寒冷地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造碳減排效益分析

摘要：2020年中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告顯示，全國(guó)建筑運(yùn)行階段碳排放量占全國(guó)能源碳排放總量的21.9%，其中居住建筑二氧化碳碳排放量為132800萬t，占建筑運(yùn)行階段碳排放總量的62.9%。因此，推行居住建筑節(jié)能減排工作迫在眉睫。推行有效可行且經(jīng)濟(jì)的節(jié)能改造，是有效降低居住建筑碳排放的重要舉措。目前建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造是既有建筑節(jié)能改造中常用且相對(duì)容易的方法，主要包括外墻、屋面和外窗節(jié)能改造。以寒冷地區(qū)居住建筑為研究對(duì)象，利用軟件模擬、分析計(jì)算等方法，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案碳減排效益進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造；能耗模擬；碳減排

0 引言

《中華人民共和國(guó)2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2019年我國(guó)全年能源消費(fèi)總量為48.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)3.3%^[1]。作為耗能大戶的建筑行業(yè)，日益增長(zhǎng)的建筑運(yùn)行能耗受到越來越多的關(guān)注。2020年中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告顯示，全國(guó)建筑運(yùn)行階段碳排放量占全國(guó)能源碳排放總量的為 21.9%。其中，居住建筑碳排放量占建筑運(yùn)行階段碳排放總量的62.9%^[2]。尤其是有采暖需求的居住建筑，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能將直接影響其冬季運(yùn)行能耗。

2017年12月，國(guó)家能源局會(huì)同其他9部委聯(lián)合印發(fā)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017～2021年）》，規(guī)劃中提出提高建筑用能效率，提高建筑門窗等關(guān)鍵部位節(jié)能性能要求，穩(wěn)步推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造^[3]。2021年3月11日2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“30·60”碳排放目標(biāo)，并在“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”中提到“因地制宜推動(dòng)北方地區(qū)清潔取暖” ^[4]。因此推行有效可行且經(jīng)濟(jì)的居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，是有效降低居住建筑碳排放的重要舉措。

1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造案例及方案確定

1.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造案例概況

以山西省某市清潔取暖建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主要針對(duì)市區(qū)內(nèi)居住建筑，原供暖熱源均為市政熱力，集中供熱；空調(diào)形式為各居室分體空調(diào)。本研究中節(jié)能改造范圍僅為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包含門窗、外墻、屋面、地下室頂板、不采暖樓梯間隔墻等，不涉及供熱熱源、供冷冷源、輸配管網(wǎng)、建筑內(nèi)系統(tǒng)形式及末端設(shè)備等的改造或升級(jí)。

篩選項(xiàng)目中某樓作為研究樣本，探究其圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的碳減排效益。樣本建筑改造前材料做法表見表1。

1.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常見改造措施

對(duì)既有建筑進(jìn)行清潔取暖節(jié)能改造，一般包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、冷熱源改造、熱力管網(wǎng)改造、遮蔽結(jié)構(gòu)改造等。其中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造是目前既有建筑節(jié)能改造中常用且相對(duì)容易的改造方法^[5]。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造主要包括以下三個(gè)方面：

（1）外墻節(jié)能改造。根據(jù)保溫材料位置的不同，外墻節(jié)能改造技術(shù)可分為外墻內(nèi)保溫技術(shù)、外墻夾心保溫技術(shù)和外墻外保溫技術(shù)。

（2）屋面節(jié)能改造。屋面節(jié)能改造技術(shù)按照屋面類型可分為平屋面節(jié)能改造技術(shù)、坡屋面節(jié)能改造技術(shù)及其它屋面節(jié)能改造技術(shù)。

（3）外窗節(jié)能改造。外窗節(jié)能改造技術(shù)主要是增大窗戶熱阻、提高氣密性，從而減少熱交換^[6]。改造措施包括換窗、加窗、貼膜、氣密性改造和增加遮陽措施。影響外窗節(jié)能效果的因素主要為玻璃材質(zhì)、窗框材質(zhì)和開窗方式。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案確定

由于樣本建筑的窗墻面積比和體型系數(shù)均小于等于規(guī)范規(guī)定限值，因此可以采用判定表法進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)各部分保溫材料厚度。根據(jù)《既有采暖居住建筑節(jié)能改造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ04-243-2013，查得各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)限值為屋面0.45、外墻0.60、外窗2.50。同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)馗脑祉?xiàng)目常規(guī)做法及財(cái)政情況，以有效降低改造成本和材料易于獲取且便于維護(hù)的原則，明確以EPS材料屋面材料，采用平屋面改造技術(shù)中的倒置屋面技術(shù)，以強(qiáng)度更好、更便于維護(hù)的巖棉板作為外墻材料，采用外墻外保溫技術(shù)，以及采用塑鋼中空平開窗進(jìn)行加窗的方式作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體改造方案。

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造能耗模擬分析

斯維爾能耗（BESI）是一款為建筑提供能耗與節(jié)能率計(jì)算的專業(yè)軟件，可以對(duì)建筑的全年冷、熱、暖、空調(diào)、照明等耗電量進(jìn)行計(jì)算，并適合我國(guó)國(guó)情，支持各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，因此本文采用此軟件對(duì)案例樣本進(jìn)行模型搭建。

