沈振江：日本零能耗政策与规划设计阶段的支持技术-规划问道

2023年6月15日，第九届清华同衡学术周第四场专题论坛“社会·技术”在北京成功举办。本专题论坛邀请了国内外规划领域的部分专家学者和业内人士共同参与，围绕首次公开发布的大师之问“规划三思”，交流大规划视界下的各项技术实践探索。日本金泽大学环境设计系沈振江教授作报告，从两个方面分享了日本零能耗建筑的相关研究，一是关于日本零能耗政策解读，二是介绍零能耗建筑设计阶段的支持技术。

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沈振江：

日本金泽大学环境设计系教授，日本工程院院士，福州大学教授

观点概览：

报告以日本可持续发展城市规划设计的决策支持为例，介绍可持续发展为目标的规划理论创新与技术革新，融合国土空间规划建设和人工智能技术形成交叉学科的研究与实践。主要包括：基于Agent模型，通过目标人群画像构建模拟不同情景，探索政策实施之后的影响及机制；基于规划管控规则数字化，实现目标地块城市形态模拟；基于人与物理空间内耗消费情况，模拟能源分配，提高能源利用效率；为规划学科的发展提供了新思路、新技术和新方法。

”

一、日本零能耗政策解读

1.日本零能耗政策与智慧城市建设

日本零能耗政策与智慧城市建设密不可分。日本的智慧城市建设经历了五个主要过程,呈现金字塔型发展结构：从房地产开发（Real Estate Development）、基础设施建设（Basic Infrastructure）、智慧设施建设（Smart Infrastructure）、到利用大数据提供新的生活服务(Life Services)，以及基于新的生活服务基础创造新的生活方式、文化和艺术(Lifestyles, Culture and Art)，这一发展理念与欧洲的“智慧城市体系” 也较为相似。（注：智慧城市体系包括了智慧移动性(Smart Mobility)、智慧公众(Smart People)、智慧环境（Smart Environment)、智慧经济(Smart Economy)、智慧治理(Smart Governance)、智慧生活(Smart Living)。）

可见，日本对于智慧城市建设的推进是分阶段进行的，从建筑规划领域的“绿色技术”探索，到“智慧设施”建设，再到“零碳生活”，与我国的“智慧、绿色、低碳”三个理念并行发展有所不同。

2.日本零耗能政策发展情况

2014年日本政府提出“能源基本计划”，目标是2020年新建的公共建筑和到2030年新建的所有建筑的半数以上要实现零能耗建筑(ZEB, Zero Energy Building)。2015年日本政府成立了“ZEB实现路径委员会”，提出优化工作方式的节能实现路径，其中最重要的包括利用ICT设施的能源管理进行节能诊断，以及利用大数据技术改善业务部门的运营能力，从而达到控制能耗。随后，2018年日本政府公开了“ZEB设计导则”，主要是“保证舒适的室内环境”和“节能化”两个原则为前提的零能耗建筑普及。

3.“能源基本计划”解读

“能源基本计划”中提出具体的政策目标：到2020年新建公共建筑物中实现ZEB，到2030年新建建筑物的平均值实现ZEB（平均净排放量将达到零）。

在长期能源供求前景中，在实现全年1.7%经济增长的基础上，日本政府提出了“2030年度将最终能源需求与政策前相比削减原油为5030万kl左右”的目标，与石油危机后（1970年～1990年）达到相同的能源消耗效率，从而在住宅、建筑物中实现新建住宅、建筑物的节能基本符合ZEB、ZEH标准。

4.日本零能耗建筑（ZEB）介绍

ZEB的节能方法与法规

2015年7月8日，日本制定了《关于提高建筑物能源消费性能的法律（建筑物节能法）》。为了提高建筑物的节能性能，该法中提出了以下两种方法：

一种是规制措施（义务型），“大规模建筑物的节能标准限制措施”，即在法律上要求非住宅两千平米以上的建筑都要适应现在的节能标准；另一种是诱导措施（鼓励型），“符合节能标准的标识制度及符合节能标准的建筑物容积率奖励特例的限制措施”，即通过奖励“调整容积率”达到零碳的标准。

ZEB的技术标准与能耗计算

有关绿色建筑的标准，早期包括：日本CASBEE、英国BREEAM、美国LEED、德国DGNB、中国EIAS等。日本CASBEE（建筑环境综合性能评价）是日本能源节能机构IBEC在2018年提出的，评价方法以各种用途、规模的建筑物作为评价对象，从“环境效率”出发进行评价，评价体系中“事后评价”的工具手段较多，而设计阶段的能耗评价研究还较少。

