专家论坛 建设科技 2021 年 9 月下 总第 438 期 CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 碳中和之路与被动式低能耗建筑 陈守恭 德国被动房研究所代表 2030 年碳达峰，2060 年碳中和。中国对世界的承诺， 放 量 增 加 近 二 倍。2019 年 中 国 的 碳 排 放 量 占 全 球 的 已经开始行动。但对许多人而言，30、60 还是两个十 27.2%，是第二名美国的 1.9 倍。在 2030 年碳达峰之前， 分遥远的数字。 还要继续增长。 气象学家指出，极端气候事件频发、强度大增的根 中国的双碳政策，对于遏制地球升温，挽救气候危 本原因在于全球气候变暖。而大气中温室气体浓度增加， 机，维持可持续生存环境，意义极为重大。这不只是一 是气候变暖的直接原因。工业革命前，地球大气二氧化 个只许成功，不能失败的国际承诺，也是对中国自己后 碳浓度在 280ppm 左右。半世纪前，升到了 340ppm。 代子孙的承诺。 而 2020 年最高已经达到 417ppm。人类大量使用化石 能源，是碳排放暴增的原因。 2 这一条因果链十分清楚：要遏制地球升温，减少温 可再生能源不足以取代化石能源 实现碳中和，就是基本放弃化石能源，以可再生能 室气体排放，也就是减少化石能源消耗，是刻不容缓的 源进行取代。但可再生能源仍是稀缺、昂贵、使用受限的。 主要的手段。 全部取代，几乎绝无可能。以排放最 多的电力行业而论， 目前 72% 来自火力发电，18% 来自水力发电，核能、 1 中国承担起减排的世界责任 风 能、太阳能合计仅为 10%。即使我国按计划加速风 中国在 2005 年成为世界碳排放第一大国，且还 在快速增长。自 21 世纪以来，中国的二氧化碳年排 表1 能与太阳能发电，在 2030 年前将两者装机容量翻倍， 占比仍然很低（图 1）。 中国“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”的自主承诺 习近平的国际发言 摘要 A．使二氧化碳排放达到峰值 2015 年 11 月 30 日 气候变化巴黎大会讲话 2020 年 9 月 22 日 联合国大会 一般性辩论讲话 2030 年左右达到， 并争取尽早实现 力争于 2030 年前达到 B．碳中和 2020 年 12 月 12 日 气候雄心峰会讲话 争取于 2060 年前实现 C．风电太阳能发电总装机容量 达到 12 亿 kW 以上 D．2030 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 60% ～ 65% 65% E．非化石能源占一次能源消费比重 20% 左右 25% F．森林蓄积量比 2005 年增加 45 亿 m3 左右 60 亿 m3 DOI: 10.16116/j.cnki.jskj.2021.18.002 14 ∣ 建设科技 2021 No.18 专家论坛 陈守恭：碳中和之路与被动式低能耗建筑 的迅速广泛应用，是实现 2060 年碳中和目标的必经之路。 5 被动式低能耗建筑是节能主力 被动式低能耗建筑，源于德国被动房技术。被动房 五个主要措施，现在已经被普遍接受，不必多做阐述（图 3）。但如果以为被动房技术尽在于斯， 则是误解。凡 以被动方式，减少建筑能耗的手段，都是被动房技术所 图 1 2020 年全国可再生能源的发电量占比小于装机容量占比 欢迎、 提倡、探索的。例如体型比、朝向、固定遮阳、 3 节能才是实现碳中和的主要手段 活动外遮阳、冷色（反射） 涂料、冷辐射材料、地道 送风等等。原则上，被动房要求每个人员使用房间都必 碳中和的实现，依赖的是 75% 的能效提高（节能）， 须有窗，以保证在适宜条件下可实现开窗通风。技术进 25% 的可再生能源替代。这是德国对碳中和途径的预测。 步无止境，被动节能技术期待更高效益的材料、产品、 维持现有服务水平不坠，达成 2050 年碳中和的目标是 方法的出现。 可能的。诚如德国默克尔总理所言：“最好的电，是没 有使用的那度电”（图 2）。 就以这五个主要措施而言，也不是一成不变的。良 好的设计，就是在多种可能相互冲突的条件下寻求最优 解。被动式技术是建筑节能的不可或缺的基础，但不是 唯一的、排他的措施。 图2 4 德国实现碳中和的实践与预测途径（费斯特教授） 建筑是排放大户，也是节能黑马 减少碳排放，自然要从主要排放来源下手。世界主 要工业国家，能源消耗的占比大约是工业生产、交通、 建筑各占三分之一。目前我国建筑运营期间的能耗占社 会终端能耗的 21%。随着生活水平提高，此比例还将继 续上升。 如果计算建筑全生命周期，即包括建材生产 及建造过程的能耗，按统计方法的不同，总计高达全部 图3 被动式低能耗建筑五项主要措施 （图片来源：德国被动房研究所） 6 被动式建筑是近零能耗、超低能耗建筑的基 础 能耗的 38% ～ 52%。无论采用哪一种数据，建筑节能 自 2019 年 9 月 1 日我国推出“近零能耗建筑技术 减排无疑是重中之重。本文主要探讨建筑运营期间的节 标准”，以及该标准中定义为“初级表现形式”的“超 能途径。 