建筑被动节能改造技术方案优选方法研究

季永华，宋俊

（1.镇江市丹徒区建筑工程质量监督站，江苏镇江212028；2.江苏科技大学审计处，江苏镇江212003）

建筑被动节能改造技术方案优选方法研究

季永华1，宋俊2

（1.镇江市丹徒区建筑工程质量监督站，江苏镇江212028；2.江苏科技大学审计处，江苏镇江212003）

科学的建筑节能改造技术优选方法与评价方式是选择合理、经济、可行的建筑被动节能改造技术方案的前提和基础。从材料性能与使用功能、经济效益和生态效益三方面，阐述了建筑节能改造的综合评价指标；通过现金流折现法（DCF），建立了节能改造综合评价公式；提出了被动节能改造技术方案优选方法，通过模拟计算节能贡献率，判定节能改造优先单项，给出技术方案的制取原则，采用推算项目动态投资回收期方式，判断改造方案的优劣。文章以南京长江航运管理局办公楼为实例，基于建筑环境与设备计算机模拟系统（简称DEST模拟方法），采用提出的节能改造的技术方案优选方法，进行了案例分析，实例表明在考虑节能改造的技术性能、经济效益和生态效益的前提下，动态投资回收期最短的方案，节能改造效果更优。

被动节能改造技术；优选方法；综合评价；节能贡献率

0 引言

20世纪80、90年代的城镇既有建筑运行能耗高，由于这些建筑的剩余使用寿命期还较长，因此加强既有建筑节能改造技术研究意义重大［1］。建筑节能改造可以从两点入手，一方面是建筑的围护结构，另一方面是建筑设备［2］，其中前者是重点。

国外节能改造技术起步较早，Izquierdo等关于建筑保温材料的探索已经深入到成本、寿命期、住户行为习惯等因素的研究［3］。Zwanzig等在住宅墙体和屋面结构中应用相变储能墙板，进行相变储能材料节能效应数值模拟［4］。而邓安仲等用相变复合储能材料和聚丙乙烯泡沫板研制出新型轻质板材，对重庆地区夏季轻质实验房进行该结构的隔热及节能效果实验研究［5］。

我国地域广阔，建筑量巨大，超前节能改造技术并不符合我国国情，应当按不同地区气候特征，分别实施成熟的建筑节能改造技术。这些年，我国学者对不同气候特征地区的节能改造技术做了不少探索：郁文红主要研究了华北地区的建筑节能技术，建立了华北地区的建筑节能改造技术理论与应用分析方法［6］。王沁芳等研究认为夏热冬冷地区酒店建筑节能改造时空调、照明能耗是节能改造的重点［7］。田伟等用账单法对上海医院建筑节能改造的实例进行了深入的分析［8］。汪飞宇采用EQUEST软件对合肥地区的教学楼维护结构做了节能改造能耗模拟与分析，认为外墙外保温节能体系适合本地区的教学楼节能改造［9］。芮玮玮等采用DEST软件模拟计算，认为苏南地区既有住宅工程的外窗节能改造效果明显［10］。费良旭等认为海南地区典型建筑节能改造的重点是外窗遮阳系数，而非传热系数［11］。

目前各方研究由于研究对象的气候特征、类型以及侧重点不同，建筑节能改造路线也不一样，多以被动节能技术为主，且侧重案例分析，改造方案相互之间可比性低。拟对建筑被动节能改造技术方案的优选方法进行研究，为建筑被动节能改造选择合理、经济、可行的技术方案提供一定的参考依据。基于建筑环境与设备计算机模拟系统（简称DEST模拟方法），采用提出的节能改造的技术方案优选方法，进行实例分析。

1 节能改造综合评价指标及综合评价公式

1.1 节能改造综合评价指标

建筑节能改造评价指标可以分为3大类指标：材料性能与使用功能指标、经济效益指标和生态效益指标，见表1。

表1 建筑节能改造效益综合评价指标

1.2 节能改造综合评价公式建立

建筑节能改造工程综合考虑建筑与社会、环境因素，以现金流折现法（DCF）为基本，预测节能改造产生的各种效益。建筑节能改造工程中经济效益评价指标（内部指标）可以用财务净现值（FNPV）表示；生态效益评价指标（外部指标）是将环境效益、健康效益以现金流（ONPV）表示。因此，建筑节能改造综合效益（TNPV）评价模型由式（1）表示为

