新疆嚴(yán)寒C區(qū)住宅三步節(jié)能與四步節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性分析

沈亞倩，姜曙光

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003）

目前我國民用建筑能耗高，尤其在北方嚴(yán)寒地區(qū)的冬季，采暖能耗大，城鎮(zhèn)單位面積年采暖平均能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為22 kg/m2。隨著集中供熱日益發(fā)展，建筑采暖成為了重點(diǎn)能耗大戶，采暖能耗所排放的二氧化碳也占據(jù)著相當(dāng)重的比例[1]，因此從2011年起新疆地區(qū)全面實(shí)行三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[2]，即各類居住建筑節(jié)能率要求全部達(dá)到65%節(jié)能率。2014年起新疆嚴(yán)寒C 區(qū)推薦執(zhí)行四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[3]，即推薦新建居住建筑能源消耗在三步節(jié)能的基礎(chǔ)上再提高10%，將節(jié)能率提高至75%。

四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是否既可降低能耗[4-5]，又可達(dá)到增量成本不高的結(jié)果，是本文主要探討的問題。2017年5月，國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》表明：到2020年，城鎮(zhèn)綠色建筑面積占新建建筑面積比重提高至50%，其中裝配式建筑面積占新建建筑面積比例達(dá)到15%。

在國家大力推薦綠色建筑的前提下，本文以烏魯木齊市一棟已建裝配式建筑為例，分析三步節(jié)能與四步節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性[6]，以期為新疆嚴(yán)寒C 區(qū)相關(guān)設(shè)計(jì)人員、開發(fā)商選擇住宅節(jié)能[7]標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 工程概況

1.1 烏魯木齊地區(qū)氣候特點(diǎn)

烏魯木齊市（N44°08′，E88°58′）屬于嚴(yán)寒氣候C 區(qū)，氣候特點(diǎn)為冬季寒冷，夏季干熱，日夜溫差較大，常年干燥少雨，冬季室外平均氣溫在-17 ℃左右，采暖期為6 個月。

1.2 研究對象概況

本文研究對象為烏魯木齊市東風(fēng)小區(qū)2# 樓一棟裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅，建筑平面圖如圖1所示。該住宅建于2013年，原設(shè)計(jì)達(dá)到三步節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)，建筑面積為5490.3 m2，地下一層為地下室，層高為2.2 m，地上六層各層層高均為2.8 m，建筑高度為19.45 m。該建筑體形系數(shù)為0.3，窗墻比分別為：南北向均為0.07，東西向均為0.19，滿足《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則 XJJ001-2011》的規(guī)定。

圖1 2# 樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.1 2# building standard floor plan

1.3 2# 樓原設(shè)計(jì)參數(shù)與兩節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)限值對比分析

由該建筑的節(jié)能計(jì)算可知，2# 樓原設(shè)計(jì)總體滿足三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，但其各項(xiàng)參數(shù)是否滿足四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對比結(jié)果見表1。由表1可知：2# 樓原設(shè)計(jì)架空樓板和周邊地面兩部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)未滿足2011年三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，但建筑總體達(dá)到了65%節(jié)能率。與《新疆維吾爾自治區(qū)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)- 嚴(yán)寒C 區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（XJJ/T063-2014）相比，該建筑屋頂、外墻、樓板、以及周邊地面均不滿足該標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)要求。因此，對未滿足參數(shù)要求的各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬調(diào)整和軟件模擬[8]計(jì)算，旨在分析各項(xiàng)是否達(dá)到四步節(jié)能，以及達(dá)到四步節(jié)能后的經(jīng)濟(jì)性。

表1 兩種節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.1 Comparison of heat transfer coefficient of 2# building envelope structure and two energy saving standards

2 以四步節(jié)能為標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整方案

根據(jù)表1中兩種標(biāo)準(zhǔn)的對比，針對以上不滿足的部分，擬從外墻、地下室地面、樓面、屋面四部分進(jìn)行調(diào)整。

2.1 外墻

該建筑外墻原設(shè)計(jì)采用該項(xiàng)目公司自主研發(fā)的DK 板，該墻板主要是以低堿度水泥為基本原料，摻合粉煤灰、鋼渣等工業(yè)廢料，采用75 厚EPS 聚苯板夾心，雙面配置鋼絲網(wǎng)或玻璃纖維網(wǎng)增強(qiáng)的夾心保溫板，外墻板厚120，外墻板簡稱DK-120 復(fù)合板。外保溫為60 厚EPS 聚苯板與水泥纖維薄板粘結(jié)為一體的ET 保溫板。