低能耗建筑标准”以来，“被动式超低能耗绿色建筑” 2030 年碳达峰的目标，在 2015 年就已提出。2016 的提法似相对被忽视。其实，在近零能耗标准的“基本 年 2 月，国家发展改革委员会于住房和城乡建设部《城 规定”中开宗明义地指出：“建筑设计应根据气候特征 市适应气候变化行动方案》中，针对“（三）提高城市 及场地条件，通过被动式设计降低建筑冷热需求和提升 建筑适应气候变化 能力”，明确提出了“积极发展被动 主动式能源系统的能效达到超低能耗。在此基础上， 式超低能耗绿色建筑”的指示。其依据是始于 2010 年， 利用可再生能源对于建筑消耗能源进行平衡和替代达到 住房和城乡建设部在与德国能源署合作下开展的对被动 近零能耗。有条件时，宜实现零能耗。” 式低能耗建筑的探索，取得的良好成果。这一技术路线 标准中的“建筑本体性能指标”，建立在被动式技 建设科技 ∣ 15 专家论坛 建设科技 总第 438 期 术的基础上。而“被 动式建筑”，已经发展为完整的 阳等方式，提高建筑的保温防热蓄水功能。从建材减排 技术体系，提出了可遵循的设计原则与计算工具，带动 的观点，以更多可再生、蓄碳的木结构，部分取代使用 了市场上多样而价格合理的产品，为达成目标提供了技 高能耗建材的钢筋混凝土与钢结构，具有更重大的意义。 术与经济的保障。 我国近零能耗建筑标准，接轨于欧盟 2010 年就确 8 被动措施与可再生能源的比较 定原则、2021 年开始实施（公用建筑提前 2 年）的近 前述所有节能减排措施都应该被充分考虑。优良的 零能耗建筑标准，也在一定程度上参考了德国 被动房 设计应该在多种可能中权衡取舍，寻求最优方案。而确 研究所的被动房标准。不同于欧盟的由各成员国自行制 保被动式节能技术的充分利用，通常是最优解。 定标准，我国则按不同气候区制定了不同的标准。德国 在现行国家“近零能耗建筑技术标准”中，将可再 被动房研究所认证的 5000 多个被动房项目，是当今世 生能源 10% 列为必要。 鼓励引导可再生能源的利用。 界上最大的近零能耗建筑数据库。 这与被动式节能技术相辅相成，并行不悖。但 设计者 7 建筑节能的主要手段 不应误以为可再生能源与被动节能为“等价”。未充分 利用被动措施， 难以用可再生能源作为弥补。 以下列举的建筑节能减排手段，无一不重要，无一 可再生能源应作为被动节能手段穷尽（达到最佳效 可忽略。但实施策略上，有相对的轻重缓急。其中最重 益）之后的补充， 而非之前的替代，因为后者的效益 要、最基本的是被动式节能。在总预算有限，必须在不 更高。表 2 为上海某建筑规划时为降低 80000kWh/ 年 同措施间有所取舍的情况下，优先投资被动式节能措施 能耗所做的方案比较。其中可以看到，采取被动式措施 是最合 理的选择。 明显投资更少，效益更高。 被动式建筑绝不排斥其他措施。相反的，只有各种 措施的共同配合，碳中和才能真正实现。因为被动措施 表 2 上海某办公大楼节能方案：被动措施与可再生能源比较 导致设备的需求减少（例如空调、地暖、 散热器的装 某办公建筑为满足绿建三星 标准 被动方式 主动方式 要求：节电 80000kWh/a 增加外围护保温厚度 增设光伏板 一次性投资 低（4.5 元 /kWh·a） 高（8 元 /kWh·a） 使用年限 ＞ 50 年（建筑同寿命） 20 年 机容量或必要性），则是无可避免的趋势。 （1）被动优先节能充分利用被动式节能技术，使 建筑本体在满足舒适（例如合适、均匀的温湿度）与健 康（充足的氧气供应）的条件下，对使用主动供暖供冷 的需求 降至最低。 占用面积 小（无，现建成屋顶花园） 900m2 屋顶面积 空调装机容量 小 大 设备，包括供暖、制冷、除湿设备、（空气源、水源、 维护费用 低（无） 有 地源）热泵、热水、照明、家用及办公设备、电梯，以 对环境温度影响 无 有 及各种辅助设备，如风机、循环泵等。也包括设备系统 后期增设光伏板可能性 高 有限 后期成为零能房、产能房可 能性 高 低 对建筑物的保护 更好 无 舒适度 更好 一般 （2）主动优化节能合理选用、配置高能效的建筑 的整合，例如新风空调一体，供热制冷一体，发电、储 能、储热、热水、供暖一体。 （3）可再生（低碳）能源利用 与建筑密切相关的是太阳能、风能、地热能。在能 耗大幅降低的条件下，才有可能完全取代化石能源。建 筑上的即产即用，是可再生能源的最有 效利用。 （4）智能能量调配包括利用自动检测、控制技术， 优化、整合设备运行，提高能效；利用短期、长期储电、 9 被动优先原则 被动优先有几重含义： 一是在规划设计的顺序上， 储热设施提高风电、太阳能发电的利用率；错峰用电， 被动措施必须“先”于主动措施； 二是在经济投资的 调 节电网负荷；利用夜电节省电费。 效益上，被动措施显著“优”于主动措施（及可再生能 （5）绿化固碳以屋顶花园、垂直绿化、落叶树遮 16 ∣ 建设科技 源）；三是在舒适健康的水平上，被动措施自然高于（单 2021 No.18 陈守恭：碳中和之路与被动式低能耗建筑 专家论坛 独依赖）主动措施； 四是在未来迈向碳中和的路径上， 被动式建筑是第一步。 （1）被动设计优先 只有最大限度地利用被动节能技术，才能