式中：FNPV为财务净现值，元；ONPV为外部综合折现值，元；若TNPV≥0，则改造工程具有可行性，产生总收益；若FNPV≥0，则改造工程能产生经济效益。

1.2.1 内部指标

内部指标包括改造成本、运营成本以及节约能源量，用财务净值（FNPV）表示。

（1）建筑节能改造过程中所需成本 主要包括节能改造工程的工程成本和使用期间的维护成本。由于节能改造投资期基本在10年内，而这一阶段建筑维护成本很少，所以不进行讨论。因此只考虑节能改造工程的工程成本（CO）。

（2）建筑节能改造后的节能量 建筑节能改造后第x年的能源节约量表现为该年节省的能源费用。因此，第x年的净现金流入CIx由式（2）表示为

式中：CIx为第x年的净现金流入，元；Px为能量价格，元；Q为年节能量，kW·h。

结合（2）式，得到节能改造工程中财务净现值（FNPV）由式（3）表示为

式中：ri为节能改造基准折现率；CO为改造工程成本，元。

1.2.2 外部指标

外部指标包括环境效益、社会效益，以现金流（ONPV）表示。

（1）环境效益表现为节能改造后污染物排放量减少，包括SO2、NO2、CO2、粉尘等的减排。若已知减排量，环境效益为每年处理节能改造后减排有害污染物所需货币。因此，环境效益Vp由式（4）表示为

式中：Vp为环境效益，元；C为有害污染物收费标准，元；β为补偿度，表示排污收费与环境损失费比值。

常见有害物年环境效益指标如下：SO2环境污染费为1.26元／kg，补偿度为25%，环境效益为5.04元／kg，健康成本可以忽略；NO2环境污染费为2.00元／kg，补偿度为25%，环境效益为8.00元／kg，健康成本忽略；CO2环境污染费为0.002元／kg，补偿度为8.7%，环境效益为0.023元／kg，健康成本为0.002元／kg；粉尘环境污染费为0.03元／kg，补偿度为25%，环境效益为0.12元／kg，健康成本为0.0042元／kg［12］。

因此，建筑节能改造第x年环境效益（CHx）由式（5）表示为

式中：P1x、P2x、P3x、P4x分别为SO2、NO2、CO2、粉尘污染物的减排重量，kg。

（2）社会效益表现为人患病率降低，改造第x年社会效益（CSx）由式（6）表示为

结合式（5）、（6），节能改造外部指标（ONPV）由式（7）表示为

1.2.3 综合效益评价公式

将式（3）、（7）代入式（1）得到建筑节能改造综合效益（TNPV）的计算式（8）。

2 被动节能改造技术方案优先方法

2.1 计算节能贡献率

假设原建筑改造前年能耗量为Ebase，按照特定地区节能设计标准最低要求进行节能改造后其年能耗量为Epre，在这种情况下建筑能耗降低量为Econ＝Ebase－Epre。假定围护结构总耗能是由各部分组成的，建筑的各组成结构之间相互独立、互不影响，因此建筑总能耗量可由各组成结构能耗量相加得到，各组成结构节能改造后的能耗降低量相加也构成了建筑总能耗降低量Econ。各组成结构节能改造后的节能量在总节能量中所占的比重βn即为该项节能改造措施的节能贡献率，由式（9）表示为

式中：Ei为改造前年能耗量，kW·h；Econ为改造后年能耗降低总量，kW·h。

假设某建筑维护结构热工性能按照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》［13］进行改造后的年基准能耗为Epre，则计算所用单项改造措施的节能贡献率见表2。

表2 单项改造措施节能贡献率计算值

2.2 确定节能改造优先单项

设外墙、外窗、屋面和地面节能贡献率分别为β1、β2、β3和β4，按从大到小排序，取其中最大者，记作βmax。为了叙述方便起见，不妨假设排序顺序为β1＞β2＞β3＞β4，则βmax＝β1。

（1）若βmax＝β1＜βcon，且β1＜β2＋β3，说明β1对应的单项改造措施是一般优先单项。

（2）若βmax＝β1＜βcon，且β1≥β2＋β3，说明β1对应的单项改造措施是相对优先单项。

（3）若βmax＝β1≥βcon，说明β1对应的单项改造措施是绝对优先单项。

βcon为判定节能改造优先单项而引入的参数。假定对建筑外墙、外窗、屋面、地面采用理想节能材料改造，分别计算其节能贡献率。若βmax≤50%时，则取βcon＝50%；若βmax＞50%时，则取50%＜βcon＜βmax。在工程应用中βcon取50%。