由于DK-120 為工廠裝配式預(yù)制板，因此調(diào)整時對其夾心保溫板不做改動，而是將外墻ET 板的材料60 厚EPS 聚苯板改為60 厚XPS 擠塑聚苯板。

調(diào)整后傳熱系數(shù)由0.41 降低至0.29，小于四步節(jié)能傳熱系數(shù)限值0.40，滿足要求。

表2 外墻調(diào)整前后做法Tab.2 Practice before and after the external wall adjustment

2.2 地下室地面

該建筑地下室地面原設(shè)計(jì)未做保溫處理，在接觸土壤的地面熱阻過小，地面?zhèn)鳠崃枯^大。

為減少冬季熱量損失和避免結(jié)露現(xiàn)象，對地面周圍進(jìn)行保溫處理，提高地下室保溫效果，因此，改造時在墊層上加30 厚XPS 擠塑聚苯板，可以更好的降低能耗。

原設(shè)計(jì)地下室地面熱阻為0.24，調(diào)整后熱阻提升至1.35，大于四步節(jié)能熱阻要求的1.20，滿足要求。

表3 地下室地面調(diào)整前后做法Tab.3 Practice before and after the basement floor adjustment

2.3 樓面

該建筑層間樓板原設(shè)計(jì)保溫做法為20 厚EPS聚苯板，現(xiàn)將原有的20 厚EPS 改為30 厚XPS 擠塑聚苯板，在防水防潮的同時提高保溫效果。

調(diào)整后傳熱系數(shù)由原先的1.33 降至0.52，未滿足四步節(jié)能要求。

表4 樓面調(diào)整前后做法Tab.4 Practice before and after the floor adjustment

2.4 屋面

該建筑原設(shè)計(jì)屋面保溫做法為100 厚EPS 聚苯板，正置式屋面，為了提高屋面的保溫和防水性能，將100厚EPS 板改造成100 厚XPS 板。調(diào)整后傳熱系數(shù)由0.36 降低至0.25，滿足四步節(jié)能傳熱系數(shù)限值的要求。

表5 屋面調(diào)整前后做法Tab.5 Practice before and after the roof adjustment

3 建筑模型的建立與各方案能耗計(jì)算結(jié)果

針對以上對外墻、地下室地面、樓面和屋面的調(diào)整做法，利用DeST-h 軟件對各種做法進(jìn)行能耗計(jì)算。

3.1 模型的建立

運(yùn)用DeST-h 軟件，根據(jù)該建筑平面圖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，描述該建筑的各項(xiàng)建筑參數(shù)并進(jìn)行建模，建模參數(shù)包括建筑地理位置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、房間空調(diào)參數(shù)、房間功能、和通風(fēng)等，逐層建立建筑模型，如圖2和圖3所示。

3.2 能耗計(jì)算結(jié)果

對該建筑全年能耗進(jìn)行模擬和計(jì)算，分別得到2# 樓原建筑和調(diào)整方案的建筑全年采暖能耗數(shù)據(jù)。2#樓原建筑在滿足三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下全年采暖熱負(fù)荷為187394.43 kW·h，燃煤鍋爐效率為68%，因此，全年采暖能耗為187394.43/0.68=275580.04 kW·h。

根據(jù)對外墻、屋頂、樓板及地下室地面擬調(diào)整做法，通過DeST-h 軟件模擬和計(jì)算，得出5 種調(diào)整方案及其能耗數(shù)據(jù)（表6）。

圖2 一層建筑模型Fig.2 1st floor building mode

圖3 2# 樓建筑模型Fig.3 2# building mode

表6 基于2# 樓原圍護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方案及數(shù)據(jù)總結(jié)Tab.6 Based on the 2# building original enclosure structure of the proposed adjustment program and data summary

由表6可知：

（1）方案1 只對原建筑外墻構(gòu)造措施進(jìn)行調(diào)整，該方案的采暖能耗值為244101.38 kW·h，與原設(shè)計(jì)模擬得出的采暖能耗值275580.04 kW·h 相比降低了31478.66 kW·h，將節(jié)能率提高了11.4%，達(dá)到75%節(jié)能率；方案2 只對屋頂部分構(gòu)造措施進(jìn)行調(diào)整，與原設(shè)計(jì)相比可將能耗降低18212.17 kW·h，節(jié)能率可提高6.6%，但未能達(dá)到75%的節(jié)能率。方案3只調(diào)整樓板，結(jié)果也未滿足75%節(jié)能率。

