建筑中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的負(fù)荷占比在25%以下，主要是解決冬夏兩季的新風(fēng)負(fù)荷和夏季的內(nèi)部負(fù)荷(人體、照明、設(shè)備)；

2) 消除新風(fēng)負(fù)荷和消除內(nèi)部負(fù)荷，很大程度上要依靠可再生能源；

3) 一定規(guī)模的單體公共建筑受到空間限制，很難憑借一己之力實(shí)現(xiàn)凈零能耗；

4) 凈零能耗建筑中可再生能源的利用，需要通過建筑群或城區(qū)層面的資源共享和多能互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)。

2 凈零建筑能耗城區(qū)的概念

2.1 凈零建筑能耗城區(qū)的定義

凈零能耗城區(qū)是指在城區(qū)范圍內(nèi)全年生產(chǎn)的能源等于或大于全年所消耗的能源。這里的能耗按廣義的理解，應(yīng)包括產(chǎn)業(yè)、交通、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的城區(qū)內(nèi)所有能耗；而狹義的理解則只包括城區(qū)內(nèi)的建筑能耗。為簡(jiǎn)化問題，本文只討論凈零建筑能耗城區(qū)。

凈零建筑能耗城區(qū)可分為：1) 凈零現(xiàn)場(chǎng)能耗城區(qū)，即城區(qū)邊界內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)可再生能源產(chǎn)能至少等于城區(qū)內(nèi)建筑的全年現(xiàn)場(chǎng)能耗；2) 凈零一次能源能耗城區(qū)，即城區(qū)邊界內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)可再生能源產(chǎn)能至少等于城區(qū)內(nèi)建筑的全年一次能源能耗。本文主要討論第二種。

城區(qū)的凈零能耗是建筑群的平均能耗，所以并不是城區(qū)內(nèi)所有單體建筑都是凈零能耗建筑或超低能耗建筑。城區(qū)建筑群提供了負(fù)荷的多樣性和熱能梯級(jí)利用的機(jī)會(huì)。城區(qū)內(nèi)哪些建筑是超低能耗建筑，哪些可以不是，需要通過能源規(guī)劃來權(quán)衡和協(xié)調(diào)。因此，凈零建筑能耗城區(qū)的能源規(guī)劃是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

2.2 凈零建筑能耗城區(qū)的優(yōu)點(diǎn)

1) 將城區(qū)或建筑群當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合能源管理，從而實(shí)現(xiàn)資源共享，在城區(qū)尺度和平均意義上實(shí)現(xiàn)凈零能耗，較之單體建筑更容易達(dá)到凈零能耗目標(biāo)。

2) 單體建筑需要在低層、低密度、小規(guī)模的建筑形態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)凈零能耗目標(biāo)，而凈零建筑能耗城區(qū)可以保持緊湊型的城市形態(tài)，可以有較高的樓層、適當(dāng)?shù)娜莘e率和一定的規(guī)模。

3) 可以在城區(qū)范圍內(nèi)共享可再生能源和可利用空間。

4) 可以通過城市設(shè)計(jì)，優(yōu)化城區(qū)的日照環(huán)境和風(fēng)環(huán)境，為被動(dòng)式建筑技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造條件。

5) 可以利用城區(qū)建筑群負(fù)荷的多樣性和參差率，利用電網(wǎng)和共享蓄熱裝置，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平準(zhǔn)化，平衡可再生能源的供給與負(fù)荷需求。

6) 由于負(fù)荷的平準(zhǔn)化，可以減小城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)的規(guī)模，降低投資和運(yùn)行成本，從而吸引有實(shí)力的投資者。

2.3 凈零建筑能耗城區(qū)的實(shí)施難點(diǎn)

1) 需要有兼顧需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)的精細(xì)化城區(qū)能源規(guī)劃。

2) 需要城規(guī)、建筑、暖通、熱能、電力、景觀等跨專業(yè)的協(xié)同，才能使能效和資源利用最大化。

3) 在城區(qū)尺度上，城市形態(tài)對(duì)單體建筑能耗有重大的影響。同樣還要考慮城市形態(tài)對(duì)可再生能源種類選擇、空間布局以及能源效率的影響。要將這些影響盡量調(diào)整為正面影響。但目前城市形態(tài)對(duì)建筑能耗的影響分析，尚缺乏適用的工具和系統(tǒng)的方法論。

