嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性分析

王楊洋

(吉林建筑科技學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130114)

2020 年9 月，中國向全世界宣布將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，并且采取更加有力的政策和措施，使CO2排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取于2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1].目前，我國節(jié)能工作正在從節(jié)能向“減碳”方向進(jìn)一步邁進(jìn).2020 年，我國建筑運(yùn)行的碳排放量為21.8 億t，建筑建造的碳排放量為15 億t，建筑運(yùn)行和建造的碳排放量約占全社會碳排放量的36%[2].因此，建筑領(lǐng)域的能耗和碳排放引來越來越多的學(xué)者關(guān)注.

為了進(jìn)一步推動中國節(jié)能建筑向近零能耗建筑[3]邁進(jìn)，人們借助國外經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合我國已有工程實(shí)踐，開展了近10 a 的研究探索.如今，適合我國國情的、適用于不同氣候區(qū)的控制指標(biāo)和技術(shù)路徑已逐漸清晰[4].2019 年，以國家標(biāo)準(zhǔn)形式正式頒布的《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]確定了其能效指標(biāo)要求.這標(biāo)志著我國在減少建筑對環(huán)境的影響方面邁出了重要一步.

在中國超低能耗建筑聯(lián)盟研究的4 個氣候區(qū)的64 棟超低能耗建筑最佳案例中，嚴(yán)寒地區(qū)建筑數(shù)量占11%，寒冷地區(qū)建筑數(shù)量占73%，夏熱冬冷地區(qū)建筑數(shù)量占9%，夏熱冬暖地區(qū)建筑數(shù)量占7%[6].由此可見，大部分研究案例集中在寒冷地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)的案例相對較少.從另一個角度看，嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外氣溫低、供暖期長，要達(dá)到近零能耗目標(biāo)需比其他地區(qū)付出更多努力，即需要通過采取更多的節(jié)能技術(shù)措施或加強(qiáng)可再生能源的利用來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo).然而，這些舉措也會帶來經(jīng)濟(jì)成本的增加.

基于此，本文從節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性2 個維度對近零能耗建筑技術(shù)進(jìn)行了評價，并通過實(shí)例分析、比較了各種技術(shù)的節(jié)能增量成本，以期為嚴(yán)寒地區(qū)建筑實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo)提供參考.

1 實(shí)例簡介

本文以吉林建筑科技學(xué)院校園內(nèi)的某棟辦公樓作為研究對象，對其近零能耗建筑技術(shù)進(jìn)行分析與評價.該建筑于2017 年建成，共2 層，總面積為1 180 m2，包括2 個辦公室、2 個教室和4個實(shí)驗(yàn)室，如圖1 所示.

圖1 近零能耗建筑外觀

1.1 被動式技術(shù)

在被動式設(shè)計方面，研究對象采用高性能復(fù)合外保溫系統(tǒng).按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]中的性能化設(shè)計方法，對建筑物的外墻、外門窗、屋面和地面進(jìn)行熱橋處理，并用20 mm 厚的抹灰層作氣密層，使其連續(xù)包圍整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，大大提高了建筑的氣密性，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.該建筑所采用的高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高氣密性技術(shù)措施[7]降低了其實(shí)際能耗需求.

表1 近零能耗建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 主動式技術(shù)

該建筑采用毛細(xì)管末端輻射供暖/供冷技術(shù)，系統(tǒng)供回水溫度在供暖時可降至30～32 ℃，在供冷時則可增至18～20 ℃，實(shí)現(xiàn)了“低溫供暖、高溫供冷”的節(jié)能舒適模式.因嚴(yán)寒地區(qū)冬季新風(fēng)熱負(fù)荷較大，為保證舒適性，還采用了全熱回收新風(fēng)技術(shù)，即充分利用室內(nèi)排風(fēng)的熱量進(jìn)行余熱回收設(shè)計.經(jīng)實(shí)測，全熱回收平均效率為74.45%.

1.3 可再生能源利用技術(shù)

研究對象集成多種可再生能源利用技術(shù)，形成了多能互補(bǔ)系統(tǒng).它主要由微風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能光熱和地源熱泵系統(tǒng)組成，可滿足建筑電負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱負(fù)荷需求，其系統(tǒng)框架如圖2 所示.在冬季，主要由地源熱泵機(jī)組為建筑供暖，在夏季則可利用地源熱泵機(jī)組或地源側(cè)直供為建筑供冷.所安裝的熱管式太陽能集熱器可在過渡季和夏季向地下補(bǔ)熱，維持地下土壤的溫度，從而避免土壤的冷堆積現(xiàn)象[8]；在冬季供暖期，它還可以提升熱泵系統(tǒng)地源側(cè)的進(jìn)水溫度，提高地源熱泵系統(tǒng)的效率.太陽能光熱和地源熱泵系統(tǒng)可以滿足近零能耗建筑的冷熱需求.風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)則負(fù)責(zé)電力供應(yīng)[9].