（2）由于方案2，3 的結(jié)果均未能達(dá)到四步節(jié)能要求，因此，將地下室地面與方案2，3 疊加，得到方案4 和方案5。方案4 是同時對屋頂和地下室地面進(jìn)行調(diào)整，節(jié)能率可提高7.4%，但仍未達(dá)到75%節(jié)能率。方案5 是同時對樓板和地下室地面擬調(diào)整，節(jié)能率僅提高1.0%，亦未達(dá)到75%節(jié)能率。

（3）雖然根據(jù)方案1 的結(jié)果，該做法可以達(dá)到75%的節(jié)能率，但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他部分仍有未達(dá)到四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)，因此方案1 做法是否滿足四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還需權(quán)衡判斷。

（4）根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)-嚴(yán)寒C 區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（XJJ/T063-2014）

4.3.1 條知當(dāng)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)不滿足某項(xiàng)傳熱系數(shù)限值要求時，要以建筑物耗熱量指標(biāo)或建筑能源需求量指標(biāo)為判據(jù)，進(jìn)行該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷。經(jīng)計(jì)算，按方案1 調(diào)整后，達(dá)到四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑能源需求量指標(biāo)為44.46 kW·h/m2，小于標(biāo)準(zhǔn)限值47.9 kW·h/m2，因此權(quán)衡之后，方案1 滿足四步節(jié)能要求。

4 三步節(jié)能與四步節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 三步節(jié)能與四步節(jié)能的投資造價分析

2# 樓建筑外表面積為5942.24 m2，除去屋頂和地面后外墻表面積為3754.49 m2，外墻原設(shè)計(jì)采用的保溫材料為60 厚EPS 保溫，而調(diào)整后外墻采用的保溫材料為60 厚XPS 保溫，因此，將調(diào)整外墻之后的做法定義為滿足四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

造價計(jì)算分析結(jié)果（表7）表明：2# 樓外墻需要保溫板225.27 m3。據(jù)調(diào)查，新疆烏魯木齊地區(qū)EPS板造價為280 元/m3，XPS 板造價為340 元/m3，差價為60 元/m3。

由以上分析可知，若要滿足四步節(jié)能，則僅需將外墻保溫材料換成XPS 保溫板，就能達(dá)到75%的節(jié)能率，根據(jù)表7的造價分析數(shù)據(jù)，四步節(jié)能整體造價要比三步節(jié)能高出13517 元。

表7 三步節(jié)能與四步節(jié)能造價分析Tab.7 Three-step energy-saving and four-step energy-saving cost analysis

4.2 節(jié)煤量分析與靜態(tài)投資回收期

4.2.1 節(jié)煤量分析

根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2017年1 kW·h 能量約等于860 kcal 熱量，則四步節(jié)能每一年節(jié)約31478.66 kW·h 能 耗 折 合 標(biāo) 煤 為 31478.66 ×860/7000=3867.38 kg。經(jīng)調(diào)查，標(biāo)準(zhǔn)煤現(xiàn)價格為800元/t，采用四步節(jié)能做法可知每一年所節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤3867.38 kg，折合人民幣為3094 元。

具體計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 三步節(jié)能與四步節(jié)能節(jié)煤量分析Tab.8 Analysis of three-step energy-saving and four-step energy-saving coal saving

4.2.2 靜態(tài)投資回收期分析

靜態(tài)投資回收期是指以投資項(xiàng)目經(jīng)營凈現(xiàn)金流量抵償原始總投資所需要的全部時間[9-10]。經(jīng)過三步節(jié)能與四步節(jié)能的對比后得知凈現(xiàn)金流量為13517 元，假定保溫材料鋪貼完成后每年節(jié)約的能量都相同，則每一年節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤折合人民幣也都為3094 元。

靜態(tài)投資回收期的計(jì)算公式如式1：

上式中：K為凈現(xiàn)金流量，A為項(xiàng)目投產(chǎn)后每年的凈收益，PT為靜態(tài)投資回收期。

經(jīng)計(jì)算得出靜態(tài)投資回收期為4.37年，這表明第5年就能回收投資成本。

5 結(jié)論

（1）該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能滿足2011年三步節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過僅對原建筑外墻進(jìn)行調(diào)整，即可滿足四步節(jié)能的要求，該做法將全年能耗降低了31478.66 kW·h，每年可節(jié)約3.87 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，通過靜態(tài)投資分析，第5年可回收投資成本。

（2）今后在資金允許的情況下應(yīng)該優(yōu)先推行更經(jīng)濟(jì)的四步節(jié)能。