韓京彤，王清勤，李德英，聶金哲

（1.北京建筑大學(xué) 供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

我國既有建筑存量巨大，截至2015年底，既有建筑面積接近600億m2。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出了“十三五”期間我國居住建筑節(jié)能改造的具體目標(biāo)：在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，實(shí)施既有居住建筑節(jié)能改造面積5億m2以上，2020年前基本完成北方采暖地區(qū)有改造價(jià)值的城鎮(zhèn)居住建筑的節(jié)能改造。

由于建筑年代和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的差異，我國北方采暖地區(qū)仍存在很多20世紀(jì)80、90年代的非節(jié)能、低節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的居住建筑，冬季熱負(fù)荷較大，為了提高居民室內(nèi)舒適度就只能提高供熱系統(tǒng)耗熱量，造成能源大量浪費(fèi)的情況。對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造不僅能提升居民舒適度，還可以節(jié)能減排。

本文以北京地區(qū)某典型住宅為例，采用DeST軟件進(jìn)行能耗模擬。研究在不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)（外墻、屋面、外窗）改造對(duì)建筑總能耗的影響，比較不同圍護(hù)構(gòu)件和供熱方式下圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的經(jīng)濟(jì)性，并進(jìn)行環(huán)境、社會(huì)效益分析。

1 典型住宅建筑模型

1.1 建筑概況

典型建筑模型為6層住宅，正南朝向，層高3 m，體形系數(shù)為0.29，綜合窗墻比為0.23；建筑面積約為3051.04 m2，占地面積約為508.50m2。根據(jù)建筑房間功能不同，分為起居室、主臥室、次臥室、書房、衛(wèi)生間和廚房。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

圖1 住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面

地點(diǎn)設(shè)置為北京，所屬地區(qū)為寒冷地區(qū)。典型建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為未進(jìn)行節(jié)能改造的建筑，熱工參數(shù)如表1所示。

表1 典型建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置

1.2 DeST能耗模擬模型參數(shù)設(shè)置

采用清華大學(xué)開發(fā)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析的軟件平臺(tái)——建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包（Designer's Simulation Toolkit，簡(jiǎn)稱DeST）進(jìn)行建筑能耗模擬分析?？照{(diào)期設(shè)置為6月1日至10月1日；采暖期設(shè)置為11月15日至3月15日，采暖期內(nèi)24小時(shí)供暖。室內(nèi)外換氣次數(shù)設(shè)置為1.0次/h。

2 模擬內(nèi)容

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案

本文對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻、外窗和屋面進(jìn)行節(jié)能改造模擬分析。根據(jù)表2中提供的基于不同節(jié)能目標(biāo)的3部節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K的限值，對(duì)外墻、外窗和屋面各進(jìn)行3種不同的節(jié)能改造方式，并進(jìn)行編號(hào)，將4種改造方案進(jìn)行排列組合，得到總共64中節(jié)能改造方案。根據(jù)北京市定額標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)調(diào)研，圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造工程造價(jià)情況如表3所示。

表2 不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K限值

注：①JGJ26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》；②DB11 891—2012《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》；③《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（居住建筑）》（試行）。

表3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案

2.2 不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下改造方案對(duì)供暖能耗影響

因現(xiàn)有節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)冬季采暖熱負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行限制，因此，本文將對(duì)64種節(jié)能改造方案模擬出的熱負(fù)荷指標(biāo)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中采暖能耗指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，研究符合現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)或者更高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能改造方案。

2.3 單項(xiàng)改造方案對(duì)全年供暖空調(diào)總能耗的影響

對(duì)外墻、屋面、外窗全部進(jìn)行改造會(huì)對(duì)居住建筑的居民生活產(chǎn)生影響，并且投資較大，不易實(shí)現(xiàn)。而進(jìn)行外墻或屋面或外窗的單項(xiàng)改造對(duì)居民生活影響較小，是比較理想的改造方式。比較不同圍護(hù)構(gòu)件在不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的能耗變化，并比較不同改造方案中外墻、屋面、外窗單項(xiàng)改造對(duì)供暖空調(diào)總能耗的影響。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下改造方案對(duì)冬季采暖能耗的影響