4) 在城區(qū)尺度上，把握人口和需求的增長(zhǎng)是有困難的，尤其在我國(guó)所處的急劇的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型階段。

5) 提高各單體建筑能效是凈零建筑能耗城區(qū)概念中的核心。歐洲經(jīng)驗(yàn)表明，在現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再節(jié)能60%是可行的。但這需要所有投資商、二級(jí)開發(fā)商、業(yè)主、供應(yīng)商、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和建造者的配合，成為他們共同的訴求。利益相關(guān)者越多，凈零建筑能耗城區(qū)的實(shí)施越難。在規(guī)劃階段就要統(tǒng)籌考慮單體建筑的能源性能。

6) 可再生能源規(guī)?；瘧?yīng)用中受到產(chǎn)能和耗能的峰值差、能源的儲(chǔ)存，以及可再生能源聯(lián)網(wǎng)中各種不確定因素的困擾。

7) 實(shí)現(xiàn)凈零建筑能耗城區(qū)會(huì)產(chǎn)生更多的先期成本，如建筑能效提升、基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化等。因此，它更適合政府、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)總部、大學(xué)等綜合性園區(qū)，以及“購買并持有”的投資人。

2.4 雄安模式為凈零建筑能耗城區(qū)建設(shè)創(chuàng)造了機(jī)遇

2017年，中央決定設(shè)立國(guó)家級(jí)雄安新區(qū)。雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)，體現(xiàn)新城新區(qū)發(fā)展的新理念、新路徑、新模式，展示了中國(guó)新型城鎮(zhèn)化未來的方向。其重大創(chuàng)新之處主要有以下幾點(diǎn)：

1) 我國(guó)城鎮(zhèn)化已經(jīng)從投資圈地、規(guī)模擴(kuò)張的粗放發(fā)展階段，進(jìn)入價(jià)值創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展階段。

2) 跨越土地財(cái)政，住宅以公租房、廉租房為主，不允許配建商品房，房子回歸住人的本原。

3) 改變遍地開花的建設(shè)模式，規(guī)劃主導(dǎo)，成片推進(jìn)，迅速形成規(guī)模。

4) 沒有固定住宅用地，建設(shè)兼有居住、商業(yè)、公園、休閑娛樂和快速公共交通的混合社區(qū)，唯一業(yè)主，統(tǒng)一風(fēng)格。

5) 產(chǎn)業(yè)園區(qū)開發(fā)模式，花園式辦公。城市形態(tài)是有較大綠地面積、公共建筑低層低密度、居住建筑多層高密度。

6) 建設(shè)高起點(diǎn)的智慧城市，5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等各種新技術(shù)得到普及應(yīng)用。

7) 以人為本、生態(tài)環(huán)保、健康舒適、宜居宜業(yè)，居民有強(qiáng)烈的獲得感。

可以看出，在這樣的建設(shè)模式中，利益相關(guān)方簡(jiǎn)單、決策過程簡(jiǎn)化、規(guī)劃真正起到主導(dǎo)作用，非常適合于建設(shè)凈零建筑能耗城區(qū)。

3 凈零建筑能耗城區(qū)的能源規(guī)劃方法

凈零建筑能耗城區(qū)的能源規(guī)劃需要需求側(cè)與供應(yīng)側(cè)的協(xié)同，但本質(zhì)上還是從底到頂、充分考慮需求側(cè)節(jié)能(超低能耗建筑)的需求側(cè)能源規(guī)劃。因此，凈零建筑能耗城區(qū)的能源規(guī)劃，遵循需求側(cè)能源規(guī)劃的“六步法”。

