夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析*

宋鑫焱，葉燦滔，徐瓊輝，李華山，馬偉斌

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析*

宋鑫焱1,2,3,4，葉燦滔1,2,3?，徐瓊輝1,2,3，李華山1,2,3，馬偉斌1,2,3

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

對夏熱冬暖地區(qū)某辦公建筑進(jìn)行能耗測試，利用能耗模擬軟件TRNSYS對該建筑空調(diào)能耗進(jìn)行模擬，分析空調(diào)冷負(fù)荷對于各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的敏感性，對影響能耗顯著的外墻、遮陽系數(shù)及建筑滲透率進(jìn)行改造。利用NPV動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)評價(jià)體系，在建筑運(yùn)行時(shí)間內(nèi)對26種改造方案進(jìn)行節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，外墻中度強(qiáng)化、建筑滲透率高度強(qiáng)化及遮陽系數(shù)高度強(qiáng)化方案的經(jīng)濟(jì)收益值最大，改造成本回收年限較短，為經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)改造方案。

辦公建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；敏感性分析；TRNSYS；經(jīng)濟(jì)性分析

0 前 言

建筑能耗約為社會(huì)總商品能耗的40%[1]。中國是世界第二大建筑用能國家，2015年公共建筑能耗占社會(huì)終端能耗的37.3%，預(yù)計(jì)到2050年，建筑能耗將高達(dá)50%[2-3]。公共建筑能耗是建筑能耗中的重要部分，2011年公共建筑平均單位面積能耗為21.4 kgce/m2，在所有建筑中能耗增長最為迅速；公共建筑大部分為高能耗建筑，對既有建筑的節(jié)能改造是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要方法，也是緩解我國能源緊缺、減輕環(huán)境污染、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)最直接有效的措施[4]。

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造技術(shù)方面的主要研究有：①圍護(hù)結(jié)構(gòu)施加保溫隔熱層，包括泡沫玻璃保溫板、聚苯乙烯泡沫等；②外窗改造，主要有更換窗玻璃、使用鍍膜玻璃等；③采用遮陽裝置。周丹[5]對建筑屋面施加聚苯乙烯保溫板，實(shí)現(xiàn)了5.3%的節(jié)能率。郝明慧等[6]利用清華大學(xué)開發(fā)的DesT軟件對建筑能耗進(jìn)行模擬，闡述了不同氣候區(qū)建筑外墻保溫厚度與節(jié)能率之間的關(guān)系。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造成果分析方面，STAZI等[7]利用Energy Plus分析建筑外墻改造中材料、厚度的優(yōu)化方案。TERéS-ZUBIAGA等[8]利用能耗模擬軟件TRNSYS優(yōu)化居住建筑外墻、外窗及樓板的熱工性能，并分析了外墻、樓板改造的經(jīng)濟(jì)性。KIM等[9]綜合設(shè)計(jì)了一套適宜于居住建筑的智能外遮陽設(shè)施。劉嘉玲等[10]利用eQUEST軟件對廣州地區(qū)辦公建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力進(jìn)行了分析。

本文研究辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案及其經(jīng)濟(jì)性，有別于以上研究。首先，為確保仿真結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了建筑能耗測試，對仿真模型進(jìn)行了校核；其次，分析了對能耗影響較大的因素，對建筑能耗敏感性大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，突破以往經(jīng)驗(yàn)式的改造模式；第三，既研究了單體圍護(hù)改造方案特點(diǎn)，也分析了綜合改造方案的性能，多方位地考察了改造效果；最后，采用動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法，對在建筑運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的26種改造方案進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對于既有建筑的改造及新建建筑的設(shè)計(jì)均具有重要的指導(dǎo)作用。

1 辦公建筑選取

選取廣州為代表區(qū)域，廣州位于夏熱冬暖地區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫暖潮濕，一年中長夏無冬，年平均氣溫高，日照時(shí)間長，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。該地區(qū)辦公建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)主要考慮夏季空調(diào)，不考慮冬季采暖[11]。本文選取一棟建成于2003年的辦公建筑為研究對象，根據(jù)廣州市氣象特點(diǎn)，選取8月、9月進(jìn)行能耗測試，跟蹤其具體能耗情況?；鶞?zhǔn)建筑模型如圖1所示：