《北京市既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定實(shí)施全面節(jié)能改造后的建筑耗熱量指標(biāo)不應(yīng)高于15.0W/m2；而現(xiàn)行《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的耗熱量指標(biāo)為10.5 W/m2。圖2為不同節(jié)能目標(biāo)下改造方案耗熱量指標(biāo)。

由圖2可以看出，住宅建筑改造若要達(dá)到現(xiàn)行節(jié)能改造的標(biāo)準(zhǔn)，需至少對(duì)外墻、外窗和屋面實(shí)行符合節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造；若要達(dá)到現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（節(jié)能75%），需對(duì)外墻、外窗和屋面實(shí)行符合超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造。

圖2 不同節(jié)能目標(biāo)下改造方案耗熱量指標(biāo)

排列組合的64種改造方案中耗熱量指標(biāo)符合現(xiàn)行節(jié)能改造標(biāo)準(zhǔn)（≤15.0W/m2）的方案有30種，其中進(jìn)行外墻、外窗和屋面3項(xiàng)改造的有27種，單獨(dú)進(jìn)行外墻和外窗2項(xiàng)改造的方案有 3 種，分別為（4，A，b）、（4，A，c）、（4，A，d）。只進(jìn)行 2 項(xiàng)改造的3個(gè)方案中，都未進(jìn)行屋面改造，全部進(jìn)行了外墻和外窗改造，外墻改造甚至全為超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造，由此可以得出，節(jié)能改造中外墻及外窗改造對(duì)節(jié)省供暖能耗的潛力巨大，屋面的節(jié)能潛力最小。

3.2 單項(xiàng)改造方案對(duì)全年供暖空調(diào)總能耗的影響

圖3比較了不同圍護(hù)構(gòu)件在不同改造方案中能耗變化。

圖3 單項(xiàng)改造對(duì)全年總能耗節(jié)能率的影響

由圖3可以看出：（1）采用更高的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)后，節(jié)能率雖然持續(xù)升高，但并沒有明顯增加，反而增加變緩，可見，進(jìn)行節(jié)能改造并不是節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)越高越好，要綜合考慮節(jié)能量和經(jīng)濟(jì)性后才能決定最優(yōu)的改造方案；（2）節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案中的節(jié)能潛力：外墻>外窗>屋面；（3）屋面改造相對(duì)于外墻、外窗改造的節(jié)能率較低。

圖4比較了64種不同改造方案中外墻、屋面、外窗改造對(duì)供暖空調(diào)總能耗的變化。

圖4 3項(xiàng)改造對(duì)全年總能耗的影響

從圖4可以看出：外窗改造能源消耗量近似呈指數(shù)減少，但是外墻和屋面改造只有在節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案中能源消耗量減少較多，提升節(jié)能改造標(biāo)準(zhǔn)后，能源消耗量減少變緩，特別是屋面改造，能源消耗量基本不變。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1.1 冷熱源運(yùn)行費(fèi)的計(jì)算

住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在冷熱源運(yùn)行費(fèi)用的減少量。我國北方地域遼闊，供熱方式多種多樣，因此，不同冷熱源形式運(yùn)行費(fèi)用不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的經(jīng)濟(jì)效益也有所差異。本文主要討論供熱方式為燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式、區(qū)域燃煤鍋爐供熱方式、區(qū)域燃?xì)忮仩t供熱方式、分戶燃?xì)獗趻鞝t供熱方式和電熱膜供熱方式；采用分體空調(diào)作為夏季制冷的主要形式。

熱源運(yùn)行費(fèi)用主要由燃料費(fèi)、水費(fèi)、電費(fèi)、人工管理費(fèi)、維修費(fèi)、折舊費(fèi)組成，冷源運(yùn)行費(fèi)用主要是分體空調(diào)制冷的電費(fèi)。其中，各供熱方式水費(fèi)、電費(fèi)、人工費(fèi)和維修費(fèi)見表4（不考慮折舊費(fèi)）。燃料費(fèi)計(jì)算公式如下：

式中：F——冬季采暖燃料費(fèi)，元；Q1——采暖熱負(fù)荷，kW·h；C——燃料熱值，kCal/kg（或kCal/m3）；η1——室外管網(wǎng)輸送效率，%；η2——鍋爐額定工況下熱效率，%；P——燃料價(jià)格，元/kW·h（元/kg或元/m3）；K——夏季分體空調(diào)電費(fèi)，元；Q2——空調(diào)冷負(fù)荷，kW·h；EER——房間空調(diào)器能效比；E——北京市電價(jià)，元/（kW·h）。

