住宅围护结构改造对供暖空调能耗的影响及效益分析

韩京彤，王清勤，李德英，聂金哲

（1.北京建筑大学 供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室，北京 100044；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

我国既有建筑存量巨大，截至2015年底，既有建筑面积接近600亿m2。住房城乡建设部发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出了“十三五”期间我国居住建筑节能改造的具体目标：在严寒及寒冷地区，实施既有居住建筑节能改造面积5亿m2以上，2020年前基本完成北方采暖地区有改造价值的城镇居住建筑的节能改造。

由于建筑年代和节能标准的差异，我国北方采暖地区仍存在很多20世纪80、90年代的非节能、低节能标准的居住建筑，冬季热负荷较大，为了提高居民室内舒适度就只能提高供热系统耗热量，造成能源大量浪费的情况。对围护结构进行改造不仅能提升居民舒适度，还可以节能减排。

本文以北京地区某典型住宅为例，采用DeST软件进行能耗模拟。研究在不同节能标准下围护结构（外墙、屋面、外窗）改造对建筑总能耗的影响，比较不同围护构件和供热方式下围护结构改造的经济性，并进行环境、社会效益分析。

1 典型住宅建筑模型

1.1 建筑概况

典型建筑模型为6层住宅，正南朝向，层高3 m，体形系数为0.29，综合窗墙比为0.23；建筑面积约为3051.04 m2，占地面积约为508.50m2。根据建筑房间功能不同，分为起居室、主卧室、次卧室、书房、卫生间和厨房。建筑标准层平面如图1所示。

图1 住宅标准层平面

地点设置为北京，所属地区为寒冷地区。典型建筑外围护结构设置为未进行节能改造的建筑，热工参数如表1所示。

表1 典型建筑外围护结构设置

1.2 DeST能耗模拟模型参数设置

采用清华大学开发的建筑热环境设计模拟分析的软件平台——建筑热环境设计模拟工具包（Designer's Simulation Toolkit，简称DeST）进行建筑能耗模拟分析。空调期设置为6月1日至10月1日；采暖期设置为11月15日至3月15日，采暖期内24小时供暖。室内外换气次数设置为1.0次/h。

2 模拟内容

2.1 围护结构改造方案

本文对围护结构中外墙、外窗和屋面进行节能改造模拟分析。根据表2中提供的基于不同节能目标的3部节能标准中围护结构传热系数K的限值，对外墙、外窗和屋面各进行3种不同的节能改造方式，并进行编号，将4种改造方案进行排列组合，得到总共64中节能改造方案。根据北京市定额标准和市场调研，围护结构改造工程造价情况如表3所示。

表2 不同节能标准中围护结构传热系数K限值

注：①JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》；②DB11 891—2012《北京市居住建筑节能设计标准》；③《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》（试行）。

表3 外围护结构改造方案

2.2 不同节能标准下改造方案对供暖能耗影响

因现有节能设计标准中仅对冬季采暖热负荷指标进行限制，因此，本文将对64种节能改造方案模拟出的热负荷指标与现行标准中采暖能耗指标进行对比，研究符合现行节能标准或者更高标准的节能改造方案。

2.3 单项改造方案对全年供暖空调总能耗的影响

对外墙、屋面、外窗全部进行改造会对居住建筑的居民生活产生影响，并且投资较大，不易实现。而进行外墙或屋面或外窗的单项改造对居民生活影响较小，是比较理想的改造方式。比较不同围护构件在不同节能标准下的能耗变化，并比较不同改造方案中外墙、屋面、外窗单项改造对供暖空调总能耗的影响。

3 模拟结果及分析

3.1 不同节能标准下改造方案对冬季采暖能耗的影响

《北京市既有居住建筑节能改造技术规程》中规定实施全面节能改造后的建筑耗热量指标不应高于15.0W/m2；而现行《北京市居住建筑节能设计标准》中规定的耗热量指标为10.5 W/m2。图2为不同节能目标下改造方案耗热量指标。

由图2可以看出，住宅建筑改造若要达到现行节能改造的标准，需至少对外墙、外窗和屋面实行符合节能65%标准的改造；若要达到现行节能标准（节能75%），需对外墙、外窗和屋面实行符合超低能耗标准的改造。

图2 不同节能目标下改造方案耗热量指标

排列组合的64种改造方案中耗热量指标符合现行节能改造标准（≤15.0W/m2）的方案有30种，其中进行外墙、外窗和屋面3项改造的有27种，单独进行外墙和外窗2项改造的方案有 3 种，分别为（4，A，b）、（4，A，c）、（4，A，d）。只进行 2 项改造的3个方案中，都未进行屋面改造，全部进行了外墙和外窗改造，外墙改造甚至全为超低能耗标准的改造，由此可以得出，节能改造中外墙及外窗改造对节省供暖能耗的潜力巨大，屋面的节能潜力最小。