3.1 第一步：目標(biāo)設(shè)定

1) 對(duì)城區(qū)開發(fā)戰(zhàn)略、發(fā)展定位和城市總規(guī)的理解。在現(xiàn)階段，一般而言建設(shè)凈零建筑能耗城區(qū)的開發(fā)者是有追求的，可能是作為示范性開發(fā)或標(biāo)志性城區(qū)。規(guī)劃者要將能源規(guī)劃目標(biāo)與城區(qū)開發(fā)目標(biāo)相協(xié)調(diào)，預(yù)測(cè)開發(fā)遠(yuǎn)景和未來能耗需求，通過調(diào)研加深對(duì)當(dāng)?shù)啬芎默F(xiàn)狀和節(jié)能減排政策的理解。

2) 設(shè)立適合當(dāng)?shù)厍闆r和凈零能耗目標(biāo)的各類建筑能耗和碳排放基準(zhǔn)線。

3) 在此基礎(chǔ)上設(shè)立減碳目標(biāo)(低碳/零碳/碳中和)以及各類建筑的能耗目標(biāo)(對(duì)標(biāo)基準(zhǔn)線基礎(chǔ)上降低能耗)。

4) 設(shè)立可再生能源利用目標(biāo)。即是否在某一領(lǐng)域(例如供暖、照明)實(shí)現(xiàn)100%可再生能源利用；是否能實(shí)現(xiàn)能源自治(即所有可再生能源資源均來自于城區(qū)邊界內(nèi)，例如全部利用邊界內(nèi)的生物質(zhì)資源制氣)。

5) 確定城區(qū)要達(dá)到的可持續(xù)生態(tài)城區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 第二步：資源分析

1) 傳統(tǒng)能源資源分析：①電力、燃?xì)夂蜔崃Φ目色@得性和資源量；②所在區(qū)域近期和遠(yuǎn)期的能源發(fā)展規(guī)劃(是否有水電/核電/風(fēng)電等大規(guī)模一次電力資源)；③電力變電站的分布和電壓等級(jí)；④可再生能源電力并網(wǎng)接入點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)要求。

2) 可再生能源資源分析：①資源分析。太陽能(光電/光熱)、風(fēng)能、生物質(zhì)能(城區(qū)邊界內(nèi)/外)、地?zé)崮?深層/淺層/地表水)、能效提升(可望達(dá)到的最小系統(tǒng)能效比)。②可利用性分析。能量提取點(diǎn)的空間分布和可利用面積、地表水的水溫變化和水量、土壤熱物理參數(shù)、地質(zhì)資料、氣象資料等。③根據(jù)資源條件確定各種可再生能源的供能量。

3) 空間資源分析：①容積率；②建筑類型和用途(細(xì)分化)；③城市形態(tài)和建筑形態(tài)；④人口數(shù)；⑤可能設(shè)能源站和能源子站的位置。

4) 政策資源分析：①當(dāng)?shù)毓?jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；②鼓勵(lì)節(jié)能減排和可再生能源利用的政策；③投資環(huán)境。

5) 節(jié)能資源分析：①協(xié)調(diào)城區(qū)各類建筑預(yù)期能耗量以滿足凈零建筑能耗城區(qū)目標(biāo)；②根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷和所需要達(dá)到的系統(tǒng)能效提出供選擇的可利用技術(shù)；③提出終端超低能耗的供暖和供冷方式，例如采用低空調(diào)方式。

3.3 第三步：需求預(yù)測(cè)

1) 2種方法：①數(shù)據(jù)挖掘。收集當(dāng)?shù)赝愋徒ㄖ哪芎臄?shù)據(jù)(最好是逐時(shí)的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù))，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘得到各類型建筑具有代表性的能耗數(shù)據(jù)。②能耗模擬。根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置室內(nèi)負(fù)荷的不同情景，通過計(jì)算機(jī)模擬得到各類型建筑的典型能耗數(shù)據(jù)，與上述數(shù)據(jù)挖掘得到的能耗數(shù)據(jù)比較，調(diào)整相應(yīng)計(jì)算參數(shù)以符合當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)建筑實(shí)際，使能耗模擬結(jié)果保持在一定誤差范圍內(nèi)。

2) 2種模式：①反推預(yù)測(cè)(back casting)。根據(jù)設(shè)定能耗目標(biāo)和基準(zhǔn)線反推負(fù)荷。②正向預(yù)測(cè)(forecasting)。與上述能耗模擬中的負(fù)荷進(jìn)行比較，找出影響負(fù)荷的敏感因素，在可能條件下加以調(diào)整(例如新風(fēng)的處理方式)，從而使最終能耗滿足超低能耗要求。據(jù)此形成城區(qū)建筑設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

