建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計火用分析及CO2排放研究＊

龔光彩，蔡立群，王 平，王 瑩，黎 龍

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

隨著中國房地產(chǎn)行業(yè)的不斷繁榮與發(fā)展，建筑業(yè)在國民經(jīng)濟中占的比例也越來越重，經(jīng)濟發(fā)展的同時，能耗問題日益凸顯，2011年中國建筑總能耗占全國總能耗的19．74%［1］．與此同時，全球大約33%由能源引起的溫室氣體（GHG）排放來自于商業(yè)建筑和住宅建筑的能源消耗［2］．因此，如何實現(xiàn)建筑節(jié)能減排已成為社會關(guān)注的焦點之一．

建筑內(nèi)部與外界環(huán)境之間的熱傳遞大部分是通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的．在建筑運行能耗中，空調(diào)、采暖能耗約占50%～60%左右［3］，因此，改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式以改善建筑熱性能，是建筑節(jié)能的有效手段．以生命周期的觀點來看，廣義的建筑能耗應(yīng)包括建筑材料的生產(chǎn)與加工過程的能耗、建筑施工能耗、暖通設(shè)備制造、運輸能耗及建筑壽命終止后拆除能耗、廢棄建材處置等與建筑相關(guān)活動的能耗［4］．因此，建筑能耗的分析不能只考慮運行階段，而要從生命周期的角度出發(fā)進(jìn)行考慮．

迄今為止，已有不少國內(nèi)外學(xué)者對建筑節(jié)能設(shè)計的評價、優(yōu)化和經(jīng)濟性分析進(jìn)行了相關(guān)研究．徐艷芳等［5］基于火用概念分析了能量利用對環(huán)境的影響及與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系．Bribia′n等［6］基于生命周期評價方法，建立了能夠分析建筑材料的內(nèi)含能，建筑運行時的能耗及污染物排放問題的方法．Liu等［7］基于火用概念建立了建筑生命周期內(nèi)環(huán)境影響火用分析評價通用模型．Schlueter等［8］利用建筑能耗和火用耗評價，建立了能在初步設(shè)計階段分析建筑節(jié)能性的建筑信息模型．而這些研究一般只考慮了能的量，忽略了能的質(zhì)，沒有綜合考慮節(jié)能和節(jié)錢問題．因此，本文從生命周期角度出發(fā)，結(jié)合火用及火用經(jīng)濟學(xué)，建立火用成本模型，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案的經(jīng)濟性，節(jié)能性和環(huán)境影響進(jìn)行評價．火用可反映出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案生命周期內(nèi)能量被利用的程度，能更好地體現(xiàn)節(jié)能的真實性；對于不同的對象，火用成本的計算方法不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用成本是將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計經(jīng)濟性及節(jié)能性相結(jié)合而得到的新的節(jié)能效益評價指標(biāo)，為建筑節(jié)能設(shè)計評價提供了參考．

1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)境影響評價

本文的評價對象為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，本文中僅考慮生命周期中的建材生產(chǎn)階段和建筑運行階段，因為這兩個階段能耗和污染物排放量較大．評價目標(biāo)設(shè)定為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計前后生命周期內(nèi)能耗、火用耗及CO2排放量．

1．1 能耗分析

1．1．1 建材生產(chǎn)階段能耗

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)需消耗大量的建材，建材能耗可由下式計算［9］：

式中：En為建材能耗，kW·h；m為建材質(zhì)量，kg；Enm為質(zhì)量含能，kW·h／kg，目前我國此類數(shù)據(jù)比較少，但也有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，不同的研究會有不同的結(jié)果，本文中EPS、水泥和石膏的數(shù)據(jù)主要來自于楊倩苗的研究結(jié)果［10］，由于國內(nèi)缺乏中空玻璃，鋁合金和保溫砂漿數(shù)據(jù)，所以本文中玻璃和保溫砂漿的數(shù)據(jù)來自國外文獻(xiàn)［6］，鋁合金數(shù)據(jù)采用日本數(shù)據(jù)［11］．由于數(shù)據(jù)缺乏，本文中XPS 數(shù)據(jù)由EPS數(shù)據(jù)推導(dǎo)，部分建材質(zhì)量含能數(shù)據(jù)見表1．