3.2 单项改造方案对全年供暖空调总能耗的影响

图3比较了不同围护构件在不同改造方案中能耗变化。

图3 单项改造对全年总能耗节能率的影响

由图3可以看出：（1）采用更高的节能标准后，节能率虽然持续升高，但并没有明显增加，反而增加变缓，可见，进行节能改造并不是节能标准越高越好，要综合考虑节能量和经济性后才能决定最优的改造方案；（2）节能65%标准的改造方案中的节能潜力：外墙>外窗>屋面；（3）屋面改造相对于外墙、外窗改造的节能率较低。

图4比较了64种不同改造方案中外墙、屋面、外窗改造对供暖空调总能耗的变化。

图4 3项改造对全年总能耗的影响

从图4可以看出：外窗改造能源消耗量近似呈指数减少，但是外墙和屋面改造只有在节能65%标准的改造方案中能源消耗量减少较多，提升节能改造标准后，能源消耗量减少变缓，特别是屋面改造，能源消耗量基本不变。

4 围护结构节能改造效益分析

4.1 经济效益分析

4.1.1 冷热源运行费的计算

住宅围护结构节能改造的经济效益体现在冷热源运行费用的减少量。我国北方地域辽阔，供热方式多种多样，因此，不同冷热源形式运行费用不同，围护结构改造的经济效益也有所差异。本文主要讨论供热方式为燃煤热电联产供热方式、区域燃煤锅炉供热方式、区域燃气锅炉供热方式、分户燃气壁挂炉供热方式和电热膜供热方式；采用分体空调作为夏季制冷的主要形式。

热源运行费用主要由燃料费、水费、电费、人工管理费、维修费、折旧费组成，冷源运行费用主要是分体空调制冷的电费。其中，各供热方式水费、电费、人工费和维修费见表4（不考虑折旧费）。燃料费计算公式如下：

式中：F——冬季采暖燃料费，元；Q1——采暖热负荷，kW·h；C——燃料热值，kCal/kg（或kCal/m3）；η1——室外管网输送效率，%；η2——锅炉额定工况下热效率，%；P——燃料价格，元/kW·h（元/kg或元/m3）；K——夏季分体空调电费，元；Q2——空调冷负荷，kW·h；EER——房间空调器能效比；E——北京市电价，元/（kW·h）。

表4 北京市能源价格

初始建筑的全年累计热负荷为231 529.17 kW·h，全年累计冷负荷为75 293.51 kW·h。由式（1）得出该围护结构构造下不同供热方式运行费用如表5所示[1-2]，由式（2）得出采用分体空调制冷的电费为12 605.4元/年。

表5 初始建筑热源运行费用 元/m2

4.1.2 经济性分析

净现值（NPV）是指节能改造方案所产生的节能成本在考虑社会折现率后与初始投资的差额。净现值越大，方案越好，改造经济性越优。净现值计算公式如下：

式中：NPV——净现值，元；CI——改造方案年节约费用，元；CO——改造方案初始投资费用，元；i——社会折现率，%。

由式（3）计算不同围护构件、不同改造标准的净现值，使用年限取25年，社会折现率取5%，如图5所示。

图5 不同围护构件、不同改造标准方案的NPV和节能率对比

由图5可以看出：（1）外墙改造是最具经济效益的改造方案，且外墙节能率相对较高，因此，在进行围护结构改造中应最优先考虑采取外墙改造；（2）屋面改造节能率相对较低，且净现值不高，因此屋面改造效益较差；（3）外窗改造节能率较高，但净现值较低，甚至在超低能耗改造方案中净现值为负，所以，外窗改造的方案仅适用于考虑节能性多于经济性的情况。

由式（3）计算不同供热方式、不同改造标准的净现值，如图6所示。

图6 不同供热方式、不同改造标准方案的NPV对比

由图6可以看出：（1）当冬季供热方式为区域燃气锅炉、分户燃气壁挂炉和电热膜供暖时，节能65%标准的改造方案在经济上可行。其中，采用电热膜供暖方式的建筑改造经济性最优，其次是区域燃气锅炉，分户燃气壁挂炉最差，净现值仅为2963.34元。（2）当冬季供热方式为区域燃气锅炉和电热膜供暖时，节能75%标准的改造方案在经济上可行。其中，采用电热膜供暖方式的建筑改造经济性最优，其次是区域燃气锅炉。（3）当冬季供热方式仅为电热膜供暖时，超低能耗标准的改造方案在经济上可行，其余供热方式的净现值均为负值。也就是说，即使在项目结束时，超低能耗标准的改造方案的投资也无法收回。