3) 2個(gè)結(jié)果：①各類建筑和整個(gè)城區(qū)的靜態(tài)負(fù)荷。據(jù)此決定城區(qū)能源系統(tǒng)的容量和形式。②城區(qū)建筑的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。據(jù)此決定各類能源所承擔(dān)的負(fù)荷時(shí)間段和負(fù)荷份額，決定各類能源的系統(tǒng)裝機(jī)容量。

3.4 第四步：規(guī)劃協(xié)調(diào)

凈零建筑能耗城區(qū)規(guī)劃協(xié)調(diào)的主要作用是通過空間規(guī)劃和城市形態(tài)的調(diào)整，使得建筑利用自然資源(主要是日照、晝光、自然通風(fēng))的被動(dòng)式技術(shù)成果最大化，同時(shí)使氣候因素對(duì)建筑的負(fù)面影響最小化，從而為城區(qū)中建筑的超低能耗創(chuàng)造條件。

在城區(qū)層面，被動(dòng)式技術(shù)的應(yīng)用效果有很大的隨機(jī)性和不確定性，因此，規(guī)劃調(diào)整只能定性地增加自然資源的利用，無法定量地確定能夠降低多少負(fù)荷，究竟有多少節(jié)能量。因此，規(guī)劃調(diào)整的結(jié)果應(yīng)視為實(shí)現(xiàn)凈零建筑能耗城區(qū)的保證措施。

通過規(guī)劃協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)節(jié)能主要有2個(gè)方面的作用：

1) 降負(fù)荷：①緊湊型城市形態(tài)(改變形狀系數(shù)和增加被動(dòng)空間)可以降低建筑負(fù)荷；②通過建筑功能混合可以使城區(qū)負(fù)荷平準(zhǔn)化；③綠地和濕地可以有效降低熱島效應(yīng)；④能源站選址靠近負(fù)荷中心可以減少輸送損失。

2) 降能耗：①通過城市形態(tài)調(diào)整增加建筑被動(dòng)空間(冬季增加太陽輻射，過渡季增加自然通風(fēng))；②空間布局中盡量留出可再生能源的能量采集位置；③設(shè)置通風(fēng)廊道和風(fēng)屏障，增加過渡季冷卻通風(fēng)和減少冬季寒風(fēng)侵襲。

3.5 第五步：系統(tǒng)優(yōu)化

凈零建筑能耗城區(qū)的區(qū)域能源系統(tǒng)屬分布式能源系統(tǒng)，但并不是傳統(tǒng)意義上的區(qū)域供冷供熱或冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，它有幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 一定是一個(gè)多能源互補(bǔ)系統(tǒng)。集成和分享可再生能源和清潔能源。單一能源的區(qū)域供冷供熱和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)凈零能耗的目標(biāo)的。

2) 一定是一個(gè)分布式系統(tǒng)。生產(chǎn)冷熱電和可再生能源的設(shè)備分布在城區(qū)任何位置，通過能源互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)。

3) 一定是一個(gè)共享式系統(tǒng)。在城區(qū)層面實(shí)現(xiàn)資源和空間的共享。

4) 在城區(qū)層面生產(chǎn)的可再生能源總量等于或大于城區(qū)建筑的總耗能量。

配置凈零建筑能耗城區(qū)的能源系統(tǒng)有幾條原則：

1) 發(fā)揮電力傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)和熱力儲(chǔ)存的優(yōu)勢(shì)，而不是相反。不能將多能源系統(tǒng)做成“電力不出能源站大門，冷熱水超長(zhǎng)距離輸送”的大集中系統(tǒng)或“熱電廠模式”。

2) 電力分散生產(chǎn)，城區(qū)集中供應(yīng)，利用智能電網(wǎng)、電池組和電動(dòng)汽車消納可再生能源產(chǎn)出的多余電量，也可通過電力驅(qū)動(dòng)熱泵蓄熱(冷)間接蓄電。