表1 部分建材單位質(zhì)量含能及CO2排放量Tab．1 Unit embodied energy and CO2emissions of building materials

1．1．2 建筑運行階段能耗

建筑運行能耗主要包括空調(diào)、采暖、照明、炊事、熱水供應(yīng)及設(shè)備等的能耗．不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于不同的熱物性，建筑的冷熱負(fù)荷就不同，因此建筑物在運行階段的能耗也有較大的差異．本文采用動態(tài)模擬軟件Dest－C對建筑運行階段能耗進(jìn)行模擬．

1．2 火用耗分析

1．2．1 建材生產(chǎn)階段火用耗

單位建材的質(zhì)量含火用可表示為：

式中：Exm為建材質(zhì)量含火用，kW·h／kg；Enm為建材質(zhì)量含能，kW·h／kg；λm為建材當(dāng)量能質(zhì)系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)建材所耗費各種能源所占能源總數(shù)的百分比．計算出建材當(dāng)量能質(zhì)系數(shù)［12］：

式中：λ1，λ2，…，λn為第n種能源的能質(zhì)系數(shù)；x1，x2，…，xn表示生產(chǎn)建材所耗費的第n種能源所占能源總數(shù)的百分比．

最終可求得建材生產(chǎn)階段的總火用為：

式中：Ex為建材生產(chǎn)階段的總火用，kW·h；mi為第i種建材的質(zhì)量，kg；Exmi為第i種建材的單位質(zhì)量含火用，kW·h／kg．

1．2．2 建筑運行階段火用分析

本文采用Dest軟件進(jìn)行動態(tài)模擬，可以分別得到全年空調(diào)季制冷運行的耗冷量以及空調(diào)采暖季制熱運行的耗熱量，根據(jù)熱量火用Exh（kW·h）及冷量火用Exc（kW·h）的定義式，可得：

式中：Qh為制熱量，kW·h；Qc為制冷量，kW·h；T0為室外環(huán)境溫度，K；T為室內(nèi)環(huán)境溫度，K．電能的火用值就等于其能量值．

1．3 CO2排放量

建筑物生命周期對環(huán)境的影響，除了能源、資源的消耗外，還包括生命周期各階段中溫室氣體的排放量．本文中采用CO2排放量作為溫室氣體排放指標(biāo)．在建材生產(chǎn)階段，使用的能源主要為煤、天然氣及電能，在建筑運行階段，建筑系統(tǒng)主要消耗的能源為電能．各單位建材及能源的CO2排放量分別見表1和表2［13－14］．

表2 各能源CO2排放量Tab．2 CO2emissions of different energy

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用成本模型

2．1 熱經(jīng)濟學(xué)模型

本文根據(jù)熱經(jīng)濟學(xué)，將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)看作一個黑箱系統(tǒng)［15］，對黑箱的邊界火用流進(jìn)行分析，在黑箱的邊界上只有能源的輸入及輸出．其模型如圖1所示．

2．2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本

根據(jù)模型所示，把系統(tǒng)中的能量及費用都看作火用流，基于經(jīng)濟平衡建立建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本的表達(dá)式：

式中：Exe為冷熱源，照明及設(shè)備年耗電量的火用值，kW·h；Exw為冷熱源年耗水量的火用值，kW·h；Exf為冷熱源耗燃料量的火用值，kW·h；Exi為年供冷量或供熱量的火用值，kW·h；ce為單位電能的成本，元／（kW·h）；cw為單位供水量的成本，元／（kW·h）；cf為單位燃料的成本，元／（kW·h）；Cz為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案年度化工程造價，元；Cg為建筑運行管理費用，元；Cc為圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除費用，元；c為單位火用成本，元／（kW·h）．

圖1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用經(jīng)濟學(xué)模型Fig．1 Exergy－economics model of building envelop

本文中，建筑冷熱源為風(fēng)冷熱泵機組，耗水量及耗燃料量可不計，因此公式（7）可簡化為：

根據(jù)式（8）可求得單位火用成本：

由式（9）可知建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的火用成本與很多因素有關(guān)，等式右邊第一項表示運行時的能耗費用；第二項表示總投資成本對每年的折現(xiàn)費用；第三項表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的修繕費用；第四項表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除費用．