2.3 技术改造方案的制取原则

根据节能贡献率，提出如下技术改造方案的制定原则：（1）对有一般优先单项的改造项目，只需制定一套技术改造方案，代入节能改造综合效益评价式（8），推算投资回收期；（2）对有相对优先单项的改造项目，需制定针对βmax对应的单项改造措施的多套方案，代入节能改造综合效益评价式（8），比较投资回收期；（3）对有绝对优先单项的改造项目，需制定针对βmax对应的单项改造措施的多套方案，代入节能改造综合效益评价式（8），比较投资回收期。

2.4 节能改造方案的优选

为直观理解节能改造方案的优劣，可以采用节能改造工程投资回收期的长短评价，投资回收期越短，则节能改造方案越好。建筑节能改造工程的动态投资回收期（Px）由式（10）表示为

由式（10）可以看出，建筑节能改造工程的Px能够表示为节能改造工程中的FNPV＝0或TNPV＝0时所经历的年限x。由于FNPV＝0获得的Px只考虑建筑节能改造工程的经济效益，忽略了外部收益。为了评价节能改造工程产生的各种效益，以TNPV＝0获得的Px即综合效益动态投资回收期为总评价准则，来评判改造工程的节能效果及可行性。

3 工程实例分析

3.1 工程简介

位于南京市长江航运管理局办公大楼1987年建成投入使用；建筑物地上16层，地下1层，高度为65.55 m，面积约为15200 m2，外表面积为7997.55 m2，体积为49984.70m3，体型系数为0.16，东、南、西、北立面窗墙比分别为0.53、0.58、0.62、0.58；该建筑保温构造情况：屋面采用水泥膨胀珍珠岩保温层，传热系数为1.96 W／（m2·K），热惰性指标为3.41，辐射吸收系数为0.75；外墙采用黏土多孔砖，传热系数为2.63 W／（m2·K），热惰性指标为3.31，辐射吸收系数为0.75；外窗采用铝合金框灰色单层玻璃，传热系数为6.4 W／（m2·K）。

3.2 工程能耗分析

2014年该综合楼正常使用中全年用电量达1250000 kW·h，其中动力用电量占14%（包括电梯用电6%、其他用电8%）；空调、办公、照明用电占86%（包括空调系统51%，办公设备用电15%，灯具照明20%）。分析该建筑的用电账单，每年用电高峰为夏季的7、8、9月份，主要是空调制冷用电量较大，其次为冬季的11、12月份和次年的1月份，主要是冬季室内采暖。该建筑在用电紧缺期，为了维持某些电力设备的正常运行，需要燃烧柴油发电，改造前该建筑年柴油用量为86.5 t，产生的CO2为275.59 t。

3.3 节能改造技术方案优选

采用计算机模拟，先计算节能贡献率，然后确定优选改造单项，最后制取技术改造方案。

3.3.1 能耗模拟模型建立

采用DEST软件进行动态模拟计算改造前后建筑能耗。空调冷负荷时间段从7月1日到10月1日，采暖时间段从12月1日到次年3月1日，空调使用时间为180 d，空调系统运行时间段为7：00～18：00。通风方式为逐时通风定义，取值为0.5次／h。室内照明和设备热绕参数及作息设置参数参照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》［13］。按照原建筑围护结构建立近似模型图，其中建筑轴线、房间几何尺寸、朝向、外轮廓与原建筑一致；建筑物的窗墙比、体型系数、外立面、屋顶构筑物与原建筑物相近似。

3.3.2 节能贡献率计算

通过计算机模拟显示，原建筑年基准能耗为Ebase＝1274205.39 kW·h；进行节能改造时，建筑维护结构热工性能按照公建节能标准进行设计并用计算机模拟，维护结构传热系数取标准规定的最小值，则节能改造后的年基准能耗为Epre＝759438.57 kW·h；因此该建筑年总节能量为Econ＝Ebase－Epre＝514766.82 kW·h。

依据表2的方法，计算建筑各单项节能改造措施节能贡献率见表3。

表3 单项节能改造措施节能贡献率计算值

3.3.3 优先改造单项的确定

由表3可知，单项节能改造措施节能贡献率从大到小排序：β2＞β1＞β3＞β4，而β2对应节能改造单项为外窗，由于β2＝51.2%＞βcon＝50%，说明外窗改造措施是绝对优先单项，因此需要制定针对外窗的多套改造技术方案。

