基于成本控制的既有居住建筑節能改造策略研究

文／李雨柔 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 碩士研究生（通訊作者）

引言

據2020年中國建筑能耗報告指出，我國節能減排工作當前為全面調整階段，提高建筑物的能耗率就是推動和促進建筑物節能的根本[1]。2020年國務院辦公廳《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》中明確指出，對老舊小區內建筑的改造是實現城市品質提升和人居環境質量改善最有效且直接的方式，對提高既有建筑的使用率意義重大[2]。對既有建筑過去的研究以降低能耗為大方向，但改造成本也是改造的重要影響因素，合理控制成本，提高節能效益與節能率之間的綜合分析也是非常有必要的。

1 建筑節能改造成本計算體系

1.1 節能改造成本

在節能改造成本部分，為了突出改造策略選取對節能效益的影響，暫且忽略材料運輸成本，著重對圍護結構的改造策略的材料費用與施工費用所產生的總計成本進行計算分析。計算數據通過市場進行調研后選取平均值進行計算，保證了數據的真實可靠。改造成本按下式計算：

式中，I0為改造成本費用；Pn為改造所采用材料的單位面積價格；Cn為改造所采用材料的單位施工成本；Sn為所需材料的總體數量；k為材料的種類。

1.2 年節能收益

對于夏熱冬冷地區的節能收益主要體現在降低能耗后節約的電費量上，節能收益要通過當前電力收費標準進行計算后體現，按（2）進行計算：

由于本文以蘇州市為例，根據蘇州市現行電費收費標準，節能改造所節約的電力能耗為年用電量2760千瓦時之后的節約值，因此本文p取平均值為0.7073元/KWh。

1.3 成本效益評價

成本效益評價考慮的是改造項目資金時間價值，即為成本控制計算。具體包括年凈現金流量（NCFt）、累計凈現金流量（ANCFt）、投資回收期（Pd）和節能效益率（W）進行改造策略的經濟性評估，可按下式計算：

式中，α為建筑運行過程中的實際節能率，取±20%；η為電力價格的平均增長率，本文取0；i為折現率，小區節能改造為共同性社會建設項目，因此i取6%[3]；γ為改造期的成本波動率，節能和改造持續時間比較短，γ取值為1；m為累計凈現金流量出現轉為正值的年份；t表示建筑剩余使用年份，一般情況下老舊小區改造所耗費的時間為1年。

1.4 節能效益率

節能改造方案在其剩余生命周期內總的節能效益值與節能改造成本比值為效益率W，節能效益率高則表示改造項目通過更低的成本投入，但是卻達到相對較高的節能收益率，說明此策略是性價比更高的。效益率可用下式表達：

式中，∑I'0為剩余生命周期內總的節能效益值；I0為節能改造成本。

2 老舊小區建筑改造綜合分析

本文選取蘇州地區一試點老舊小區內既有居住建筑作為改造綜合分析的研究案例，通過實測與模擬相結合，驗證對比改造策略的“性價比”。

2.1 案例概況

建筑為1986年建成并投入使用的七層磚混結構住宅，為一梯三戶。標準層面積為191.66m2，總建筑面積為1337.25m2。外墻為實心粘土磚，無保溫隔熱處理；屋面為基礎保溫的平屋頂；外窗為鋁合金單層普通玻璃窗。圖1為標準層平面圖，研究對象均為該棟三樓中間戶，該戶為兩室一廳，建筑面積大約為41.41m2，測試時住戶保持日常作息與生活方式。為了測試居住建筑室內主要生活區域的溫濕度變化，在測試對象的臥室、客廳及陽臺各放置一臺溫濕度儀器，進行為期24小時的夏季和冬季的數據采集。

圖1 標準層平面圖（圖片來源：作者根據蘇州市城鄉建設檔案資料繪制）

2.2 現狀實測與模擬分析

2.2.1 冬季與夏季實測溫濕度實測

（1）測試時間：

夏季：2020年8月25日12∶00—2020年8月26日12∶00；

冬季：2021年1月10日16∶00—2021年1月11日16∶00。

（2）測試儀器：TR-72wb溫濕度儀，記錄時間設定為每10分鐘一次，測試周期為24小時。

（3）測試結果分析

綜合分析室內夏季與冬季的溫濕度數據，夏季室內平均溫度為30.72℃，評價濕度為62.08%，室內溫度較高，不符合舒適性要求，夜間住戶通過自主性使用空調調節了室內溫度達到舒適，但能耗較大；冬季住戶沒有使用空調的習慣，因此室內溫度在白天與夜間均低于舒適的溫度水平，通過對pmv、ppd數值的計算得出室內舒適度從平均值看來均不在標準范圍內。

同時對居民的實際用電量統計得出，7～8月的用電量與1～2月的用電量最高，因此對于夏熱冬冷地區既有居住建筑進行節能改造時，要充分考慮到如何改善建筑物的夏季隔熱性能，減少夏季空調的能耗，同時還兼顧建筑物的冬季保溫性能，從而提高了居民室內的環境舒適性。

2.2.2 住宅現狀能耗模擬

本文選取PKPM-Energy能耗模擬軟件進行計算，模擬結果如下：

（1）各部分熱工性能

外墻的平均傳熱系數K=1.96W/（m2·k），熱惰性指標D=0.51，無保溫；內墻平均傳熱系數K=1.73W/（m2·k），熱惰性指標D=0.58；屋頂傳熱系數K=0.95W/（m2·k），熱惰性指標D=1.05，保溫材料為憎水性珍珠巖板；外窗窗框為普通鋁合金窗框，玻璃為5mm厚的白玻，其K值為6.40W/（m·k），遮陽系數SC為0.94。

