寒冷地區居住建筑圍護結構改造碳減排效益分析

摘要：2020年中國建筑能耗研究報告顯示，全國建筑運行階段碳排放量占全國能源碳排放總量的21.9%，其中居住建筑二氧化碳碳排放量為132800萬t，占建筑運行階段碳排放總量的62.9%。因此，推行居住建筑節能減排工作迫在眉睫。推行有效可行且經濟的節能改造，是有效降低居住建筑碳排放的重要舉措。目前建筑圍護結構改造是既有建筑節能改造中常用且相對容易的方法，主要包括外墻、屋面和外窗節能改造。以寒冷地區居住建筑為研究對象，利用軟件模擬、分析計算等方法，對其圍護結構改造方案碳減排效益進行分析。

關鍵詞：圍護結構改造；能耗模擬；碳減排

0 引言

《中華人民共和國2019年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，2019年我國全年能源消費總量為48.6億t標準煤，比上年增長3.3%^[1]。作為耗能大戶的建筑行業，日益增長的建筑運行能耗受到越來越多的關注。2020年中國建筑能耗研究報告顯示，全國建筑運行階段碳排放量占全國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，建筑圍護結構的熱工性能將直接影響其冬季運行能耗。

2017年12月，國家能源局會同其他9部委聯合印發《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017～2021年）》，規劃中提出提高建筑用能效率，提高建筑門窗等關鍵部位節能性能要求，穩步推進既有建筑節能改造^[3]。2021年3月11日2035年遠景目標綱要中提出“30·60”碳排放目標，并在“持續改善環境質量”中提到“因地制宜推動北方地區清潔取暖” ^[4]。因此推行有效可行且經濟的居住建筑圍護結構改造，是有效降低居住建筑碳排放的重要舉措。

1 建筑圍護結構改造案例及方案確定

1.1 建筑圍護結構改造案例概況

以山西省某市清潔取暖建筑圍護結構改造項目為例，該項目主要針對市區內居住建筑，原供暖熱源均為市政熱力，集中供熱；空調形式為各居室分體空調。本研究中節能改造范圍僅為建筑圍護結構，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、建筑內系統形式及末端設備等的改造或升級。

篩選項目中某樓作為研究樣本，探究其圍護結構改造的碳減排效益。樣本建筑改造前材料做法表見表1。

1.2 建筑圍護結構常見改造措施

對既有建筑進行清潔取暖節能改造，一般包括建筑圍護結構改造、冷熱源改造、熱力管網改造、遮蔽結構改造等。其中，建筑圍護結構改造是目前既有建筑節能改造中常用且相對容易的改造方法^[5]。建筑圍護結構改造主要包括以下三個方面：

（1）外墻節能改造。根據保溫材料位置的不同，外墻節能改造技術可分為外墻內保溫技術、外墻夾心保溫技術和外墻外保溫技術。

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

（3）外窗節能改造。外窗節能改造技術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。影響外窗節能效果的因素主要為玻璃材質、窗框材質和開窗方式。

1.3 圍護結構改造方案確定

由于樣本建筑的窗墻面積比和體型系數均小于等于規范規定限值，因此可以采用判定表法進行計算，確認各部分保溫材料厚度。根據《既有采暖居住建筑節能改造設計標準》DBJ04-243-2013，查得各圍護結構的傳熱系數限值為屋面0.45、外墻0.60、外窗2.50。同時，結合當地改造項目常規做法及財政情況，以有效降低改造成本和材料易于獲取且便于維護的原則，明確以EPS材料屋面材料，采用平屋面改造技術中的倒置屋面技術，以強度更好、更便于維護的巖棉板作為外墻材料，采用外墻外保溫技術，以及采用塑鋼中空平開窗進行加窗的方式作為圍護結構整體改造方案。

2 建筑圍護結構改造能耗模擬分析

斯維爾能耗（BESI）是一款為建筑提供能耗與節能率計算的專業軟件，可以對建筑的全年冷、熱、暖、空調、照明等耗電量進行計算，并適合我國國情，支持各種設計標準或規范，因此本文采用此軟件對案例樣本進行模型搭建。