其中年度化工程造價Cz，建筑年運行管理費用Cg，圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造年拆除費用Cc可用如下方法計算［1 6］：

式中：K為節(jié)能改造的工程造價，元；i為投資折現(xiàn)率；n為節(jié)能改造后的建筑壽命，年．

Cg按照工程造價的一定比例取值，本文比例取3%．Cc取圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造安裝費用的一半，本文中對此項不予考慮．由以上分析可知，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的火用成本和諸多因素有關(guān)，這些因素綜合反映出節(jié)能設(shè)計的經(jīng)濟性及節(jié)能性；較低的單位火用成本，意味著選用投資較少的節(jié)能設(shè)計方案，使用較多的低品位能源，得到火用效率較高的制冷量、制熱量．

3 案例分析

本文以株洲地區(qū)某辦公樓為對象進(jìn)行研究．該建筑建于2008年，設(shè)計使用年限為30年．總建筑面積約1 504．6m2，共5層．原建筑的墻體為240mm磚墻，內(nèi)表面抹灰加粉刷，外表面為水泥砂漿．辦公樓設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源為風(fēng)冷熱泵機組，COP為3．0，EER 為2．6．原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表3；對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計后，其性能參數(shù)見表4．

表3 原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Tab．3 Performance parameter of building envelop before retrofit

表4 改造后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Tab．4 Performance parameter of building envelop after retrofit

1）建材生產(chǎn)階段能耗、CO2排放量及火用耗．通過查詢工程量清單報價可計算出建筑節(jié)能改造的材料使用量清單，將表1中各建材的質(zhì)量含能，CO2排放量乘以建材使用量可得到建材生產(chǎn)階段能耗及建材生產(chǎn)階段CO2排放量，并用公式（1），（2），（3）計算出建材生產(chǎn)階段火用耗．計算結(jié)果如表5所示．

2）建筑運行階段能耗、CO2排放量及火用耗．分別計算原始建筑和改造后建筑的能耗、CO2排放量及火用耗，運用Dest進(jìn)行動態(tài)模擬可得建筑運行能耗，再結(jié)合表2可得CO2排放量，再根據(jù)公式（7）可得出總火用耗．計算結(jié)果如表6所示．

表5 各建材生產(chǎn)階段能耗、CO2排放量及火用耗Tab．5 Energy consumption，CO2emissions and exergy consumption in building materials production phrase

表6 建筑運行階段能耗、CO2排放量及火用耗Tab．6 Energy consumption，CO2emissions and exergy consumption in building running phrase

由表6可知，方案1全年運行節(jié)能率為17．7%，CO2減排率為17．8%，節(jié)火用率為18．1%；方案2全年運行節(jié)能率為14．1%，CO2減排率為14．1%，節(jié)火用率為14．3%．綜合比較可得方案1運行階段的節(jié)能量與節(jié)火用量都比方案2的大，說明用火用來評價建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性是可行的．從運行階段考慮，方案1比方案2的節(jié)能性更好，說明適當(dāng)增加保溫層厚度，選擇傳熱系數(shù)小的保溫材料，能更好地節(jié)能．

3）生命周期內(nèi)的節(jié)能量，CO2減排量及節(jié)火用量與運行時間的關(guān)系．綜合表5和表6可得改造后的建筑在生命周期內(nèi)的節(jié)能量，CO2減排量及節(jié)火用量，將其與建筑運行時間相結(jié)合，對結(jié)果進(jìn)行分析，辦公樓設(shè)計使用年限為30 年，計算結(jié)果如圖2～圖4所示．

圖2 節(jié)能設(shè)計后不同運行時間生命周期內(nèi)節(jié)能量Fig．2 Energy saving of difference run time in life cycle

圖3 節(jié)能設(shè)計后不同運行時間生命周期內(nèi)CO2減排量Fig．3 CO2emission cuts of difference run time in life cycle

