嚴寒地區近零能耗建筑節能性和經濟性分析

王楊洋

(吉林建筑科技學院 市政與環境工程學院，長春 130114)

2020 年9 月，中國向全世界宣布將提高國家自主貢獻力度，并且采取更加有力的政策和措施，使CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取于2060 年前實現碳中和[1].目前，我國節能工作正在從節能向“減碳”方向進一步邁進.2020 年，我國建筑運行的碳排放量為21.8 億t，建筑建造的碳排放量為15 億t，建筑運行和建造的碳排放量約占全社會碳排放量的36%[2].因此，建筑領域的能耗和碳排放引來越來越多的學者關注.

為了進一步推動中國節能建筑向近零能耗建筑[3]邁進，人們借助國外經驗并結合我國已有工程實踐，開展了近10 a 的研究探索.如今，適合我國國情的、適用于不同氣候區的控制指標和技術路徑已逐漸清晰[4].2019 年，以國家標準形式正式頒布的《近零能耗建筑技術標準》[5]確定了其能效指標要求.這標志著我國在減少建筑對環境的影響方面邁出了重要一步.

在中國超低能耗建筑聯盟研究的4 個氣候區的64 棟超低能耗建筑最佳案例中，嚴寒地區建筑數量占11%，寒冷地區建筑數量占73%，夏熱冬冷地區建筑數量占9%，夏熱冬暖地區建筑數量占7%[6].由此可見，大部分研究案例集中在寒冷地區，嚴寒地區的案例相對較少.從另一個角度看，嚴寒地區冬季室外氣溫低、供暖期長，要達到近零能耗目標需比其他地區付出更多努力，即需要通過采取更多的節能技術措施或加強可再生能源的利用來實現該目標.然而，這些舉措也會帶來經濟成本的增加.

基于此，本文從節能性和經濟性2 個維度對近零能耗建筑技術進行了評價，并通過實例分析、比較了各種技術的節能增量成本，以期為嚴寒地區建筑實現近零能耗目標提供參考.

1 實例簡介

本文以吉林建筑科技學院校園內的某棟辦公樓作為研究對象，對其近零能耗建筑技術進行分析與評價.該建筑于2017 年建成，共2 層，總面積為1 180 m2，包括2 個辦公室、2 個教室和4個實驗室，如圖1 所示.

圖1 近零能耗建筑外觀

1.1 被動式技術

在被動式設計方面，研究對象采用高性能復合外保溫系統.按照《近零能耗建筑技術標準》[5]中的性能化設計方法，對建筑物的外墻、外門窗、屋面和地面進行熱橋處理，并用20 mm 厚的抹灰層作氣密層，使其連續包圍整個外圍護結構，大大提高了建筑的氣密性，具體結構參數如表1所示.該建筑所采用的高性能圍護結構和高氣密性技術措施[7]降低了其實際能耗需求.

表1 近零能耗建筑結構參數

1.2 主動式技術

該建筑采用毛細管末端輻射供暖/供冷技術，系統供回水溫度在供暖時可降至30～32 ℃，在供冷時則可增至18～20 ℃，實現了“低溫供暖、高溫供冷”的節能舒適模式.因嚴寒地區冬季新風熱負荷較大，為保證舒適性，還采用了全熱回收新風技術，即充分利用室內排風的熱量進行余熱回收設計.經實測，全熱回收平均效率為74.45%.

1.3 可再生能源利用技術

研究對象集成多種可再生能源利用技術，形成了多能互補系統.它主要由微風力發電、光伏發電、太陽能光熱和地源熱泵系統組成，可滿足建筑電負荷、冷負荷和熱負荷需求，其系統框架如圖2 所示.在冬季，主要由地源熱泵機組為建筑供暖，在夏季則可利用地源熱泵機組或地源側直供為建筑供冷.所安裝的熱管式太陽能集熱器可在過渡季和夏季向地下補熱，維持地下土壤的溫度，從而避免土壤的冷堆積現象[8]；在冬季供暖期，它還可以提升熱泵系統地源側的進水溫度，提高地源熱泵系統的效率.太陽能光熱和地源熱泵系統可以滿足近零能耗建筑的冷熱需求.風能和太陽能互補發電系統則負責電力供應[9].