圖2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)框架

2 節(jié)能性分析

本研究依據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]要求，采用性能化設(shè)計方法，以建筑物的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能耗指標(biāo)為目標(biāo)，通過能耗模擬軟件計算并優(yōu)化設(shè)計方案，使其達(dá)到預(yù)定性能目標(biāo)要求.

在能效指標(biāo)的計算中，需選擇基準(zhǔn)建筑進(jìn)行對比判定，即用其全年供暖、空調(diào)、照明和可再生能源能耗作為標(biāo)準(zhǔn)，判斷所設(shè)計建筑的節(jié)能率是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[10].根據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]的相關(guān)要求，基準(zhǔn)建筑的能效指標(biāo)計算參數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定：基準(zhǔn)建筑的形狀、大小、構(gòu)造、內(nèi)部空間劃分和使用功能以及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)與設(shè)計建筑一致；基準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和冷熱源性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]的規(guī)定，具體參數(shù)如表2～表3 所示.

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對比 W·m-2·K-1

表3 末端和能源系統(tǒng)形式對比

利用近零能耗建筑評價軟件進(jìn)行能耗指標(biāo)計算，其界面如圖3 所示.本文將基準(zhǔn)建筑與設(shè)計建筑供暖、空調(diào)和照明的耗電量、耗煤量和耗氣量均換算為一次能源消耗量，并以此作為依據(jù)進(jìn)行計算.結(jié)果表明，所設(shè)計建筑的一次能源節(jié)能率為82.85%，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[11]中規(guī)定的≥30%的要求，其節(jié)能優(yōu)勢明顯.

圖3 近零能耗建筑評價軟件操作界面

3 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)學(xué)中的增量成本是指在各種方案的成本比較與決策時，先選定某一方案為基準(zhǔn)方案，然后將其他方案與之相比較時所增加的成本.2 個對比方案間的成本差額，是增量成本的一種表現(xiàn)形式.因此，基準(zhǔn)方案的確定對增量成本的計算結(jié)果顯得非常重要.

綠色建筑的經(jīng)濟(jì)效益分析與研究相對比較成熟且與近零能耗建筑有相似之處，因此近零能耗建筑的增量成本分析可參考綠色建筑.目前，以現(xiàn)有的國家或地方節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計的方案，是根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧虾驮O(shè)備市場準(zhǔn)入制度定價的，可以作為近零能耗建筑設(shè)計的基準(zhǔn)方案[12-14].

增量成本為項(xiàng)目采用新技術(shù)后的成本總額減去增量成本起算點(diǎn)的成本總額[15].根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，其增量成本主要源自被動式技術(shù)、主動式技術(shù)和可再生能源利用技術(shù)3 個方面，具體包括高性能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋面和外窗)、建筑氣密性、全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)和可再生能源(太陽能和地?zé)崮?利用.參考基準(zhǔn)建筑的市場價格，經(jīng)過計算，其增量成本如表4 所示.

由表4 可知，該項(xiàng)目單位面積的增量成本為593 元/m2.其中，太陽能光熱系統(tǒng)的增量成本占總增量成本的28.7%；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和高性能玻璃外窗的增量成本分別占總增量成本的22.6%、13.5%.對近零能耗建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分類評估發(fā)現(xiàn)，在被動式、主動式和可再生能源利用技術(shù)中，后者的增量成本占比最大.各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的增量成本貢獻(xiàn)率如圖4 所示.

表4 近零能耗建筑各節(jié)能技術(shù)增量成本分析

圖4 各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的增量成本貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑采用被動式、主動式和可再生能源利用3 項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo).隨著各種節(jié)能技術(shù)措施的采用，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)成本成為了業(yè)主考慮的重要因素.本文借助實(shí)際案例，將嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)措施的增量成本進(jìn)行了量化分析.結(jié)果表明，在被動式、主動式和可再生能源利用3 項(xiàng)技術(shù)中，可再生能源利用技術(shù)帶來的增量成本最高.