由圖2和圖3可知，在生命周期內(nèi)，方案1建筑運行階段節(jié)約的能耗需要10年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要4年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2．方案2建筑運行階段節(jié)約的能耗需要11年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要5年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2，這說明建筑生產(chǎn)階段的能耗和CO2排放量是不容忽視的．由圖4可知，兩方案建材生產(chǎn)階段的火用耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑運行階段節(jié)火用量．在30年內(nèi)，生命周期內(nèi)的節(jié)火用量仍為負(fù)值，這是由于建材生產(chǎn)時能源的燃燒溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)環(huán)境溫度，因此在這個階段的火用耗較高，而建筑運行能耗為低品位熱能，火用耗較低；因為火用不僅考慮了能的量，還考慮了能的質(zhì)．

圖4 節(jié)能設(shè)計后不同運行時間生命周期內(nèi)節(jié)火用量Fig．4 Exergy saving of difference run time in life cycle

4）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本計算．查詢工程造價清單可得節(jié)能設(shè)計方案1改造工程造價為26．8萬元，方案2的工程造價為25．5萬元．電能的單價為0．6元／（kW·h）；計算投資成本時，根據(jù)式（10）計算年度工程造價，投資折現(xiàn)率i取8%，節(jié)能設(shè)計后建筑壽命為30年．根據(jù)公式（9）計算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本，計算結(jié)果如表7所示．

表7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本Tab．7 Unit exergy cost of building envelop 元／GJ

從表7可得，方案2的單位火用成本比方案1的火用成本要低，說明從經(jīng)濟性上考慮，方案2更省錢．火用成本越低，意味著低品位能源使用量越大，建筑可持續(xù)性高，投資成本少，火用效率較高．

4 結(jié) 論

本文根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)某辦公樓不同建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案的建材耗量，建筑運行能耗及CO2排放量，對各方案建筑生命周期內(nèi)的能耗，火用耗及CO2排放量進(jìn)行定量分析，并在此基礎(chǔ)上建立火用成本模型，對不同方案進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）該建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計后，方案1建筑運行階段節(jié)約的能耗需要10年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要4年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生CO2排放量．方案2建筑運行階段節(jié)約的能耗需要11年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要5年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2排放量．因此，只有當(dāng)節(jié)能設(shè)計后建筑運行節(jié)約的能耗或CO2減排量大于因節(jié)能而投入的能耗及CO2排放量時，才能達(dá)到真正意義上的節(jié)能．

2）傳統(tǒng)的建筑能耗分析，一般僅考慮能的量，忽略了能量的質(zhì)，而火用不僅可以反映能的量且能衡量能量品味高低，因此本文采用火用方法并從生命周期角度出發(fā)分析節(jié)能設(shè)計建筑．分析案例火用耗得到，建材生產(chǎn)階段的火用耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑運行階段的節(jié)火用量，即節(jié)能的方案不一定節(jié)火用．因此，當(dāng)以不同的指標(biāo)來篩選節(jié)能方案時，結(jié)果是不同的．而建筑節(jié)能設(shè)計的火用耗分析更能體現(xiàn)建筑節(jié)能的真實性，可持續(xù)建筑必須是節(jié)火用的．

3）本文基于熱經(jīng)濟學(xué)的概念，通過建立黑箱模型，分析了節(jié)能設(shè)計建筑的火用流過程，并針對本文案例實際情況，推出了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用成本的計算方法．對實例分析可得，從節(jié)能性方面比較，方案1更好，而從經(jīng)濟性方面比較，方案2更好，說明在建筑節(jié)能設(shè)計方案選擇時，要綜合考慮節(jié)能性和經(jīng)濟性，才能達(dá)到最佳節(jié)能目標(biāo)．較低的單位火用成本，意味著選用投資較少的節(jié)能改造方案，低品位能源使用量較大，得到了火用效率較高的制冷、熱量，建筑整體節(jié)能性和可持續(xù)性高．

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心．中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2013［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：4．

Tsinghua University Building Energy Efficiency Research Center．2013annual report on china building energy efficiency［M］．Beijing：China Architecture ＆Building Press，2013：4．（In Chinese）

［2］汪濤，方東平．建筑溫室氣體減排政策研究綜述［J］．建筑科學(xué)，2012，28（8）：89－96．

WANG Tao，F(xiàn)ANG Dong－ping．Review on researches of greenhouse gas emission reduction policies in building sector［J］．Building Science，2012，28（8）：89－96．（In Chinese）