日本进行ZEB评价是利用BEI (Building Energy Index)评价指标，根据能源消耗性能计算程序，通过与基准建筑物进行比较，以设计建筑物的一次能源消耗量的比率BEI为指标，在BEI≤0.50的情况下，判定为ZEB（包括ZEB Ready）实现。

其中，“设计建筑物的一次能源消耗量”的统计对象，依据2018年节能标准规定，包括了空调设备、换气设备、照明设备、热水供应设备及升降机，其他的则不算在内。

（太阳光的发电量越大，设计能源消费就越小）

ZEB的定义与分级

日本ZEB的定义是：以“保证舒适的室内环境”和“节能化”并存为前提，在此基础上，推进可再生能源的活用的建筑。ZEB考虑到建筑所带来的能源负荷以及积极利用自然能源，运用高效率的设备系统等在保持室内环境质量的同时，实现大幅度的节能化，使能源消费量的收支为零。

日本为该类建筑物划分三个级别：（以定量划分）节能率达到50%以上的称“ZEB Ready”，达到75%以上的称“Nearly ZEB”，达到100%以上的则为“ZEB”。

ZEB的设计流程

零能耗，可以理解为空调、照明、换气、热水等能耗或建筑物内消耗的能量与通过太阳能发电生成的能量大致相等，但实际上是用发电的原材料消耗进行计算。要达到这一目标，必须针对大楼通过建筑物表皮的高绝热化和自然能源的高效利用来抑制建筑物的能耗。在此基础上通过引进节能技术，实现彻底的节能。最后，引入可再生能源，并尽可能地使能耗接近零。

这样的建筑物被定义为“能源自立型建筑”，其设计过程大致分为“被动设计”、“主动设计”以及建筑物的“能源管理”三部分。“被动设计”是指建筑本身对能耗的影响；“主动设计”即硬件设备的设计，需要将其安全系数调整至非常高；“能源管理”则是强调了工作方式和生活方式层面的节能。

二、建筑设计阶段的支持技术

1.建筑形态法规与太阳能板设置

通过将建筑形态控制法规参数化，控制屋面大小，有效计算建筑可布置太阳能光板的空间，进一步确定太阳能光板的面积铺设，从而分析太阳能光板的年产电量，计算出节能指标贡献。

2.太阳能发电优化设计

太阳能容量优化设计主要包括“主动设计”与“被动设计”两个内容。“主动设计”中涉及了三个主要研究：“地理位置与建筑太阳能发电”研究，即研究太阳能板朝哪个方向可以取得最大的太阳光量；“建筑外皮与太阳能发电潜力” 研究，即对建筑墙面是否可以进行太阳能光采集的研究；“与建筑结构的结合” 研究，即将太阳能光板和屋面结构结合在一起，同时又设置了“空层”来达到隔热效果。此外还有“被动设计”，比如开窗大小与建筑室内的照度分布和温度分布的研究。

3.工作生活方式与能耗模拟

此外是关于工作生活方式与能耗的研究。沈教授团队通过虚拟的元宇宙环境，进行人的生活行为模拟，比如开关灯行为模拟、智能控制空调能耗模拟等。在日本，“空调”房间可以区分为个人空间与整体空间，每个人可以根据自己的喜好，通过人工智能来控制温度和湿度，即以节能的目标来做整体空间的温度设计。这一研究课题，对日本“零碳设计导则”在设计阶段的应用是非常重要的。

4.社区生活方式与能耗

城市里的生活方式对能耗影响也是极为重要的。通过15分钟的四类生活行为，调查了解每个行为行人和能源消费的关系，研究基于每30秒各类行为的能耗大数据，得出人均24小时能耗，从而预测未来日、月和年的能源消耗，进而结合社区建设，通过社区送发电的系统，达到更有效的能源节省。（注：四类生活行为包括：必要行为、拘束行为、自由行为、其他行为。）

报告最后，沈教授进一步介绍了团队关于零能耗、低碳领域的其他研究工作，比如全过程模拟和规划咨询等，并表示这些研究都是长时间持续性的，团队将以日本的零碳设计导则为基础，进一步开展更多尝试性、探索性的科学研究工作。

* 本文所涉及观点均已经过专家本人审核

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