圖1 基準(zhǔn)建筑模型Fig.1 3D model and plane figure of office building

該辦公建筑為東西朝向，正立面朝向西，建筑共10層，層高3.3 m，總建筑面積為6 120 m2，窗墻面積比約為0.3。其中，實(shí)驗(yàn)室為熱工區(qū)域，面積為456 m2，樓梯間和倉儲室為非熱工區(qū)域，不設(shè)置空調(diào)。辦公建筑的內(nèi)部負(fù)荷、室內(nèi)設(shè)計(jì)工況及暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置符合相應(yīng)的建筑設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立及校核

（1）模型建立。對實(shí)體建筑進(jìn)行建筑物理分析，在TRNSYS平臺搭建計(jì)算模型，建筑基本概況如表1所示。

表1 實(shí)體建筑基本概況Table 1 Detailed information of office building model

基準(zhǔn)建筑模型模擬時(shí)間為全年1月1日-12月31日，由于廣州地區(qū)最熱的時(shí)段為8月、9月，因此在8月、9月分別選取3天，對空調(diào)機(jī)組和建筑空氣滲透率進(jìn)行檢測。辦公建筑空調(diào)的使用時(shí)間為周一至周五，測試時(shí)段為9:00-17:00。空調(diào)機(jī)組測試參數(shù)為制冷機(jī)組冷凍水的進(jìn)口水溫、出口水溫及冷凍水流量；房間氣密性測試參數(shù)為SF6氣體濃度。表2為測試儀器的參數(shù)。

表2 測試儀器性能參數(shù)Table 2 Characteristics of sensors

室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷、房間氣密性分別可以按照式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算[12-13]：

式中：Qc為室內(nèi)計(jì)算空調(diào)能耗，kW；VL為測試?yán)鋬鏊髁?，m3/h；t2為冷凍水出口水溫，℃；t1為冷凍水進(jìn)口水溫，℃；A為滲透率，vol/h；Ct、C0為t時(shí)刻和初始時(shí)刻的示蹤氣體濃度，mg/m3。

空調(diào)能耗測試值與模擬值對比如圖2所示。

圖2 模擬與測試能耗對比圖Fig.2 Simulated and measured energy consumption

（2）模型校核。對比模擬輸出結(jié)果與能耗測試數(shù)據(jù)，校核建筑模型，以校核完畢的模型為基準(zhǔn)建筑模型。

根據(jù)ASHRAE Guideline[14]規(guī)定，模擬值與測試值的平均百分誤差（NMBE）在±5%范圍內(nèi)，則模擬結(jié)果合理。NMBE值可按式（3）計(jì)算。

式中：xi為模型計(jì)算結(jié)果，kW·h；yi為實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，kW·h；n為總的測試次數(shù)。根據(jù)式（3）計(jì)算所得結(jié)果，模型NMBE值為-0.66%，表明模型的計(jì)算結(jié)果在合理范圍以內(nèi)，模型校核完成。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性分析

進(jìn)行建筑能耗模擬分析前，首先確立建筑能耗的影響因素。有別于文獻(xiàn)[4]中對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的敏感性分析，本研究考察冷負(fù)荷對外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、樓板傳熱系數(shù)、滲透率以及遮陽系數(shù)等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的敏感性；該辦公建筑的窗墻面積比為0.3，符合建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15]，由于建筑的采光要求，本研究不考慮建筑窗墻面積比對于空調(diào)冷負(fù)荷的影響；此外，考察建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本體對于空調(diào)負(fù)荷的敏感性，不考慮設(shè)備、照明功率等外擾因素。本文用敏感性系數(shù)（IC）來衡量各個(gè)因素對建筑冷負(fù)荷的影響程度大小，其定義式為[4]：

式中：OP為建筑的模擬輸出參數(shù)結(jié)果，即建筑能耗；IP為建筑的模擬輸入?yún)?shù)值；OP,bc為基準(zhǔn)建筑的模擬輸出參數(shù)結(jié)果，即基準(zhǔn)建筑能耗；IP,bc為基準(zhǔn)建筑的模擬輸入?yún)?shù)值。根據(jù)式（4）計(jì)算出各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的敏感性系數(shù)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性系數(shù)Fig.3 Sensitivity of envelope parameters