3.3.4 改造技术方案的制取

外窗选取窗墙比、传热系数两项指标作为变量，进行改造技术方案比选；遮阳系数作为不变量，不参与比选。目前市场上遮阳效果最好的玻璃是遮阳系数为0.3的Low-E玻璃［14］；北面无需考虑遮阳北面无需考虑遮阳采用普通中空玻璃，遮阳系数为0.81，有利于采光，减少开灯率。保温材料考虑材料耐候性、施工工况等因素，选择性价比最高的材料［15］，外墙用40 mm厚岩棉板，屋面用100 mm厚发泡水泥板；建筑外形规整，体型系数无需优化。考虑到地面节能贡献率很低，可以忽略，以节约工程成本。制定3种改造方案如下：

方案1：东、南、西、北窗墙比各降低30%，外墙覆盖40mm厚的岩棉保温板；屋顶铺100mm厚的发泡水泥板，成倒置式屋面；东、南、西、北向外窗改为6 Low-E＋12A＋6双层中空玻璃塑钢窗，传热系数为1.9W／（m2·K），遮阳系数为0.30，北向遮阳系数为0.81。

方案2：不改变窗墙比，其他同方案1。

方案3：东、南、西、北向外窗改为5 Low-E＋6A＋5＋9A＋5三层中空玻璃塑钢窗，传热系数为1.4W／（m2·K），遮阳系数为0.30，北向遮阳系数为0.81，其他同方案2。

改造前后的维护结构传热系数对比见表4。

表4 围护结构传热系数改造前后对比／（W·m－2·K－1）

3.4 三种改造方案能耗计算

（1）维护结构

改造前：建筑物动态热负荷550724.13 kW·h，热负荷指标36.23 kW／m2；冷负荷623481.26 kW·h，冷负荷指标41.02 kW／m2。

方案1：建筑物动态热负荷264398.26 kW·h，热负荷指标17.39 kW／m2；冷负荷343618.93 kW·h，冷负荷指标22.61 kW／m2。

方案2：建筑物动态热负荷316314.05 kW·h，热负荷指标20.81 kW／m2；冷负荷407152.34 kW·h，冷负荷指标26.78 kW／m2。

方案3：建筑物动态热负荷304577.63 kW·h，热负荷指标20.04 kW／m2；冷负荷373408.68 kW·h，冷负荷指标24.57 kW／m2。

方案1、2、3采暖期的节能率分别为52.0%、42.6%、44.7%，空调冷负荷期的节能率分别为44.9%、34.7%、40.1%。因此，方案1的节能效果最好。在遮阳系数不变，继续降低外窗导热系数，可以进一步提升空调节能率，但是效果没有改变窗墙比显著。

（2）照明系统

电气照明系统的节能改造措施有：走道、卫生间、车库等无人长时间逗留场所，采用声控开关，LED灯具（发光二极管）。按办公场所内照度标准规定为300 lx，用带有带电子镇流器的LED灯管T5无影一体化支架套装日光色灯，替换普通的T8荧光灯管，在此基础上加装光控装置，进行25%～100%的调光，灯具整体节能率可达60%。

改造成本计算：LED灯管T5无影一体化支架套装14W日光色，市场价格每支25元，每10 m2的房间配置3只，可满足办公建筑照度要求，因此该工程共需要配置4560只，总价114000元。电器安装工程费加管理费按20%计算，则灯具改造成本总费用为136800元。

投资回收期计算：该办公楼年灯具用电量为250300 kW·h，按60%的节能率计算，年节约电量为150200 kW·h。按照每度商业用电0.8283元计算，年节约电费为124410元，则1.1年可以实现投资回收，经济效益显著。

（3）空调系统

空调系统具体节能改造措有：一楼大厅的入口设置冷、热风幕，这样可以降低空调负荷，减少能耗。加强空调风管和供回水管的保温，降低风管、供回水管的能耗，从而减少能量损失。末端空调器水管上采用感温调节式电动两通阀及温控器，同时增添空调器联锁的开关功能，工作人员不在时，可局部关闭空调，节约能源。通过以上几项举措，可实现空调系统末端能耗的最大节约，约需费用131534元。

3.5 三种改造方案综合效益评价

3.5.1 改造的工程成本

各分项工程的人工费、材料费、机械费以当地建设行政主管部门2014年发布的市场信息价计算。灯具、空调节能改造共需要费用268334元，加上维护结构改造成本，可以得出改造方案1、2、3的总成本分别为2822694、2679642、3208985元。

