基于成本控制的既有居住建筑節(jié)能改造策略研究

文／李雨柔 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生（通訊作者）

引言

據(jù)2020年中國建筑能耗報(bào)告指出，我國節(jié)能減排工作當(dāng)前為全面調(diào)整階段，提高建筑物的能耗率就是推動(dòng)和促進(jìn)建筑物節(jié)能的根本[1]。2020年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見》中明確指出，對(duì)老舊小區(qū)內(nèi)建筑的改造是實(shí)現(xiàn)城市品質(zhì)提升和人居環(huán)境質(zhì)量改善最有效且直接的方式，對(duì)提高既有建筑的使用率意義重大[2]。對(duì)既有建筑過去的研究以降低能耗為大方向，但改造成本也是改造的重要影響因素，合理控制成本，提高節(jié)能效益與節(jié)能率之間的綜合分析也是非常有必要的。

1 建筑節(jié)能改造成本計(jì)算體系

1.1 節(jié)能改造成本

在節(jié)能改造成本部分，為了突出改造策略選取對(duì)節(jié)能效益的影響，暫且忽略材料運(yùn)輸成本，著重對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造策略的材料費(fèi)用與施工費(fèi)用所產(chǎn)生的總計(jì)成本進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算數(shù)據(jù)通過市場進(jìn)行調(diào)研后選取平均值進(jìn)行計(jì)算，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。改造成本按下式計(jì)算：

式中，I0為改造成本費(fèi)用；Pn為改造所采用材料的單位面積價(jià)格；Cn為改造所采用材料的單位施工成本；Sn為所需材料的總體數(shù)量；k為材料的種類。

1.2 年節(jié)能收益

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能收益主要體現(xiàn)在降低能耗后節(jié)約的電費(fèi)量上，節(jié)能收益要通過當(dāng)前電力收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算后體現(xiàn)，按（2）進(jìn)行計(jì)算：

由于本文以蘇州市為例，根據(jù)蘇州市現(xiàn)行電費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能改造所節(jié)約的電力能耗為年用電量2760千瓦時(shí)之后的節(jié)約值，因此本文p取平均值為0.7073元/KWh。

1.3 成本效益評(píng)價(jià)

成本效益評(píng)價(jià)考慮的是改造項(xiàng)目資金時(shí)間價(jià)值，即為成本控制計(jì)算。具體包括年凈現(xiàn)金流量（NCFt）、累計(jì)凈現(xiàn)金流量（ANCFt）、投資回收期（Pd）和節(jié)能效益率（W）進(jìn)行改造策略的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，可按下式計(jì)算：

式中，α為建筑運(yùn)行過程中的實(shí)際節(jié)能率，取±20%；η為電力價(jià)格的平均增長率，本文取0；i為折現(xiàn)率，小區(qū)節(jié)能改造為共同性社會(huì)建設(shè)項(xiàng)目，因此i取6%[3]；γ為改造期的成本波動(dòng)率，節(jié)能和改造持續(xù)時(shí)間比較短，γ取值為1；m為累計(jì)凈現(xiàn)金流量出現(xiàn)轉(zhuǎn)為正值的年份；t表示建筑剩余使用年份，一般情況下老舊小區(qū)改造所耗費(fèi)的時(shí)間為1年。

1.4 節(jié)能效益率

節(jié)能改造方案在其剩余生命周期內(nèi)總的節(jié)能效益值與節(jié)能改造成本比值為效益率W，節(jié)能效益率高則表示改造項(xiàng)目通過更低的成本投入，但是卻達(dá)到相對(duì)較高的節(jié)能收益率，說明此策略是性價(jià)比更高的。效益率可用下式表達(dá)：

式中，∑I'0為剩余生命周期內(nèi)總的節(jié)能效益值；I0為節(jié)能改造成本。

2 老舊小區(qū)建筑改造綜合分析

本文選取蘇州地區(qū)一試點(diǎn)老舊小區(qū)內(nèi)既有居住建筑作為改造綜合分析的研究案例，通過實(shí)測與模擬相結(jié)合，驗(yàn)證對(duì)比改造策略的“性價(jià)比”。