供暖系統(tǒng)按市政熱力集中供暖、末端散熱器采暖系統(tǒng)設(shè)置；空調(diào)系統(tǒng)按分體空調(diào)，設(shè)置于臥室和起居室；照明及插座等設(shè)備系統(tǒng)分別按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骷敖ㄖ?shí)際情況，將氣象數(shù)據(jù)、房間類型和作息，以及改造前、后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)分別導(dǎo)入軟件，設(shè)置完成后，對(duì)樣本建筑進(jìn)行能耗模擬，可得建筑改造前、后能耗模擬結(jié)果。樣本建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前、后能耗模擬結(jié)果一覽表見表2。

根據(jù)上述能耗模擬結(jié)果，計(jì)算后可得改造后建筑節(jié)約能耗約177812kW·h，實(shí)際能耗提升率約43.5%。樣本建筑改造前、后能耗對(duì)比圖如圖1所示。

可見，合理選擇改造方案對(duì)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改造，提高建筑外墻、屋面保溫及門窗等關(guān)鍵部位節(jié)能性能要求，能夠有效提高建筑用能效率，降耗效果顯著。

3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造碳減排效益分析

3.1 污染物減排量分析

根據(jù)樣本建筑改造前、后供暖能耗，可分別計(jì)算改造前、后因采暖產(chǎn)生的污染物排放量，進(jìn)而確定污染物減排量。

首先，計(jì)算建筑因供暖產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒量；其次，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤排放系數(shù)分別計(jì)算各污染物排放量。1kg標(biāo)準(zhǔn)煤排放系數(shù)見表3^[7]。標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒量計(jì)算公式如下

式中，N為建筑標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒量（kg）；Q_H為建筑未改造時(shí)熱負(fù)荷量（kW·h）；H_c為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取8.14×103Wh/kg；η₁為室外管網(wǎng)輸送熱效率；η₂為鍋爐運(yùn)行效率。

根據(jù)上述步驟，分別計(jì)算改造前、后標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒量及污染物排放量，可得樣本建筑改造前、后污染物排放量對(duì)比圖，如圖2所示。

根據(jù)改造前、后污染物排放量，最終確定污染物整體減排量及減排百分比。樣本建筑污染物減排量一覽表見表4。

通過表4結(jié)果可見，經(jīng)過圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后的居住建筑可有效減少因供暖產(chǎn)生的二氧化碳排放量，同時(shí)，可大幅減少其他污染物的排放量。

3.2 碳減排經(jīng)濟(jì)效益分析

通過選定合適的分析指標(biāo)，搭建經(jīng)濟(jì)效益分析模型，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造增量成本及增量收益進(jìn)行計(jì)算，量化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后的碳減排經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 碳減排經(jīng)濟(jì)效益分析總體框架

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目在前期改造中，投入成本主要為工程費(fèi)用、工程建設(shè)其他費(fèi)用及預(yù)備費(fèi)，投入成本匯總后，為改造工程的增量成本。在運(yùn)行過程中，通過改造工程完成的能源節(jié)約、環(huán)境改善等節(jié)能減排效益，為改造項(xiàng)目的增量效益。對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目進(jìn)行碳減排經(jīng)濟(jì)效益分析的關(guān)鍵是合理量化增量成本與增量效益，并通過選取合適的指標(biāo)來體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)合理性^[5]。

3.2.2 增量成本計(jì)算

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造增量成本公式如下

ΔC=C_j+C_q+C_y """（2）

式中，C_j為建筑安裝工程費(fèi)；C_q為工程建設(shè)其他費(fèi)；C_y為預(yù)備費(fèi)^[8] 。

參考《既有居住建筑節(jié)能改造指南》中相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本建筑增量成本，見表5。

3.2.3 增量效益計(jì)算

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造增量效益主要包括節(jié)能增量效益和減排增量效益^[8]。節(jié)能增量效益主要為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后為居民帶來的冬季采暖成本及夏季空調(diào)使用成本的降低。節(jié)能增量效益公式如下

式中，E_t為建筑改造前后在第t年的節(jié)能增量效益；Q_H-t為建筑不改造第t年熱負(fù)荷量（kW·h）；Q″_H-t為建筑改造后第t年熱負(fù)荷量（kW·h）；P_H-t為標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)（元）；H_c為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取8.14×10³Wh/kg；η₁為室外管網(wǎng)輸送熱效率；η₂為鍋爐運(yùn)行效率；Q_C-t為建筑不改造第t年冷負(fù)荷量（kW·h）；Q″_C-t為建筑改造后第t年冷負(fù)荷量（kW·h）；P_C-t為電價(jià)單價(jià)（元）。

減排增量效益主要是從政府角度出發(fā)，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造節(jié)約出的減排費(fèi)用，即

ΔE=E_t+E_c """（4）

式中，E_c為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后的減排增量效益。

根據(jù)式（3）～式（4），計(jì)算可得樣本建筑增量效益，見表6。

3.2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

選取合適的分析指標(biāo)體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)合理性。因此，主要選定以下幾項(xiàng)指標(biāo)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造經(jīng)濟(jì)效益分析。