圖3顯示了冷負(fù)荷對各圍護(hù)結(jié)構(gòu)要素的敏感性，各要素?cái)M合曲線的斜率即為其敏感性系數(shù)[16]。為研究各要素的相對敏感性，分析空調(diào)冷負(fù)荷對圍護(hù)結(jié)構(gòu)各要素敏感程度的差異，定義相對敏感性系數(shù)，計(jì)算式如下：

式中：ωi為相對敏感性系數(shù)；ICi為各要素的敏感性系數(shù)；n為圍護(hù)結(jié)構(gòu)參量個(gè)數(shù)。敏感性系數(shù)絕對值的大小反映了該項(xiàng)參數(shù)對相應(yīng)輸出結(jié)果的影響程度，敏感性系數(shù)絕對值越大，表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)對冷負(fù)荷的影響越大。敏感性系數(shù)為正，表示隨著設(shè)計(jì)參數(shù)值的增大，相應(yīng)的輸出值將增大，反之則減小[8]。

相對敏感性系數(shù)如表3所示，遮陽系數(shù)（SC）、滲透率（Inf）及外墻傳熱系數(shù)對空調(diào)負(fù)荷的敏感性相對較高，三者相對敏感性系數(shù)之和為89.32%，遠(yuǎn)大于屋頂、外窗的敏感性。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性系數(shù)及相對敏感性系數(shù)Table 3 Sensitivity and relative sensitivity of envelope parameters

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能敏感性分析結(jié)果，遮陽系數(shù)、滲透率及外墻傳熱系數(shù)對空調(diào)負(fù)荷的敏感性相對較高，選擇三者進(jìn)行節(jié)能改造。EPS聚苯乙烯保溫板是一種隔熱保溫性能非常優(yōu)良的材料，在國內(nèi)使用最為普遍[17]，外墻通過施加EPS保溫板進(jìn)行改造，具有質(zhì)量輕、隔熱性好、低吸水性、易施工等特點(diǎn)；改善建筑滲透率可在建筑墻縫、門窗縫口粘貼防風(fēng)膠條；遮陽系數(shù)的改善通過替換太陽得熱系數(shù)小的窗玻璃來實(shí)現(xiàn)。具體改造方案、改造成本如表4所示（改造成本為材料費(fèi)，不包括建筑維護(hù)費(fèi)用）。

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案Table 4 Detailed information of envelope retrofitting schemes

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果

根據(jù)表4中的改造方案，單因子改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工系數(shù)，調(diào)節(jié)TRNSYS模型熱工參數(shù)值，計(jì)算各改造方案的年能耗水平。各模型的能耗仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 各改造方案年能耗Fig.4 Annual energy consumption of retrofitted scenarios

圖中，方案（1 2 0）表示外墻中度改造，滲透率高度改造，遮陽系數(shù)未改造，其他情況依此類推。由圖可知，隨著改造強(qiáng)度的加大，各方案年能耗逐漸降低。改造前方案（0 0 0）的年能耗為324.8 MW·h。改造方案（2 2 2）的年能耗為268.4 MW·h，年能耗最低，相對于改造前節(jié)能率為17.37%。

3.2 改造經(jīng)濟(jì)性分析

在建筑運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析能很好地比較節(jié)能改造的優(yōu)劣。凈現(xiàn)值（NPV）是項(xiàng)目動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的重要指標(biāo)，當(dāng)NPV值大于0時(shí)，改造方案可行；在一定的收益時(shí)間內(nèi)，NPV值越大，改造方案的經(jīng)濟(jì)性越高。NPV值計(jì)算式為[8]：

式中：I為初投資，即改造成本，元；Sn為第n年的節(jié)能收益，元；LS為建筑改造后的運(yùn)行時(shí)間，年；r為基準(zhǔn)折現(xiàn)率；p為能源（如天然氣、電能）價(jià)格年均上漲率，%。廣東省能源價(jià)格上漲率平均為4%[18]，文獻(xiàn)[18]討論了5種不同取值（4%～8%），本文中r、p均按4%取定。