2.1 案例概況

建筑為1986年建成并投入使用的七層磚混結(jié)構(gòu)住宅，為一梯三戶。標(biāo)準(zhǔn)層面積為191.66m2，總建筑面積為1337.25m2。外墻為實(shí)心粘土磚，無保溫隔熱處理；屋面為基礎(chǔ)保溫的平屋頂；外窗為鋁合金單層普通玻璃窗。圖1為標(biāo)準(zhǔn)層平面圖，研究對(duì)象均為該棟三樓中間戶，該戶為兩室一廳，建筑面積大約為41.41m2，測試時(shí)住戶保持日常作息與生活方式。為了測試居住建筑室內(nèi)主要生活區(qū)域的溫濕度變化，在測試對(duì)象的臥室、客廳及陽臺(tái)各放置一臺(tái)溫濕度儀器，進(jìn)行為期24小時(shí)的夏季和冬季的數(shù)據(jù)采集。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（圖片來源：作者根據(jù)蘇州市城鄉(xiāng)建設(shè)檔案資料繪制）

2.2 現(xiàn)狀實(shí)測與模擬分析

2.2.1 冬季與夏季實(shí)測溫濕度實(shí)測

（1）測試時(shí)間：

夏季：2020年8月25日12∶00—2020年8月26日12∶00；

冬季：2021年1月10日16∶00—2021年1月11日16∶00。

（2）測試儀器：TR-72wb溫濕度儀，記錄時(shí)間設(shè)定為每10分鐘一次，測試周期為24小時(shí)。

（3）測試結(jié)果分析

綜合分析室內(nèi)夏季與冬季的溫濕度數(shù)據(jù)，夏季室內(nèi)平均溫度為30.72℃，評(píng)價(jià)濕度為62.08%，室內(nèi)溫度較高，不符合舒適性要求，夜間住戶通過自主性使用空調(diào)調(diào)節(jié)了室內(nèi)溫度達(dá)到舒適，但能耗較大；冬季住戶沒有使用空調(diào)的習(xí)慣，因此室內(nèi)溫度在白天與夜間均低于舒適的溫度水平，通過對(duì)pmv、ppd數(shù)值的計(jì)算得出室內(nèi)舒適度從平均值看來均不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

同時(shí)對(duì)居民的實(shí)際用電量統(tǒng)計(jì)得出，7～8月的用電量與1～2月的用電量最高，因此對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)既有居住建筑進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，要充分考慮到如何改善建筑物的夏季隔熱性能，減少夏季空調(diào)的能耗，同時(shí)還兼顧建筑物的冬季保溫性能，從而提高了居民室內(nèi)的環(huán)境舒適性。

2.2.2 住宅現(xiàn)狀能耗模擬

本文選取PKPM-Energy能耗模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果如下：

（1）各部分熱工性能

外墻的平均傳熱系數(shù)K=1.96W/（m2·k），熱惰性指標(biāo)D=0.51，無保溫；內(nèi)墻平均傳熱系數(shù)K=1.73W/（m2·k），熱惰性指標(biāo)D=0.58；屋頂傳熱系數(shù)K=0.95W/（m2·k），熱惰性指標(biāo)D=1.05，保溫材料為憎水性珍珠巖板；外窗窗框?yàn)槠胀ㄤX合金窗框，玻璃為5mm厚的白玻，其K值為6.40W/（m·k），遮陽系數(shù)SC為0.94。

（2）經(jīng)過建筑供暖空調(diào)負(fù)荷及能耗計(jì)算，通過對(duì)比分析參考建筑總負(fù)荷為100216.508KHW，模擬建筑總負(fù)荷為137932.29KWH，設(shè)計(jì)建筑能耗值遠(yuǎn)高于參照建筑的能耗值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率為-39.61%，不符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

3 節(jié)能改造策略綜合分析

3.1 節(jié)能改造策略節(jié)能率

通過對(duì)改造材料的成本初步篩選，將改造策略的節(jié)能率按照《江蘇省居住建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求的50%、65%、75%進(jìn)行設(shè)定后，先通過二次對(duì)比選取出節(jié)能率最佳的改造策略，然后結(jié)合成本計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 改造策略一

50%節(jié)能率對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求為外墻傳熱系數(shù)≤1.5W/（m2）·K；外窗熱傳系數(shù)≤4.7W/（m2）·K；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)≤1.0W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為30mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數(shù)為0.76W/（m2）·K；外窗材料改為普通鋁合金雙層中空玻璃窗（5+12A+5），傳熱系數(shù)為3.70W/（m2）·K；屋面材料改為30mm擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)為0.93W/（m2）·K。通過模擬計(jì)算得出該改造策略的相對(duì)節(jié)能率為1.08%，相較于原有節(jié)能率，優(yōu)化了40.69%。