3.5.2 改造产生的经济效益

由于夏热冬冷地区，使用空调系统实现采暖和降温作用，因此主要节能表现为节约电量。电价按当地一般工商业及其他用电测算。3种改造方案的节电量与电费计算见表5。

表5 办公建筑节电量与电费统计

3.5.3 改造产生的生态效益

该建筑使用期间燃烧柴油，排放物主要是CO2，因此总体环境效益（CHx）只考虑CO2排放的减少量，忽略SO2、NO2、粉尘污染物的减排量。由于三种节能改造方案对于柴油用量的影响很小，可认为3种节能改造方案所用柴油量一致，按照采暖期空调节能率最小42.6%计算柴油节约量。

（1）节能改造环境效益

建筑节能改造前，年消耗柴油量为86.5 t，产生CO2为275.59 t；改造后，年消耗柴油量为86.5×（1－42.6%）＝49.6 t，产生的CO2为157.07 t。因此减排CO2为118.52 t，每年产生的环境效益为118520×0.023＝2725.96元。

（2）节能改造社会效益

该建筑项目主要考虑CO2排放减少，由于减排CO2为118.52 t，节能改造每年产生的社会效益为118520×0.002＝237.04元。

3.5.4 三种改造方案比较

通过对比分析，方案1中减少建筑30%的窗墙比，应当考虑窗洞改造额外增加的成本和延长工期成本，这部分成本总计为487812元。因此，改造方案一的投资回收期计算由式（11）表示为

TNPV＝－2822694－487812＋x［593386／（1＋0.053）x］

＋x［（2725.96＋237.04）／（1＋0.053）x］（11）

当综合效益TNPV≥0时，表示节能改造工程具有可行性。寻找投资收益盈亏平衡点，推算投资回收期，令TNPV＝0时，求解x，得x＝8.70年。

同样的方法，对改造方案2，求得x＝8.15年；对改造方案3，求得x＝9.98年。

3种节能改造方案动态投资回收期都小于该办公建筑的剩余使用寿命期，但是方案2投资回收期更短，且施工简便，工期较短，为最佳方案。

建筑节能改造实践中，照明设施及空调系统的改造不可辟免，由于3种改造方案采用相同的照明与空调改造技术，对计算动态回收期的影响一致。

4 结语

建筑节能改造工程，事先选取经济、合理的改造方案，并进行客观的评价，不仅可以使改造工程取得良好的经济效益，还可以减少改造工程初期对社会、环境的负面影响，从而减少后期对社会、环境的补偿，获得更长远的收益，这一理念符合可持续发展战略。文中节能改造综合效益评价公式包涵了节能改造的工程成本、节约能量、环境效益、社会效益，在建筑全寿命周期内，公式的内涵可以进一步拓展。被动节能改造技术方案优选过程中，引入βcon是为了从复杂的方案组合中优选出关键方案，其精确取值还需进一步探究。

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Research on optim ization method of passive energy-saving reconstruction technology

Ji Yonghua1，Song Jun2

（1.Construction Engineering Quality Supervision Station of Dantu District of Zhenjiang，Zhenjiang 212028，China；2. Audit Office，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

The scientific selection method and evaluation method can be used to provide a basis for the selection of reasonable，economical and feasible technical scheme for passive energy conservation of buildings.The paper expounds the comprehensive evaluation of energy-saving index from the aspects of technical performance，economic and ecological benefits，establishes comprehensive evaluation of energy saving reconstruction formulawiththe discounted cash flow method（DCF），puts forward the optimization scheme of passive energy saving technologymakes energy-saving priority for individual decision to give the technical scheme of the projectthrough the simulation calculation of contribution rate of energy saving，and judges the renovation schemesbyestimating dynamic payback period.By taking Nanjing Changjiang Shipping Administration Office Building for example，based on the simulation system of building environment and equipment（referred to as DEST based computer simulation method），with the technical scheme of energy-saving optimizationmethod，the papermakes the case study，showing that themost effective scheme of energy-saving transformation can be achieved under the premise of considering the technical performance，economic benefitand ecological benefitof energy conservation.

passive energy-saving technology；optimization method；comprehensive evaluation；contribution rate of energy saving

TU－9

：A

1673－7644（2017）02－0183－06

2017－02－20

季永华（1983－），男，工程师，硕士，主要从事建筑节能、绿色建筑技术等方面的研究.E-mail：252377747＠qq.com