圖2 多能互補系統框架

2 節能性分析

本研究依據《近零能耗建筑技術標準》[5]要求，采用性能化設計方法，以建筑物的室內環境參數和能耗指標為目標，通過能耗模擬軟件計算并優化設計方案，使其達到預定性能目標要求.

在能效指標的計算中，需選擇基準建筑進行對比判定，即用其全年供暖、空調、照明和可再生能源能耗作為標準，判斷所設計建筑的節能率是否滿足標準要求[10].根據《近零能耗建筑技術標準》[5]的相關要求，基準建筑的能效指標計算參數應符合下列規定：基準建筑的形狀、大小、構造、內部空間劃分和使用功能以及其圍護結構應與設計建筑一致；基準建筑圍護結構的熱工性能和冷熱源性能應符合國家標準《公共建筑節能設計標準》[11]的規定，具體參數如表2～表3 所示.

表2 圍護結構傳熱系數對比 W·m-2·K-1

表3 末端和能源系統形式對比

利用近零能耗建筑評價軟件進行能耗指標計算，其界面如圖3 所示.本文將基準建筑與設計建筑供暖、空調和照明的耗電量、耗煤量和耗氣量均換算為一次能源消耗量，并以此作為依據進行計算.結果表明，所設計建筑的一次能源節能率為82.85%，滿足設計標準[11]中規定的≥30%的要求，其節能優勢明顯.

圖3 近零能耗建筑評價軟件操作界面

3 經濟性分析

經濟學中的增量成本是指在各種方案的成本比較與決策時，先選定某一方案為基準方案，然后將其他方案與之相比較時所增加的成本.2 個對比方案間的成本差額，是增量成本的一種表現形式.因此，基準方案的確定對增量成本的計算結果顯得非常重要.

綠色建筑的經濟效益分析與研究相對比較成熟且與近零能耗建筑有相似之處，因此近零能耗建筑的增量成本分析可參考綠色建筑.目前，以現有的國家或地方節能標準要求設計的方案，是根據當地材料和設備市場準入制度定價的，可以作為近零能耗建筑設計的基準方案[12-14].

增量成本為項目采用新技術后的成本總額減去增量成本起算點的成本總額[15].根據本項目實際情況，其增量成本主要源自被動式技術、主動式技術和可再生能源利用技術3 個方面，具體包括高性能外圍護結構(墻體、屋面和外窗)、建筑氣密性、全熱回收新風系統和可再生能源(太陽能和地熱能)利用.參考基準建筑的市場價格，經過計算，其增量成本如表4 所示.

由表4 可知，該項目單位面積的增量成本為593 元/m2.其中，太陽能光熱系統的增量成本占總增量成本的28.7%；太陽能光伏發電系統和高性能玻璃外窗的增量成本分別占總增量成本的22.6%、13.5%.對近零能耗建筑節能技術進行分類評估發現，在被動式、主動式和可再生能源利用技術中，后者的增量成本占比最大.各項節能技術的增量成本貢獻率如圖4 所示.

表4 近零能耗建筑各節能技術增量成本分析

圖4 各項節能技術的增量成本貢獻率

4 結論

嚴寒地區近零能耗建筑采用被動式、主動式和可再生能源利用3 項技術可以實現近零能耗目標.隨著各種節能技術措施的采用，項目經濟成本成為了業主考慮的重要因素.本文借助實際案例，將嚴寒地區近零能耗建筑各項節能技術措施的增量成本進行了量化分析.結果表明，在被動式、主動式和可再生能源利用3 項技術中，可再生能源利用技術帶來的增量成本最高.