3) 熱能分布式生產(chǎn)，以街區(qū)(鄰里)或單棟建筑為單位供能，盡量縮短熱力管道的輸送距離和輸送半徑。大管徑的輸送管道可以作為蓄熱(冷)裝置考慮。

4) 熱泵的熱源/熱匯資源共享(太陽能熱水/工業(yè)余熱/地埋管換熱器/地表水源/污水源/熱源塔/冷卻塔)，通過能源總線系統(tǒng)集成低品位熱源/熱匯。

在區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置中有幾個(gè)要點(diǎn)：

1) 作精細(xì)化負(fù)荷預(yù)測(cè)，根據(jù)負(fù)荷分布特點(diǎn)選擇合適的系統(tǒng)組合，確定系統(tǒng)形式(集中/分散/分布)。

2) 分析城區(qū)動(dòng)態(tài)負(fù)荷特點(diǎn)，確定不同時(shí)段的負(fù)荷分別由哪個(gè)系統(tǒng)(哪種能源)分擔(dān)(scheduling)，系統(tǒng)效率，對(duì)建筑內(nèi)末端系統(tǒng)的要求，新風(fēng)熱回收效率的低限。

3) 智能能源管理系統(tǒng)是凈零建筑能耗城區(qū)能源系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，幾乎所有區(qū)域能源系統(tǒng)的可研報(bào)告或系統(tǒng)方案中都會(huì)提及智能能源管理系統(tǒng)，但都沒有實(shí)質(zhì)性的系統(tǒng)架構(gòu)和方案，在實(shí)際工程中更是被忽視。這主要因?yàn)閰^(qū)域能源管理系統(tǒng)的研究還十分欠缺，尤其對(duì)多能源復(fù)雜系統(tǒng)的控制模型和優(yōu)化算法的研究還是空白。

4) 區(qū)域能源系統(tǒng)不能沿用習(xí)以為常的單體建筑供暖供冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。凈零建筑能耗城區(qū)的能源系統(tǒng)一定比單體建筑系統(tǒng)的一次能效高，其系統(tǒng)總負(fù)荷一定低于各單體建筑峰值負(fù)荷之和，區(qū)域能源系統(tǒng)的總裝機(jī)容量一定小于單體建筑裝機(jī)容量之和，集中式的區(qū)域能源系統(tǒng)一定是多能源復(fù)合的供能系統(tǒng)。

3.6 第六步：績(jī)效評(píng)估

凈零建筑能耗城區(qū)能源規(guī)劃的績(jī)效評(píng)估是規(guī)劃實(shí)施的決策依據(jù)，應(yīng)包括以下內(nèi)容：

1) 各類建筑與超低能耗建筑基準(zhǔn)線相比的節(jié)能量。

2) 總能耗量和城區(qū)凈零能耗的計(jì)算值。

3) 節(jié)能量和減碳量的分?jǐn)偂?br />
4) 投資回報(bào)。

圖2給出了凈零建筑能耗城區(qū)能源規(guī)劃的基本流程，圖中虛線箭頭表示不能滿足規(guī)劃目標(biāo)時(shí)的重復(fù)分析過程。

4 結(jié)論

1) 要實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑能耗總量控制和綜合節(jié)能目標(biāo)，凈零能耗建筑是必要的措施。

2) 要使新建建筑達(dá)到凈零能耗標(biāo)準(zhǔn)，可以采取在城區(qū)層面共享資源、集成應(yīng)用可再生能源、創(chuàng)造適宜被動(dòng)式技術(shù)的空間環(huán)境等技術(shù)，通過建設(shè)凈零建筑能耗城區(qū)來實(shí)現(xiàn)。

3) 在城區(qū)需求側(cè)能源規(guī)劃基礎(chǔ)上，建立起供給側(cè)與需求側(cè)協(xié)同的凈零建筑能耗城區(qū)能源規(guī)劃方法。

4) 凈零建筑能耗是一個(gè)運(yùn)行目標(biāo)，需要通過全年的運(yùn)行績(jī)效檢測(cè)來驗(yàn)證。技術(shù)的發(fā)展為凈零建筑能耗城區(qū)的能源管理提供了有效的工具。