建筑運(yùn)行時(shí)間為30年，則凈現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。各改造方案的凈現(xiàn)值和建筑運(yùn)行時(shí)間成線性增長的關(guān)系，凈現(xiàn)值圖線與橫軸（VNPV=0）的交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間為投資回收期。在建筑30年運(yùn)行時(shí)間的條件下，改造方案（1 2 2）能夠收獲最大的凈現(xiàn)值。方案（0 0 2）、（0 2 0）和（2 0 0）分別表示單獨(dú)對遮陽系數(shù)、滲透率和外墻進(jìn)行高度改造，三者的投資收益率分別為3.15、2.37和0.32，表明遮陽系數(shù)和滲透率的改造比外墻改造更有經(jīng)濟(jì)效益，其中方案（0 0 2）能獲得最大的收益率，成本回收時(shí)間最短，該方案性價(jià)比較高。方案（1 2 2）收益率為2.82，成本回收時(shí)間為7.85年，凈現(xiàn)值為454 097.02元，經(jīng)濟(jì)收益值最大。

圖5 各改造方案現(xiàn)金流Fig.5 Cash flows of the retrofitted scenarios

4 結(jié) 論

本文通過對既有辦公建筑進(jìn)行能耗實(shí)測，建立并校核了TRNSYS動(dòng)態(tài)能耗仿真模型，分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對能耗的敏感性因素；同時(shí)，對于敏感性較強(qiáng)、能耗影響系數(shù)大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，得到26種改造方案，根據(jù)NPV分析了不同改造方案的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性，得到建筑運(yùn)行時(shí)間內(nèi)最優(yōu)的改造方案。結(jié)果表明：

（1）模擬值與測試值的平均百分誤差為-0.66%，仿真模型合理可靠。

（2）遮陽系數(shù)、滲透率和外墻傳熱系數(shù)對于空調(diào)冷負(fù)荷的相對敏感性系數(shù)分別為42.59%、36.67%和10.06%，為能耗影響系數(shù)較大的因素，是主要的辦公建筑改造對象。

（3）若單獨(dú)對遮陽系數(shù)、滲透率和外墻進(jìn)行改造，外墻的經(jīng)濟(jì)收益率最低，遮陽系數(shù)經(jīng)濟(jì)收益率最高。

（4）綜合改造方案（2 2 2）年節(jié)能量最高，相對改造前節(jié)能17.37%；改造方案（1 2 2）在建筑運(yùn)行時(shí)間內(nèi)獲得凈現(xiàn)值為454 097.02元，收益最大，是最優(yōu)改造方案。

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Energy and Economy Analysis of Building Envelope Retrofitting in the Hot Summer and Warm Winter Zone of China

SONG Xin-yan1,2,3,4,YE Can-tao1,2,3,XU Qiong-hui1,2,3,LI Hua-shan1,2,3,MA Wei-bin1,2,3
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;2.Key Laboratory of Renewable Energy,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou 510640,China;4.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

This study selected an office building to test the demand of building cooling load in the hot summer and warm winter zone of China.Based on the hourly cooling load simulated by TRNSYS,sensitivity analysis was conducted on the building envelopes,and the exterior wall,shading coefficient and infiltration rate were retrofitted for assessing their thermal responses.Moreover,26 retrofitting schemes were compared by energy and economic NPV evaluation.The results indicate that the optimal scenario is the scheme of the exterior wall slightly-retrofitted,infiltration rate highly-retrofitted and shading coefficient highly-retrofitted,which owns the maximum profit and an economical payback period.

office building;building envelope;sensitivity analysis;TRNSYS;economic analysis

TK-9；TU831.6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.06.011

2095-560X（2016）06-0499-06

宋鑫焱（1990-），女，碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能方面的研究。

葉燦滔（1980-），男，高級工程師，主要從事建筑節(jié)能、可再生能源建筑一體化研究。

徐瓊輝（1978-），女，博士，副研究員，主要從事地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用研究。

李華山（1981-），男，博士，助理研究員，主要從事低焓熱能利用技術(shù)研究。

馬偉斌（1959-），男，研究員，主要從事地?zé)崮馨l(fā)電、制冷和太陽能發(fā)電、供熱研究。

2016-06-16

2016-07-20

廣東省重大科技專項(xiàng)（2013A011404007）

? 通信作者：葉燦滔，E-mail：yect@ms.giec.ac.cn