「創新使命」 （Mission Innovation，簡稱MI）是2015年《聯合國氣候變化框架公約》第21此締約方會議發起的清潔能源領域全球多邊合作機制。目前24個國家和歐盟共同加入。由各國能源領域部長作為最高領導層。
受國家科技部國際合作司委託，中國科學院電工研究所成立了「創新使命」中方秘書處，並搭建微信公眾號宣傳平臺，擴大MI在國內的影響力。
中國科學院電工研究所（以下簡稱電工所）於1958年籌建、1963年在北京正式成立，迄今已有60餘年的歷史。作為電氣科學與工程技術領域的國家科研機構，在我國能源技術與電氣科學領域具有重要地位。
電工所總體定位於電能生產、輸配和高效利用與檢測領域戰略高新技術和電氣科學前沿交叉研究，在促進我國能源轉型及相關戰略性新興產業的發展等方面起骨幹引領和核心支撐作用。主要研究方向為：可再生能源發電、電力設備新技術、電網技術、電力電子與電能變換、超導與新材料應用、生物電磁學與電磁探測等。建所以來，擁有高水平科研團隊，取得成果頗豐，與美國、俄羅斯、德國、法國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞以及「一帶一路」沿線等30多個國家和地區建立了廣泛的科技合作和交流。
電工所與清華社科能源轉型研究中心就「創新使命＂ 第二階段（MI2．0）實施工作達成合作共識。清華能源轉型中心將積極支持創新使命中方秘書處的工作，同時中科院電工所也將積極配合「每人一千瓦光伏」倡議的相關工作。雙方將開展合作研究，聯合進行成果的宣傳推廣。本篇文章由清華大學能源轉型與社會發展研究中心「每人一千瓦光伏」團隊撰寫，建築節能也是「創新使命」框架下重點關注領域之一。
中科院電工所可再生能源系統發電研究部主任王一波和清華大學社科學院能源轉型與社會發展研究中心常務副主任何繼江合影
瑞典零能耗建築
目錄
一、國內建築能耗與碳排放
二、瑞典零能耗建築考察
三、瑞典零能耗建築小結
四、對中國零能耗建築之路的啟發與建議
一、國內建築能耗與碳排放
根據中國建築節能協會能耗統計專委會製作的2000年至2016年統計數據顯示，全國能耗的20．6％由建築能耗佔據，其中公共建築與城鎮居建均佔據38％，建築碳排放佔全國能源碳排放的19．4％。為了有效實現我國碳排放目標，建築領域亦應進行轉型，推動2060年碳中和進展。
零能耗建築將能源效率和可再生能源的生產結合起來，僅消耗指定時間段內可再生資源在現場產生的能源。實現零能耗是一個雄心勃勃但越來越可實現的目標，在國際上很多發達國家市場中都在不斷發展，私人商業地產所有者對開發零能耗建築以實現其公司目標的興趣日益濃厚。
二、瑞典零能耗建築考察
（一） 哥德堡Hans－Olof房屋
1． 建築情況概覽：
這幢房子的獨持性在於它是一座離網的零能耗建築。它依靠22kW的光伏系統實現熱電聯產。在解決電，熱，熱水的同時，還可以給電動汽車充電。其技術組成包括：光伏發電、太陽能集熱、鉛酸電池，制氫，儲氫，燃料電池，熱水儲存，熱泵，地板輻射供暖，電動汽車充電設施等。
這幢房子的主人，也是這幢房子的設計者Hans－Olof Nilsson是一名電氣和通信專業的工程師。曾經開辦了一個製冷設備廠，他從2005年起在瑞典建立一家風力發電公司，後來創辦了一家可再生能源諮詢公司ParkuddenEnergi AB，現在還是Nilsson能源公司的聯合創始人。關於房子的成本，2014年開始建造該幢房子，2015年開始使用。2017年漢斯·奧洛夫（Hans－Olof）曾在一篇報導中提到，「瑞典的一棟典型的高層建築平均每平方米的價格為32，000 克朗（瑞典克朗，約24，000人民幣），我們的房屋總價為1500萬瑞典克朗，佔地500平方米，每平方米價格為30，000 克朗。」 。考慮到整個系統選用優質材料、PV、光熱板，和大量控制單元、逆變器、水罐等，這個花費其實是很低的。