供暖系統按市政熱力集中供暖、末端散熱器采暖系統設置；空調系統按分體空調，設置于臥室和起居室；照明及插座等設備系統分別按設計規范進行設置。根據當地氣候特征及建筑實際情況，將氣象數據、房間類型和作息，以及改造前、后建筑圍護結構熱工參數分別導入軟件，設置完成后，對樣本建筑進行能耗模擬，可得建筑改造前、后能耗模擬結果。樣本建筑圍護結構改造前、后能耗模擬結果一覽表見表2。

根據上述能耗模擬結果，計算后可得改造后建筑節約能耗約177812kW·h，實際能耗提升率約43.5%。樣本建筑改造前、后能耗對比圖如圖1所示。

可見，合理選擇改造方案對居住建筑圍護結構進行相應改造，提高建筑外墻、屋面保溫及門窗等關鍵部位節能性能要求，能夠有效提高建筑用能效率，降耗效果顯著。

3 建筑圍護結構改造碳減排效益分析

3.1 污染物減排量分析

根據樣本建筑改造前、后供暖能耗，可分別計算改造前、后因采暖產生的污染物排放量，進而確定污染物減排量。

首先，計算建筑因供暖產生的標準煤燃燒量；其次，根據標準煤排放系數分別計算各污染物排放量。1kg標準煤排放系數見表3^[7]。標準煤燃燒量計算公式如下

式中，N為建筑標準煤燃燒量（kg）；Q_H為建筑未改造時熱負荷量（kW·h）；H_c為標準煤熱值，取8.14×103Wh/kg；η₁為室外管網輸送熱效率；η₂為鍋爐運行效率。

根據上述步驟，分別計算改造前、后標準煤燃燒量及污染物排放量，可得樣本建筑改造前、后污染物排放量對比圖，如圖2所示。

根據改造前、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結果可見，經過圍護結構改造后的居住建筑可有效減少因供暖產生的二氧化碳排放量，同時，可大幅減少其他污染物的排放量。

3.2 碳減排經濟效益分析

通過選定合適的分析指標，搭建經濟效益分析模型，對建筑圍護結構改造增量成本及增量收益進行計算，量化建筑圍護結構改造后的碳減排經濟效益。

3.2.1 碳減排經濟效益分析總體框架

建筑圍護結構改造項目在前期改造中，投入成本主要為工程費用、工程建設其他費用及預備費，投入成本匯總后，為改造工程的增量成本。在運行過程中，通過改造工程完成的能源節約、環境改善等節能減排效益，為改造項目的增量效益。對建筑圍護結構改造項目進行碳減排經濟效益分析的關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來體現經濟合理性和技術合理性^[5]。

3.2.2 增量成本計算

建筑圍護結構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；C_q為工程建設其他費；C_y為預備費^[8] 。

參考《既有居住建筑節能改造指南》中相關數據，計算樣本建筑增量成本，見表5。

3.2.3 增量效益計算

建筑圍護結構改造增量效益主要包括節能增量效益和減排增量效益^[8]。節能增量效益主要為建筑圍護結構改造后為居民帶來的冬季采暖成本及夏季空調使用成本的降低。節能增量效益公式如下

式中，E_t為建筑改造前后在第t年的節能增量效益；Q_H-t為建筑不改造第t年熱負荷量（kW·h）；Q″_H-t為建筑改造后第t年熱負荷量（kW·h）；P_H-t為標準煤單價（元）；H_c為標準煤熱值，取8.14×10³Wh/kg；η₁為室外管網輸送熱效率；η₂為鍋爐運行效率；Q_C-t為建筑不改造第t年冷負荷量（kW·h）；Q″_C-t為建筑改造后第t年冷負荷量（kW·h）；P_C-t為電價單價（元）。

