王楊洋
(吉林建筑科技學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130114)
2020 年9 月,中國(guó)向全世界宣布將提高國(guó)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(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取于2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1].目前,我國(guó)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(guó)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(huì)碳排放量的36%[2].因此,建筑領(lǐng)域的能耗和碳排放引來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注.
為了進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)節(jié)能建筑向近零能耗建筑[3]邁進(jìn),人們借助國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合我國(guó)已有工程實(shí)踐,開(kāi)展了近10 a 的研究探索.如今,適合我國(guó)國(guó)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(guó)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(guó)在減少建筑對(duì)環(huán)境的影響方面邁出了重要一步.
在中國(guó)超低能耗建筑聯(lián)盟研究的4 個(gè)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(jiàn),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(duì)較少.從另一個(gè)角度看,嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外氣溫低、供暖期長(zhǎng),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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo).然而,這些舉措也會(huì)帶來(lái)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(gè)維度對(duì)近零能耗建筑技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),并通過(guò)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.
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(duì)象,對(duì)其近零能耗建筑技術(shù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià).該建筑于2017 年建成,共2 層,總面積為1 180 m2,包括2 個(gè)辦公室、2 個(gè)教室和4個(gè)實(shí)驗(yàn)室,如圖1 所示.
圖1 近零能耗建筑外觀
在被動(dòng)式設(shè)計(jì)方面,研究對(duì)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(jì)方法,對(duì)建筑物的外墻、外門(mén)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(gè)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?chē)o(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)
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(shí)可降至30~32 ℃,在供冷時(shí)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(jì).經(jīng)實(shí)測(cè),全熱回收平均效率為74.45%.
研究對(duì)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(yáng)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(yáng)能集熱器可在過(guò)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(yáng)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(yáng)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
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(jì)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(guò)能耗模擬軟件計(jì)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算中,需選擇基準(zhǔn)建筑進(jìn)行對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(duì)比 W·m-2·K-1
表3 末端和能源系統(tǒng)形式對(duì)比
利用近零能耗建筑評(píng)價(jià)軟件進(jìn)行能耗指標(biāo)計(jì)算,其界面如圖3 所示.本文將基準(zhǔn)建筑與設(shè)計(jì)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(jì)算.結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)建筑的一次能源節(jié)能率為82.85%,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[11]中規(guī)定的≥30%的要求,其節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯.
圖3 近零能耗建筑評(píng)價(jià)軟件操作界面
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(shí),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(shí)所增加的成本.2 個(gè)對(duì)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(duì)增量成本的計(jì)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(duì)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(guó)家或地方節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的方案,是根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧虾驮O(shè)備市場(chǎng)準(zhǔn)入制度定價(jià)的,可以作為近零能耗建筑設(shè)計(jì)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(dòng)式技術(shù)、主動(dòng)式技術(shù)和可再生能源利用技術(shù)3 個(gè)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(yáng)能和地?zé)崮?利用.參考基準(zhǔn)建筑的市場(chǎng)價(jià)格,經(jīng)過(guò)計(jì)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(yáng)能光熱系統(tǒng)的增量成本占總增量成本的28.7%;太陽(yáng)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(duì)近零能耗建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)評(píng)估發(fā)現(xiàn),在被動(dòng)式、主動(dòng)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
嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑采用被動(dòng)式、主動(dòng)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(dòng)式、主動(dòng)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(lái)的增量成本最高.
湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2022年6期