清華能源轉型研究中心常務副主任何繼江於2018年11月考察
＊以上數據均為每年產能數據
2． 能源系統三種運行模式：
a）有陽光的白天：光伏首先滿足房屋負荷，富餘太陽能給電池充電，電池SOC達到85％時，電解槽開始制氫，製得的氫氣壓縮並以300bar壓力儲存在室外儲罐中。
b）無陽光的黑夜：房屋負荷由電池滿足。
c）冬季（光照時間過短）：當電池SOC低於30％時，燃料電池啟動給電池充電，產生的熱用於房屋供暖與提供熱水。
房屋能流圖
3． 建築系統構成與實地考察過程
整個向南的屋頂都覆蓋有光伏和光熱板，為房屋提供大部分電能。中間是隔熱板。140平方米的PV產生20 kWp的電力，而20平方米的光熱板則產生13 kW的熱力。垂直的PV（0．8kWp）可以捕獲冬季的低角度太陽能（與水平線夾角12－15度）。西面外牆壁，兩個太陽能電池板捕獲了午後和傍晚的太陽能，產生約2．0 kWp的電力。
Hans－Olof房屋外觀
外牆覆蓋德國製造商Tonality的瓷磚，安裝在垂直的金屬導軌上，與下方的隔熱材料之間留有大約一英寸的空間，以提供充足的通風並避免建築中積聚溼氣，並且這部分自由空間可以輕鬆隱藏用於安裝例如燈或攝像頭的電纜。此外瓷磚在夏季可提供出色的通風和散熱功能，從而減少了對室內製冷的需求。並且這種瓷磚打造的外牆是可以免維護的。
瓷磚外牆
各個部件的連接使用了總共15km的管子和150km的電纜。所有開關被匯總到地下室的中央開關面板，而且可以分別單獨編程，並通過KNX系統監控。
房屋配有一個55平米的室內車庫，房屋可產生足夠電力為兩輛汽車（寶馬i3和雷諾Zoe）每天在此充電。漢斯計劃用豐田燃料電池汽車Mirai來代替他們用於長途旅程的傳統沃爾沃汽車。在當前的能源配置下，該房屋每年可產生800－1000Nm?的氫氣，足以驅動Mirai每年行駛10，000公裡。
1） 電氣系統
光伏電源進入電源中心，電源中心實現電源分配：給電池充電，水電解和房屋內部電網。黃色箱盒是逆變器和充電器的組合。當有多餘的PV電量可用時，它們會為電池充電，而在沒有PV電源可用時，它們會從電池中提取電量供給房屋。電池放置在牆壁的另一側，每個盒子最大可充電8kW。上方的灰色箱盒是逆變器，滿足了房屋的實時AC電源需求。每個灰色逆變器都與三個黃色箱盒相關，並包含一個冗餘系統。這樣，兩個逆變器都獨立工作，將能量輸送到房屋。紅色箱盒是一個3 kW逆變器，用於將立面光伏面板直接饋入房屋電網三相交流系統的第二階段。
光伏的逆變器及控制系統
電池採用容量為144 kWh的鉛酸電池，足以讓房子整整運行5天，包括熱量，但不包括電動汽車充電。當電池SOC達到85％時，來自PV的電能通過電解水產氫。當SOC低於30％時（例如，在陰天之後，PV產量低），燃料電池會使用氫氣為它們充電。這類電池是密封的，不會像普通鉛酸電池那樣在電池上積聚氣體或有害塗層。
鉛酸電池系統
2） 氫能系統
電解制氫設備最開始使用的是來自GreenHydrogen的鹼性電解槽，每小時產生2Nm?的氫氣。生產和存儲1Nm?的氫（熱量能量為3．3 kWh）需要5．5 kWh。要生產1立方米的氫氣，需要1升純淨的去離子水。生產和存儲1Nm?氫氣所需的5．5 kWh中的0．5kWh將其壓縮到300 bar。這些氫氣在供燃料電池使用時，將產生1．5 kWh的電能和1．5 kWh的熱量。燃料電池產生的熱量會送到房屋的整個供暖系統中。
後來，GreenHydrogen推出了更高效的PEM類型電解槽，Hans－Olof隨機也進行了更新。並且採用了更加高效的金屬氫化物壓縮機系統。電解槽的年產量約為3，000Nm?的氫氣。房屋將使用2，000－2，200Nm?來滿足房間取暖，熱水以及通風，洗滌，烹飪和照明等家庭電力需求，電動汽車的充電當然也包括在內。估計800－1000Nm?的盈餘，Hans－Olof計劃將其用於豐田Mirai（氫燃料電池－電動汽車），這可供其行駛約10，000公裡，電解過程中產生的氧氣被排放到外部空氣中。