3.2.4.1 凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造完成后，根據(jù)選定的基準(zhǔn)折現(xiàn)率，將增量效益折算到評(píng)價(jià)期的現(xiàn)值，進(jìn)而與增量成本進(jìn)行比較，凈現(xiàn)值是考核圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)^[8]。

凈現(xiàn)值計(jì)算公式如下

式中，NPV為凈現(xiàn)值；（CI-CO）_t為第t年的凈現(xiàn)金流量；i_c為現(xiàn)行折現(xiàn)率；n為方案計(jì)算期。

對(duì)改造方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析時(shí)，當(dāng)NPV≥0時(shí)，表明方案在經(jīng)濟(jì)上可接受；否則表明不可接受。

3.2.4.2 投資動(dòng)態(tài)回收期

投資動(dòng)態(tài)回收期主要是指建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造產(chǎn)生的全部收益折現(xiàn)后回收總成本的周期。投資動(dòng)態(tài)回收期結(jié)合凈現(xiàn)值分析，可以更加合理地評(píng)價(jià)改造方案的經(jīng)濟(jì)效益。投資動(dòng)態(tài)回收期計(jì)算公式如下：

式中，P′_t為投資動(dòng)態(tài)回收期。

在實(shí)際工程案例中，投資動(dòng)態(tài)回收期一般會(huì)以以下近似公式計(jì)算，即

當(dāng)P′_tlt;P_c（基準(zhǔn)投資回收期）時(shí)，表示改造項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)角度上可接受；否則即為不可接受。

3.2.4.3 效益費(fèi)用比

效益費(fèi)用比即增量效益與增量成本的比值。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目中，效益費(fèi)用比越高，則表明用更少的資金投入獲得了更多的節(jié)能效果，代表項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性更佳。效益費(fèi)用比公式如下

3.2.4.4 節(jié)能效費(fèi)比與減排效費(fèi)比

節(jié)能效費(fèi)比是指改造建筑在運(yùn)營(yíng)過程中，總的能耗節(jié)約量與增量成本的比值；減排效費(fèi)比是指改造建筑在運(yùn)營(yíng)過程中總的污染物減排量與增量成本的比值。節(jié)能效費(fèi)比與減排效費(fèi)比在一定程度上綜合了節(jié)能減排效益與經(jīng)濟(jì)效益，可以更好地對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。

與效益費(fèi)用比不同，節(jié)能效費(fèi)比不需要在運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)去折現(xiàn)，可直接將各年的節(jié)能量累加。節(jié)能效費(fèi)比可表示為

式中，E_i為第i年能耗節(jié)約量。

同理，減排效費(fèi)比可表示為

式中，E_i為第i年污染物減排量。

利用前文已計(jì)算出的樣本建筑增量成本和增量收益，結(jié)合上述各項(xiàng)分析指標(biāo)相關(guān)描述，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，最終可得樣本建筑經(jīng)濟(jì)效益分析指標(biāo)表，見表7。

根據(jù)表7可知，樣本建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的投資動(dòng)態(tài)回收期約為7.55年；改造的效益費(fèi)用比為1.9元/元，即每投入1元，可獲得節(jié)能減排效益約1.9元；改造的節(jié)能效費(fèi)比為5.55kW·h/元，即每投入1元，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能5.55kW·h；減排效費(fèi)比中二氧化碳效費(fèi)比為1.02kg/萬元、二氧化硫效費(fèi)比0.03kg/萬元、氮氧化合物效費(fèi)比0.02kg/萬元、粉塵效費(fèi)比0.28kg/萬元，即每投入1萬元，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排1.02kg、二氧化硫減排0.032kg、氮氧化合物減排0.02kg、粉塵減排0.28kg。

4 結(jié)語

本文主要對(duì)寒冷地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的碳減排效益進(jìn)行分析，根據(jù)文中的軟件模擬及各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，量化了圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后建筑的能效提升效果及碳減排效益，可對(duì)其他居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目提供參考。相關(guān)結(jié)論如下：

（1）在滿足規(guī)范的前提下合理選擇改造方案，對(duì)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改造，提高其外墻、屋面保溫及門窗等關(guān)鍵部位節(jié)能性能要求，能夠有效降低建筑能耗水平，能效提升效果顯著。

（2）對(duì)有采暖需求的居住建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，具有較高的碳減排效益。改造后二氧化碳減排量及其他污染物減排量可達(dá)約40%；改造的投資動(dòng)態(tài)回收期約為7.55年；每投入1元進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能約5.55kW·h；每投入1萬元改造，可獲得二氧化碳減排1.02kg，同時(shí)大幅減少其他各類空氣污染物排放。在后續(xù)其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目中，合理控制增量成本，提升增量效益，還可進(jìn)一步降低投資動(dòng)態(tài)回收期，提高節(jié)能與減排效費(fèi)比，進(jìn)而獲得更高的碳減排效益。

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收稿日期：2023-12-12

作者簡(jiǎn)介：

張輝（1989—），男，研究方向：工程管理。