3.1.2 改造策略二

65%節(jié)能率對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求為外墻傳熱系數(shù)≤1.5W/（m2）·K；外窗熱傳系數(shù)≤4.0W/（m2）·K；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)≤1.0W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為40mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數(shù)為0.64W/（m2）·K；外窗材料改為普通鋁合金Low-E玻璃窗（6+12A+6），傳熱系數(shù)為3.20W/（m2）·K；屋面材料改為50mm擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)為0.62W/（m2）·K。通過模擬計(jì)算得出該改造策略的相對(duì)節(jié)能率為11.66%，相較于原有節(jié)能率，優(yōu)化了51.27%。

3.1.3 改造策略三

75%節(jié)能率對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求為外墻傳熱系數(shù)≤1.0W/（m2）·K；外窗熱傳系數(shù)≤2.8W/（m2）·K；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)≤0.4W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為60mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數(shù)為0.49W/（m2）·K；外窗材料改為斷橋隔熱鋁合金Low-E玻璃（6+12A+6），傳熱系數(shù)為2.80W/（m2）·K；屋面材料改為85mm擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)為0.39W/（m2）·K。通過模擬計(jì)算得出該改造策略的相對(duì)節(jié)能率為21.22%，相較于原有節(jié)能率，優(yōu)化了60.83%。

3.2 節(jié)能改造策略成本效益

3.2.1 改造策略成本收益

基于第二節(jié)總結(jié)所得的節(jié)能改造項(xiàng)目成本計(jì)算體系，總結(jié)計(jì)算得出不同策略對(duì)應(yīng)的成本與節(jié)能效益率并進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）策略一：年投資成本為146379.90元；年收益為28794.94元；節(jié)能效益率為5.70%；能耗優(yōu)化率40.69%；

（2）策略二：年投資成本為135193.26元；年收益為37773.80元；節(jié)能效益率為8.10%；能耗優(yōu)化率51.27%；

（3）策略三：年投資成本為179418.27元；年收益為42535.47元；節(jié)能效益率為6.88%；能耗優(yōu)化率60.83%。

3.2.2 改造投資回收期

通過對(duì)三個(gè)改造策略進(jìn)行對(duì)比分析可得，根據(jù)年凈現(xiàn)金流量與累計(jì)凈現(xiàn)金流的計(jì)算所得如表1所示。

表1 節(jié)能改造投資回收期（表格來源：作者自繪）

通過以上成本計(jì)算數(shù)據(jù)可知，策略三的年收益最高，策略二的節(jié)能效益率最高且投資回收期最短。這就意味著：選取策略二的改造方式能夠在對(duì)比年限中以最短的年限將改造投資成本回收轉(zhuǎn)正，在第3.89年即可轉(zhuǎn)為正的節(jié)能收益，即為最快將投資成本通過改造效益補(bǔ)齊。因此，對(duì)于本案例的改造，以成本控制為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選定的改造策略為：外墻增設(shè)40mm聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層，屋面保溫材料改為50mm擠塑聚苯板；外窗在原有基礎(chǔ)上將玻璃改為普通鋁合金Low-E玻璃（6+12A+6）；南向外窗設(shè)置活動(dòng)遮陽。

結(jié)語

文章通過實(shí)測數(shù)據(jù)與能耗模擬結(jié)論相結(jié)合，以成本為目標(biāo)導(dǎo)向進(jìn)行多種組合對(duì)比分析，以典型模型為例，對(duì)不同改造策略由單一策略篩選到組合策略評(píng)估，形成了“現(xiàn)狀條件診斷-節(jié)能改造技術(shù)可行性分析-改造策略經(jīng)濟(jì)性綜合對(duì)比分析”為框架的老舊小區(qū)節(jié)能改造策略研究方式，總結(jié)出改造策略優(yōu)化性能與成本相結(jié)合的研究方法，并在文章最后，以典型模型展現(xiàn)基于成本控制的節(jié)能策略選取過程。

研究結(jié)果表明：當(dāng)前，既有居住建筑節(jié)能改造在全國已經(jīng)出現(xiàn)了一種趨勢，但需要指出的是，我國目前的住宅節(jié)能改造相對(duì)簡單，大多只注重提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能性能，而且大多缺乏從社會(huì)整體角度考慮老舊小區(qū)改造問題。但就實(shí)測與模擬結(jié)論而言，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的既有居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造能夠有效降低建筑能耗，改善居住舒適性；若將成本與改造策略綜合考慮，提高改造項(xiàng)目的節(jié)能收益率，是能夠在較短時(shí)間收回改造投資成本的并能獲得更為長久收益。因此，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能改造是具有前景并可行的，同時(shí)合理控制成本以獲得適宜的節(jié)能改造效益對(duì)既有居住建筑的節(jié)能改造是非常有必要的。