氫氣存儲放到室外地下，並用厚厚的水泥板蓋住。氫氣罐的總容積是12立方，壓力是300bars。未來這些氫氣罐能夠儲存3600Nm3的氫氣，能夠支持房屋和燃料汽車的需求。
氫氣罐外觀
氫燃料電池來自瑞典燃料電池製造商PowerCell，它是專門為該房屋定製開發的。這是一項互惠互利的項目， PowerCell公司對燃料電池進行遠程監測，可以從這個項目中獲得大量的數據和經驗。目前採用的這款燃料電池是Powercell公司新一代產品，命名PS－5，它提供大約5 kW的電能和5 kW的熱能輸出。
3） 電力控制與監控
Hans－Olof通過主配電盤可以對房屋內所有開關和主插頭進行控制、計量和編程。整個房子採用滿足KNX標準（KNX是被正式批准的住宅和樓宇控制領域的開放式國際標準）的產品，構建了智能集成建築控制系統。發生故障時，系統將切換到備用逆變器系統中。房屋中總共有7個配電盤，安裝了67個永久性的能源監測器來記錄了所有用電量。房屋總共有14個卡姆魯普公司（Kamstrup）生產的能量監控器，用來記錄房屋水和供暖系統的數據。此外，還記錄了來自氣象站10個不同參數。Hans－Olof積累了所有這些數據，用於在進行能源預測和能源設計過程中模擬能源流動和消耗方式，這樣他可以為那些希望像他一樣離網的人們提供這樣的設計。
主配電盤
交流電源質量監控系統由呂勒奧工業大學在線監控。研究人員監視光伏發電，房屋總的能源消耗，交流頻率，交流電壓和其他幾個參數。除了評估生產、消耗和交流質量波動帶來的影響，監控可以幫助系統實現能源流的切換控制，主要包括在夏季節白天／黑夜／陰天使用電池供電，在冬季採用氫能支撐運行。
4） 供暖與供水
此部分包括房子的一些中央供暖和儲熱組件。三個1000升的水箱，在鋪好的車道和院子下存儲35°C的水，用於室外冰雪融化系統。塑料管應在鋪好的表面下方10釐米處拉出。冬季，溫水循環加熱上述表面並融化所有冰雪。該系統不會一直運行，只要在有積雪或冰時，運行一段時間就足夠。大水箱前面的膨脹容器將容納系統中的所有超壓。兩個400升水箱為家庭提供50°C的水（每周將其加熱至65°C一次，以消除潛在的軍團桿菌細菌）。
13 kW的地源熱泵來自Viessmann。從地表以下180米處延伸的兩個地熱鑽孔中收集能量，夏季通過中央通風單元為房屋降溫，從11月到2月，燃料電池產生的熱量不足，熱泵將給房間供暖（地板供暖）和熱水。它還為車道／院子的冰雪融化系統加熱3，000升35°C的水。
500升帶淨水器的儲備水箱。如果公共供水中斷，該家庭仍可用水3天，其中包括電解水的需求。然而夏季時，每天依靠太陽能發電的氫氣數量巨大，供水中斷可能意味著損失數十Nm?的氫氣。
4． 潛在市場
宜家高層管理人員來漢斯家的房屋學習更多關於如何建造離網房屋的信息。漢斯－奧洛夫用非常吸引人的造價建造了這種質量和性能的房屋，這一事實無疑引起了整個瑞典的好奇，不僅宜家這種房屋行業感興趣，大型能源公司更加如此。由於後者的興趣，瑞典的一家大型公用事業公司和電力供應商目前正在開發Hans－Olof房屋的2．0版本。
（二） 瓦格達社區改造
2020年5月15日瑞典西南部的一個小鎮瓦格達通過使用光伏組件，儲能蓄電池和氫燃料電池的組合，滿足六個公寓樓（共172套公寓）的公共負荷。這將是世界上第一個能源自給自足的住宅綜合體，標誌著我們朝更可持續的公共住房邁出了關鍵的一步。
此前，該社區一棟Backg?rdsgatan建築物的價值為700萬瑞典克朗，而年度能源購買（AEP）達到每平方米140 kWh。裝修後，它的價值升至4，700萬瑞典克朗，每平方米AEP為25 kWh。在添加離網能源系統後，該建築物的價值為5500萬瑞典克朗，按每平方米AEP 4 kWh的水平計算（目標為0 kWh）。