表4 北京市能源價(jià)格

初始建筑的全年累計(jì)熱負(fù)荷為231 529.17 kW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷為75 293.51 kW·h。由式（1）得出該圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造下不同供熱方式運(yùn)行費(fèi)用如表5所示[1-2]，由式（2）得出采用分體空調(diào)制冷的電費(fèi)為12 605.4元/年。

表5 初始建筑熱源運(yùn)行費(fèi)用 元/m2

4.1.2 經(jīng)濟(jì)性分析

凈現(xiàn)值（NPV）是指節(jié)能改造方案所產(chǎn)生的節(jié)能成本在考慮社會(huì)折現(xiàn)率后與初始投資的差額。凈現(xiàn)值越大，方案越好，改造經(jīng)濟(jì)性越優(yōu)。凈現(xiàn)值計(jì)算公式如下：

式中：NPV——凈現(xiàn)值，元；CI——改造方案年節(jié)約費(fèi)用，元；CO——改造方案初始投資費(fèi)用，元；i——社會(huì)折現(xiàn)率，%。

由式（3）計(jì)算不同圍護(hù)構(gòu)件、不同改造標(biāo)準(zhǔn)的凈現(xiàn)值，使用年限取25年，社會(huì)折現(xiàn)率取5%，如圖5所示。

圖5 不同圍護(hù)構(gòu)件、不同改造標(biāo)準(zhǔn)方案的NPV和節(jié)能率對(duì)比

由圖5可以看出：（1）外墻改造是最具經(jīng)濟(jì)效益的改造方案，且外墻節(jié)能率相對(duì)較高，因此，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造中應(yīng)最優(yōu)先考慮采取外墻改造；（2）屋面改造節(jié)能率相對(duì)較低，且凈現(xiàn)值不高，因此屋面改造效益較差；（3）外窗改造節(jié)能率較高，但凈現(xiàn)值較低，甚至在超低能耗改造方案中凈現(xiàn)值為負(fù)，所以，外窗改造的方案僅適用于考慮節(jié)能性多于經(jīng)濟(jì)性的情況。

由式（3）計(jì)算不同供熱方式、不同改造標(biāo)準(zhǔn)的凈現(xiàn)值，如圖6所示。

圖6 不同供熱方式、不同改造標(biāo)準(zhǔn)方案的NPV對(duì)比

由圖6可以看出：（1）當(dāng)冬季供熱方式為區(qū)域燃?xì)忮仩t、分戶燃?xì)獗趻鞝t和電熱膜供暖時(shí)，節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行。其中，采用電熱膜供暖方式的建筑改造經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其次是區(qū)域燃?xì)忮仩t，分戶燃?xì)獗趻鞝t最差，凈現(xiàn)值僅為2963.34元。（2）當(dāng)冬季供熱方式為區(qū)域燃?xì)忮仩t和電熱膜供暖時(shí)，節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行。其中，采用電熱膜供暖方式的建筑改造經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其次是區(qū)域燃?xì)忮仩t。（3）當(dāng)冬季供熱方式僅為電熱膜供暖時(shí)，超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行，其余供熱方式的凈現(xiàn)值均為負(fù)值。也就是說，即使在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造方案的投資也無法收回。

4.2 環(huán)境效益分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，每節(jié)約電1 kW·h，就相應(yīng)減少排放0.997 kg CO2、0.03 kg SO2、0.015kg NOx、0.272 kg碳粉塵、0.136 kg 煙塵等污染物[3]。根據(jù)廢氣排污費(fèi)和相關(guān)數(shù)據(jù)，NOx排放價(jià)格為631.6 元/t，SO2為20 000 元/t，煙塵為 275.2 元/t[4]。表 6 為在不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的減排量，表7為在不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的環(huán)境效益統(tǒng)計(jì)。不難看出，在節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)改造的建筑中，節(jié)能減排綜合價(jià)值為40.42元/m2；在節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)改造的建筑中，節(jié)能減排綜合價(jià)值為47.31元/m2；在超低能耗改造的建筑中，節(jié)能減排綜合價(jià)值為52.63元/m2。住建部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2016年北京市完成既有居住建筑節(jié)能改造面積774萬m2。按照進(jìn)行節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造計(jì)算，減少排放 CO240.42 t/年，SO21.22 t/年，NOx0.61 t/年，碳粉塵11.03 t/年，煙塵5.51 t/年，環(huán)境效益3.13億元/年。進(jìn)行節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)的改造計(jì)算，減少排放CO247.32 t/年，SO21.42 t/年，NOx0.71 t/年，碳粉塵12.91 t/年，煙塵 6.45 t/年，環(huán)境效益 3.66億元/年。進(jìn)行超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造計(jì)算，減少排放CO252.63 t/年，SO21.58 t/年，NOx0.79 t/年，碳粉塵 14.36 t/年，煙塵 7.18 t/年，環(huán)境效益4.07億元/年。可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造有著巨大的環(huán)境效益。