減排增量效益主要是從政府角度出發，通過圍護結構改造節約出的減排費用，即

ΔE=E_t+E_c """（4）

式中，E_c為建筑圍護結構改造后的減排增量效益。

根據式（3）～式（4），計算可得樣本建筑增量效益，見表6。

3.2.4 經濟效益分析

選取合適的分析指標體現圍護結構改造的經濟合理性和技術合理性。因此，主要選定以下幾項指標用于建筑圍護結構改造經濟效益分析。

3.2.4.1 凈現值

凈現值是在建筑圍護結構改造完成后，根據選定的基準折現率，將增量效益折算到評價期的現值，進而與增量成本進行比較，凈現值是考核圍護結構改造效果的重要評價指標^[8]。

凈現值計算公式如下

式中，NPV為凈現值；（CI-CO）_t為第t年的凈現金流量；i_c為現行折現率；n為方案計算期。

對改造方案進行經濟效益分析時，當NPV≥0時，表明方案在經濟上可接受；否則表明不可接受。

3.2.4.2 投資動態回收期

投資動態回收期主要是指建筑圍護結構改造產生的全部收益折現后回收總成本的周期。投資動態回收期結合凈現值分析，可以更加合理地評價改造方案的經濟效益。投資動態回收期計算公式如下：

式中，P′_t為投資動態回收期。

在實際工程案例中，投資動態回收期一般會以以下近似公式計算，即

當P′_tlt;P_c（基準投資回收期）時，表示改造項目在經濟角度上可接受；否則即為不可接受。

3.2.4.3 效益費用比

效益費用比即增量效益與增量成本的比值。在建筑圍護結構改造項目中，效益費用比越高，則表明用更少的資金投入獲得了更多的節能效果，代表項目經濟性更佳。效益費用比公式如下

3.2.4.4 節能效費比與減排效費比

節能效費比是指改造建筑在運營過程中，總的能耗節約量與增量成本的比值；減排效費比是指改造建筑在運營過程中總的污染物減排量與增量成本的比值。節能效費比與減排效費比在一定程度上綜合了節能減排效益與經濟效益，可以更好地對圍護結構改造方案進行整體評價。

與效益費用比不同，節能效費比不需要在運營周期內去折現，可直接將各年的節能量累加。節能效費比可表示為

式中，E_i為第i年能耗節約量。

同理，減排效費比可表示為

式中，E_i為第i年污染物減排量。

利用前文已計算出的樣本建筑增量成本和增量收益，結合上述各項分析指標相關描述，對各項指標進行綜合計算，最終可得樣本建筑經濟效益分析指標表，見表7。

根據表7可知，樣本建筑圍護結構改造的投資動態回收期約為7.55年；改造的效益費用比為1.9元/元，即每投入1元，可獲得節能減排效益約1.9元；改造的節能效費比為5.55kW·h/元，即每投入1元，可實現節能5.55kW·h；減排效費比中二氧化碳效費比為1.02kg/萬元、二氧化硫效費比0.03kg/萬元、氮氧化合物效費比0.02kg/萬元、粉塵效費比0.28kg/萬元，即每投入1萬元，可實現二氧化碳減排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 結語

本文主要對寒冷地區居住建筑圍護結構改造的碳減排效益進行分析，根據文中的軟件模擬及各項計算結果，量化了圍護結構改造后建筑的能效提升效果及碳減排效益，可對其他居住建筑圍護結構改造項目提供參考。相關結論如下：

（1）在滿足規范的前提下合理選擇改造方案，對居住建筑圍護結構進行相應改造，提高其外墻、屋面保溫及門窗等關鍵部位節能性能要求，能夠有效降低建筑能耗水平，能效提升效果顯著。

（2）對有采暖需求的居住建筑進行圍護結構改造，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約40%；改造的投資動態回收期約為7.55年；每投入1元進行改造，可實現節能約5.55kW·h；每投入1萬元改造，可獲得二氧化碳減排1.02kg，同時大幅減少其他各類空氣污染物排放。在后續其他圍護結構改造項目中，合理控制增量成本，提升增量效益，還可進一步降低投資動態回收期，提高節能與減排效費比，進而獲得更高的碳減排效益。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-12

作者簡介：

張輝（1989—），男，研究方向：工程管理。