4.2 环境效益分析

统计结果表明，每节约电1 kW·h，就相应减少排放0.997 kg CO2、0.03 kg SO2、0.015kg NOx、0.272 kg碳粉尘、0.136 kg 烟尘等污染物[3]。根据废气排污费和相关数据，NOx排放价格为631.6 元/t，SO2为20 000 元/t，烟尘为 275.2 元/t[4]。表 6 为在不同节能标准下的围护结构改造的减排量，表7为在不同节能标准下的围护结构改造的环境效益统计。不难看出，在节能65%标准改造的建筑中，节能减排综合价值为40.42元/m2；在节能75%标准改造的建筑中，节能减排综合价值为47.31元/m2；在超低能耗改造的建筑中，节能减排综合价值为52.63元/m2。住建部发布的数据显示，2016年北京市完成既有居住建筑节能改造面积774万m2。按照进行节能65%标准的改造计算，减少排放 CO240.42 t/年，SO21.22 t/年，NOx0.61 t/年，碳粉尘11.03 t/年，烟尘5.51 t/年，环境效益3.13亿元/年。进行节能75%标准的改造计算，减少排放CO247.32 t/年，SO21.42 t/年，NOx0.71 t/年，碳粉尘12.91 t/年，烟尘 6.45 t/年，环境效益 3.66亿元/年。进行超低能耗标准的改造计算，减少排放CO252.63 t/年，SO21.58 t/年，NOx0.79 t/年，碳粉尘 14.36 t/年，烟尘 7.18 t/年，环境效益4.07亿元/年。可见，围护结构节能改造有着巨大的环境效益。

表6 节能改造减排量

表7 节能改造环境效益

4.3 社会效益分析

“十二五”时期，我国建筑节能和绿色建筑事业取得重大进展，建筑节能标准不断提高，既有居住建筑节能改造在严寒及寒冷地区全面展开，各项工作取得积极成效。截至2015年底，北方采暖地区共计完成既有居住建筑供热计量及节能改造面积9.9亿m2，住宅舒适度明显改善，惠及超过1500万户居民。老旧小区更新改造关系民生福祉，对非节能或低节能的老旧小区建筑进行围护结构改造，减少了能源消耗，提升了居住质量，具有重大的社会意义。

5 结 语

通过DeST软件模拟不同节能标准下北京地区典型的6层砖混结构老旧住宅围护结构改造能耗状况，并进行经济、环境、社会效益研究分析，主要结论如下：

（1）节能改造方案的确定并不是节能标准越高越好，要综合考虑节能量和经济性后，才能决定最优的改造方案；综合考虑节能量和经济性，在此算例中，综合窗墙比为0.23的6层住宅进行围护结构改造中应最优先考虑采取外墙改造。

（2）屋面改造相对于外墙、外窗改造的节能率较低，对于亟需提升室内舒适的非节能多层住宅建筑，宜优先进行外墙或外窗改造；外墙和外窗改造的节能率与建筑物窗墙比有关，因此优先性需进行具体能耗计算才能得出。

（3）为使节能65%标准的改造方案在经济上可行，当夏季采用分体空调供冷时，冬季供热方式可为区域燃气锅炉、分户燃气壁挂炉和电热膜，其中，采用电热膜供暖方式的未改造建筑经济性最优，其次是区域燃气锅炉，分户燃气壁挂炉最差；为使节能75%标准的改造方案在经济上可行，当夏季采用分体空调时，供热方式可为区域燃气锅炉和电热膜，其中，采用电热膜供暖方式的建筑改造经济性优于区域燃气锅炉；为使超低能耗标准的改造方案在经济上可行，当夏季采用分体空调时，供热方式可为电热膜。

（4）围护结构节能改造有着巨大的环境效益。在本文算例中，按照进行节能65%标准的改造计算，北京市2016年减少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉尘、烟尘分别为 40.42、1.22、0.61、11.03、5.51 t，环境效益3.13亿元；进行节能75%标准的改造时，减少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉尘、烟尘分别为 47.32、1.42、0.71、12.91、6.45 t，环境效益3.66亿元；进行超低能耗标准的改造计算，减少排放 CO2、SO2、NOx、碳粉尘、烟尘分别为 52.63、1.58、0.79、14.36、7.18 t，环境效益 4.07 亿元。

（5）老旧小区更新改造关系民生福祉，对非节能住宅建筑进行围护结构改造，提升了人居环境的舒适度，具有重大的社会意义。