表6 節(jié)能改造減排量

表7 節(jié)能改造環(huán)境效益

4.3 社會(huì)效益分析

“十二五”時(shí)期，我國建筑節(jié)能和綠色建筑事業(yè)取得重大進(jìn)展，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，既有居住建筑節(jié)能改造在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)全面展開，各項(xiàng)工作取得積極成效。截至2015年底，北方采暖地區(qū)共計(jì)完成既有居住建筑供熱計(jì)量及節(jié)能改造面積9.9億m2，住宅舒適度明顯改善，惠及超過1500萬戶居民。老舊小區(qū)更新改造關(guān)系民生福祉，對(duì)非節(jié)能或低節(jié)能的老舊小區(qū)建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，減少了能源消耗，提升了居住質(zhì)量，具有重大的社會(huì)意義。

5 結(jié) 語

通過DeST軟件模擬不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下北京地區(qū)典型的6層磚混結(jié)構(gòu)老舊住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造能耗狀況，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益研究分析，主要結(jié)論如下：

（1）節(jié)能改造方案的確定并不是節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)越高越好，要綜合考慮節(jié)能量和經(jīng)濟(jì)性后，才能決定最優(yōu)的改造方案；綜合考慮節(jié)能量和經(jīng)濟(jì)性，在此算例中，綜合窗墻比為0.23的6層住宅進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造中應(yīng)最優(yōu)先考慮采取外墻改造。

（2）屋面改造相對(duì)于外墻、外窗改造的節(jié)能率較低，對(duì)于亟需提升室內(nèi)舒適的非節(jié)能多層住宅建筑，宜優(yōu)先進(jìn)行外墻或外窗改造；外墻和外窗改造的節(jié)能率與建筑物窗墻比有關(guān)，因此優(yōu)先性需進(jìn)行具體能耗計(jì)算才能得出。

（3）為使節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行，當(dāng)夏季采用分體空調(diào)供冷時(shí)，冬季供熱方式可為區(qū)域燃?xì)忮仩t、分戶燃?xì)獗趻鞝t和電熱膜，其中，采用電熱膜供暖方式的未改造建筑經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其次是區(qū)域燃?xì)忮仩t，分戶燃?xì)獗趻鞝t最差；為使節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行，當(dāng)夏季采用分體空調(diào)時(shí)，供熱方式可為區(qū)域燃?xì)忮仩t和電熱膜，其中，采用電熱膜供暖方式的建筑改造經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于區(qū)域燃?xì)忮仩t；為使超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造方案在經(jīng)濟(jì)上可行，當(dāng)夏季采用分體空調(diào)時(shí)，供熱方式可為電熱膜。

（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造有著巨大的環(huán)境效益。在本文算例中，按照進(jìn)行節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)的改造計(jì)算，北京市2016年減少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉塵、煙塵分別為 40.42、1.22、0.61、11.03、5.51 t，環(huán)境效益3.13億元；進(jìn)行節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)的改造時(shí)，減少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉塵、煙塵分別為 47.32、1.42、0.71、12.91、6.45 t，環(huán)境效益3.66億元；進(jìn)行超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的改造計(jì)算，減少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉塵、煙塵分別為 52.63、1.58、0.79、14.36、7.18 t，環(huán)境效益 4.07 億元。

（5）老舊小區(qū)更新改造關(guān)系民生福祉，對(duì)非節(jié)能住宅建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，提升了人居環(huán)境的舒適度，具有重大的社會(huì)意義。