清華能源轉型研究中心常務副主任何繼江考察瑞典瓦格達社區
光伏板共佔地3000平米，每棟建築約500平米太陽能電池板面積，這些房屋還配備有熱泵和排氣通風裝置，氫氣的需求量約為10000 Nm3／建築物，壓縮至300 bar儲存。每棟樓燃料電池為5kW。熱泵，電池和燃料電池放置在鍍鋅房屋上的技術棚中。這種解決方案不僅為城市智能城市和住宅提供許多優勢，也為偏遠社區和地區提供許多優勢。其優勢包括：
零碳能源，零有害排放或副產品
長期存儲和對需求的靈活響應
即使在變化和極端的天氣條件下，電力可靠性高
偏遠地區，關鍵醫療機構和行業可靠發電
運維護成本低
安靜運行，低噪音汙染
四、瑞典零能耗建築小結
基於瑞典自身獨特地理位置，處於北半球高緯度地區，會有極晝極夜現象，選擇氫能作為儲能方式，來實現跨季節長時間儲能是很符合零能耗建築需求的。通過對於瑞典零能耗建築的實地考察可以看出，無論是改造還是新建，其技術路線均是採取光伏發電，電池儲能，電解水制氫，地源熱泵，氫瓶儲能和燃料電池。而且作為試點項目，它們接待大批世界各地來訪者，ZERO SUN項目甚至有自己網站來供公眾實時監控，了解項目信息，這都增大本國內與國際對零能耗建築的接受度，推動零能耗建築領域的發展。
五、對中國零能耗建築之路的啟發與建議
低能耗建築已成為國際建築節能發展新趨勢，我國也積極開展國際合作，參照國外指標及技術體系建造了一批超低能耗建築工程。但是節能建築發展的最終目標可以說應該是零能耗建築，國際上一些發達國家已經從零能耗建築理論階段進入示範項目階段，甚至已經開始尋找實現商業化的可能，而我國對零能耗建築的探索還亟待深入。
實現零能耗建築首先要保證建築的節能性，通過牆體和門窗的隔熱技術實現超低能耗建築。對建築內使用的電熱氫能源完全由風、光、地熱等可再生能源供給，採用儲電、儲熱、儲氫的方式平衡可再生能源供能與負荷用能簡的時間不匹配。
基於瑞典零能耗建築給出以下建議：
1． 對國際零能耗示範建築進行匯總分析，整理出零能耗建築典型模式，對適用場景、技術路線、經濟性等方面深入考察研究與總結。
2． 明確國家零能耗建築定義。國家零能耗建築定義的廣泛接受度，是政府、各組織及私人實體各界努力認識、共同努力激勵零能耗建築事業的基礎。
3． 建造零能耗建築工程示範項目。借鑑國際已有典型案例經驗，從小型住宅著手，到大型社區及綜合性建築，逐步在實踐中探討零能耗技術路線與商業化潛力。
4． 在建立試點項目時，需要制定可衡量目標（如一組能源績效目標），借鑑國際零能耗及相關建築設計指南，制定在實現能源目標的前提下成本控制的策略。
5． 對試點項目長期監控和跟蹤，收集整理系統數據，對系統產能與消耗進行評估，分析建築內行為（如切換運行模式時）對內部電網質量波動帶來的影響，以便後續優化系統，對整體進行簡化，提高大規模商業化可行性。
6． 項目數據的實時監控界面實現可視化，如製作成公眾可以瀏覽的網頁，（具體形式參見瑞典ZERO SUN項目），增強公共對能源轉型參與度，從而提高公眾接受度，也可以引起能源公司或地產公司等相關企業對此的興趣，對零能耗建築的推廣有很重要的作用。
7． 編撰項目指導準則，制定技術手冊、設計指南與國家行業規範。從本土化的試點項目與國際前沿項目中吸取經驗。
8． 進行零能耗區總體規劃，探討能源規劃面臨的障礙，學習解決這些障礙的先驅地區的思路，結合自身情況，因地制宜，考慮是否可大規模複製。
9． 增強對零能耗建築領域人才培養，為邁向未來建築目標做準備．
10． 國家制定對應扶持政策，獎勵機制。
本文研究團隊：
清華大學能源轉型與社會發展研究中心氫能團隊
本文研究與撰稿：
王薇－德國柏林工業大學，
楊子龍－中國科學院電工研究所，
何繼江－清華大學社科能源轉型研究中心