［3］GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：37．

GB 50189—2005 Public building energy efficiency design standards［S］．Beijing：China Architecture ＆Building Press，2005：37．（In Chinese）

［4］李兆堅，江億．我國廣義建筑能耗狀況的分析與思考［J］．建筑學(xué)報，2006，7：30－33．

LI Zhao－jian，JIANG Yi．Pondering over the situation of domestic generalized building energy consumption［J］．Architectural Journal，2006，7：30－33．（In Chinese）

［5］徐艷芳，于大文，王松平，等．基于火用概念的可持續(xù)發(fā)展策略分析［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報，2003，30（5）：21－25．

XU Yan－fang，YU Da－wen，WANG Song－ping，etal．Analysis of strategies for sustainable development based on exergy concept［J］．Journal of North China Electric Power University，2003，30（5）：21－25．（In Chinese）

［6］BRIBIA＇N I Z，USO＇N A A，SCARPELLINI S．Lifecycle assessment in buildings：state－of－the－art and simplified LCA methodology as a complement for building certification［J］．Building and Environment，2009，44（12）：25l0－2520．

［7］LIU Meng，LI Bai－zhan，YAO Run－ming．A generic model of exergy assessment for the environmental impact of building lifecycle［J］．Energy and Buildings，2010，42（9）：1482－1490．

［8］SCHLUETER A，THESSELING F．Building information model based energy／exergy performance assessment in early design stages［J］．Automation in Construction，2009，18（2）：153－163．

［9］龔光彩，龔思越，韓天鶴，等．建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能源消耗火用分析評價［J］．湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，41（4）：101－106．

GONG Guang－cai，GONG Si－yue，HAN Tian－h(huán)e，etal．Exergy assessment of the energy consumption of building envelope construction［J］．Journal of Hunan University：Natural Sciences，2014，41（4）：101－106．（In Chinese）

［10］楊倩苗．建筑產(chǎn)品的全生命周期環(huán)境影響定量評價［D］．天津：天津大學(xué)建筑學(xué)院，2009：52－59．

YANG Qian－miao．Quantificational life cycle assessment of environmental impact of construction production［D］，Tianjin：School of Architecture，Tianjin University，2009：52－59．（In Chinese）

［11］日本可持續(xù)建筑協(xié)會．建筑物綜合環(huán)境性能評價體系—綠色設(shè)計工具［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：259－260．

The Japan Sustainable Building Con－sortium．Comprehensive assessment system for building environmental efficiency［M］．Beijing：China Architecture ＆ Building Press，2005：259－260．（In Chinese）

［12］江億，劉曉華，薛志峰．能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)評價指標(biāo)的研究［J］．中國能源，2004，26（3）：27－31．

JIANG Yi，LIU Xiao－h(huán)ua，XUE Zhi－feng．Study on ECC index of energy conversion system［J］．Energy of China，2004，26（3）：27－31．（In Chinese）

［13］趙平，同繼鋒，馬眷榮．建筑材料環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)及評價體系的研究［J］．中國建材科技，2004，6：1－7．

ZHAO Ping，TONG Ji－feng，MA Juan－rong．The research on the system of the building material environment load index and evaluate［J］．China Building Materials Science ＆Technology，2004，6：1－7．（In Chinese）

［14］GONZALEZ M J，NAVARRO J G．Assessment of the decrease of CO2emissions in the construction field through the selection of materials：practical case study of three houses of low environmental impact［J］．Building and Environment，2006，41（7）：902－909．

［15］傅秦生．能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：169－180．

FU Qin－sheng．Thermodynamic analysis of energy systems［M］．Xi＇an：Xi＇an Jiaotong University Press，2005：169－180．（In Chinese）

［16］董孟能，田學(xué)春，呂忠．墻體自保溫體系生命周期成本及經(jīng)濟效益分析［J］．新型建筑材料，2010，37（9）：26－32．

DONG Meng－neng，TIAN Xue－chun，LV Zhong．Analysis on life－cycle cost and economic benefits of self－insulation system of external wall［J］．New Building Materials，2010，37（9）：26－32．（In Chinese）