（2）經過建筑供暖空調負荷及能耗計算，通過對比分析參考建筑總負荷為100216.508KHW，模擬建筑總負荷為137932.29KWH，設計建筑能耗值遠高于參照建筑的能耗值，圍護結構節能率為-39.61%，不符合《夏熱冬冷地區居住建筑設計標準》的要求。

3 節能改造策略綜合分析

3.1 節能改造策略節能率

通過對改造材料的成本初步篩選，將改造策略的節能率按照《江蘇省居住建筑熱環境與節能設計標準》要求的50%、65%、75%進行設定后，先通過二次對比選取出節能率最佳的改造策略，然后結合成本計算模型進行計算。

3.1.1 改造策略一

50%節能率對圍護結構要求為外墻傳熱系數≤1.5W/（m2）·K；外窗熱傳系數≤4.7W/（m2）·K；屋面傳熱系數≤1.0W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為30mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數為0.76W/（m2）·K；外窗材料改為普通鋁合金雙層中空玻璃窗（5+12A+5），傳熱系數為3.70W/（m2）·K；屋面材料改為30mm擠塑聚苯板，傳熱系數為0.93W/（m2）·K。通過模擬計算得出該改造策略的相對節能率為1.08%，相較于原有節能率，優化了40.69%。

3.1.2 改造策略二

65%節能率對圍護結構要求為外墻傳熱系數≤1.5W/（m2）·K；外窗熱傳系數≤4.0W/（m2）·K；屋面傳熱系數≤1.0W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為40mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數為0.64W/（m2）·K；外窗材料改為普通鋁合金Low-E玻璃窗（6+12A+6），傳熱系數為3.20W/（m2）·K；屋面材料改為50mm擠塑聚苯板，傳熱系數為0.62W/（m2）·K。通過模擬計算得出該改造策略的相對節能率為11.66%，相較于原有節能率，優化了51.27%。

3.1.3 改造策略三

75%節能率對圍護結構要求為外墻傳熱系數≤1.0W/（m2）·K；外窗熱傳系數≤2.8W/（m2）·K；屋面傳熱系數≤0.4W/（m2）·K。因此該策略將外墻材料改為60mm聚苯乙烯泡沫板，傳熱系數為0.49W/（m2）·K；外窗材料改為斷橋隔熱鋁合金Low-E玻璃（6+12A+6），傳熱系數為2.80W/（m2）·K；屋面材料改為85mm擠塑聚苯板，傳熱系數為0.39W/（m2）·K。通過模擬計算得出該改造策略的相對節能率為21.22%，相較于原有節能率，優化了60.83%。

3.2 節能改造策略成本效益

3.2.1 改造策略成本收益

基于第二節總結所得的節能改造項目成本計算體系，總結計算得出不同策略對應的成本與節能效益率并進行對比分析。

（1）策略一：年投資成本為146379.90元；年收益為28794.94元；節能效益率為5.70%；能耗優化率40.69%；

（2）策略二：年投資成本為135193.26元；年收益為37773.80元；節能效益率為8.10%；能耗優化率51.27%；

（3）策略三：年投資成本為179418.27元；年收益為42535.47元；節能效益率為6.88%；能耗優化率60.83%。

3.2.2 改造投資回收期

通過對三個改造策略進行對比分析可得，根據年凈現金流量與累計凈現金流的計算所得如表1所示。

表1 節能改造投資回收期（表格來源：作者自繪）

通過以上成本計算數據可知，策略三的年收益最高，策略二的節能效益率最高且投資回收期最短。這就意味著：選取策略二的改造方式能夠在對比年限中以最短的年限將改造投資成本回收轉正，在第3.89年即可轉為正的節能收益，即為最快將投資成本通過改造效益補齊。因此，對于本案例的改造，以成本控制為出發點進行選定的改造策略為：外墻增設40mm聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層，屋面保溫材料改為50mm擠塑聚苯板；外窗在原有基礎上將玻璃改為普通鋁合金Low-E玻璃（6+12A+6）；南向外窗設置活動遮陽。

結語

文章通過實測數據與能耗模擬結論相結合，以成本為目標導向進行多種組合對比分析，以典型模型為例，對不同改造策略由單一策略篩選到組合策略評估，形成了“現狀條件診斷-節能改造技術可行性分析-改造策略經濟性綜合對比分析”為框架的老舊小區節能改造策略研究方式，總結出改造策略優化性能與成本相結合的研究方法，并在文章最后，以典型模型展現基于成本控制的節能策略選取過程。

研究結果表明：當前，既有居住建筑節能改造在全國已經出現了一種趨勢，但需要指出的是，我國目前的住宅節能改造相對簡單，大多只注重提高圍護結構的節能性能，而且大多缺乏從社會整體角度考慮老舊小區改造問題。但就實測與模擬結論而言，對夏熱冬冷地區的既有居住建筑圍護結構進行改造能夠有效降低建筑能耗，改善居住舒適性；若將成本與改造策略綜合考慮，提高改造項目的節能收益率，是能夠在較短時間收回改造投資成本的并能獲得更為長久收益。因此，對夏熱冬冷地區居住建筑的節能改造是具有前景并可行的，同時合理控制成本以獲得適宜的節能改造效益對既有居住建筑的節能改造是非常有必要的。