建筑围护结构节能设计火用分析及CO2排放研究＊

龚光彩，蔡立群，王 平，王 莹，黎 龙

（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

随着中国房地产行业的不断繁荣与发展，建筑业在国民经济中占的比例也越来越重，经济发展的同时，能耗问题日益凸显，2011年中国建筑总能耗占全国总能耗的19．74%［1］．与此同时，全球大约33%由能源引起的温室气体（GHG）排放来自于商业建筑和住宅建筑的能源消耗［2］．因此，如何实现建筑节能减排已成为社会关注的焦点之一．

建筑内部与外界环境之间的热传递大部分是通过围护结构进行的．在建筑运行能耗中，空调、采暖能耗约占50%～60%左右［3］，因此，改进建筑围护结构形式以改善建筑热性能，是建筑节能的有效手段．以生命周期的观点来看，广义的建筑能耗应包括建筑材料的生产与加工过程的能耗、建筑施工能耗、暖通设备制造、运输能耗及建筑寿命终止后拆除能耗、废弃建材处置等与建筑相关活动的能耗［4］．因此，建筑能耗的分析不能只考虑运行阶段，而要从生命周期的角度出发进行考虑．

迄今为止，已有不少国内外学者对建筑节能设计的评价、优化和经济性分析进行了相关研究．徐艳芳等［5］基于火用概念分析了能量利用对环境的影响及与可持续发展的关系．Bribia′n等［6］基于生命周期评价方法，建立了能够分析建筑材料的内含能，建筑运行时的能耗及污染物排放问题的方法．Liu等［7］基于火用概念建立了建筑生命周期内环境影响火用分析评价通用模型．Schlueter等［8］利用建筑能耗和火用耗评价，建立了能在初步设计阶段分析建筑节能性的建筑信息模型．而这些研究一般只考虑了能的量，忽略了能的质，没有综合考虑节能和节钱问题．因此，本文从生命周期角度出发，结合火用及火用经济学，建立火用成本模型，对建筑围护结构节能设计方案的经济性，节能性和环境影响进行评价．火用可反映出围护结构节能设计方案生命周期内能量被利用的程度，能更好地体现节能的真实性；对于不同的对象，火用成本的计算方法不同，围护结构火用成本是将建筑围护结构节能设计经济性及节能性相结合而得到的新的节能效益评价指标，为建筑节能设计评价提供了参考．

1 建筑围护结构环境影响评价

本文的评价对象为建筑围护结构，本文中仅考虑生命周期中的建材生产阶段和建筑运行阶段，因为这两个阶段能耗和污染物排放量较大．评价目标设定为围护结构节能设计前后生命周期内能耗、火用耗及CO2排放量．

1．1 能耗分析

1．1．1 建材生产阶段能耗

建筑围护结构需消耗大量的建材，建材能耗可由下式计算［9］：

式中：En为建材能耗，kW·h；m为建材质量，kg；Enm为质量含能，kW·h／kg，目前我国此类数据比较少，但也有很多学者进行了研究，不同的研究会有不同的结果，本文中EPS、水泥和石膏的数据主要来自于杨倩苗的研究结果［10］，由于国内缺乏中空玻璃，铝合金和保温砂浆数据，所以本文中玻璃和保温砂浆的数据来自国外文献［6］，铝合金数据采用日本数据［11］．由于数据缺乏，本文中XPS 数据由EPS数据推导，部分建材质量含能数据见表1．

表1 部分建材单位质量含能及CO2排放量Tab．1 Unit embodied energy and CO2emissions of building materials

1．1．2 建筑运行阶段能耗

建筑运行能耗主要包括空调、采暖、照明、炊事、热水供应及设备等的能耗．不同的建筑围护结构，由于不同的热物性，建筑的冷热负荷就不同，因此建筑物在运行阶段的能耗也有较大的差异．本文采用动态模拟软件Dest－C对建筑运行阶段能耗进行模拟．

1．2 火用耗分析

1．2．1 建材生产阶段火用耗

单位建材的质量含火用可表示为：

式中：Exm为建材质量含火用，kW·h／kg；Enm为建材质量含能，kW·h／kg；λm为建材当量能质系数，根据生产建材所耗费各种能源所占能源总数的百分比．计算出建材当量能质系数［12］：

式中：λ1，λ2，…，λn为第n种能源的能质系数；x1，x2，…，xn表示生产建材所耗费的第n种能源所占能源总数的百分比．

最终可求得建材生产阶段的总火用为：

式中：Ex为建材生产阶段的总火用，kW·h；mi为第i种建材的质量，kg；Exmi为第i种建材的单位质量含火用，kW·h／kg．

1．2．2 建筑运行阶段火用分析

本文采用Dest软件进行动态模拟，可以分别得到全年空调季制冷运行的耗冷量以及空调采暖季制热运行的耗热量，根据热量火用Exh（kW·h）及冷量火用Exc（kW·h）的定义式，可得：

式中：Qh为制热量，kW·h；Qc为制冷量，kW·h；T0为室外环境温度，K；T为室内环境温度，K．电能的火用值就等于其能量值．

1．3 CO2排放量

建筑物生命周期对环境的影响，除了能源、资源的消耗外，还包括生命周期各阶段中温室气体的排放量．本文中采用CO2排放量作为温室气体排放指标．在建材生产阶段，使用的能源主要为煤、天然气及电能，在建筑运行阶段，建筑系统主要消耗的能源为电能．各单位建材及能源的CO2排放量分别见表1和表2［13－14］．

表2 各能源CO2排放量Tab．2 CO2emissions of different energy

2 建筑围护结构火用成本模型

2．1 热经济学模型

本文根据热经济学，将建筑围护结构看作一个黑箱系统［15］，对黑箱的边界火用流进行分析，在黑箱的边界上只有能源的输入及输出．其模型如图1所示．

2．2 建筑围护结构单位火用成本

根据模型所示，把系统中的能量及费用都看作火用流，基于经济平衡建立建筑围护结构单位火用成本的表达式：

式中：Exe为冷热源，照明及设备年耗电量的火用值，kW·h；Exw为冷热源年耗水量的火用值，kW·h；Exf为冷热源耗燃料量的火用值，kW·h；Exi为年供冷量或供热量的火用值，kW·h；ce为单位电能的成本，元／（kW·h）；cw为单位供水量的成本，元／（kW·h）；cf为单位燃料的成本，元／（kW·h）；Cz为围护结构节能设计方案年度化工程造价，元；Cg为建筑运行管理费用，元；Cc为围护结构拆除费用，元；c为单位火用成本，元／（kW·h）．

图1 建筑围护结构火用经济学模型Fig．1 Exergy－economics model of building envelop

本文中，建筑冷热源为风冷热泵机组，耗水量及耗燃料量可不计，因此公式（7）可简化为：

根据式（8）可求得单位火用成本：

由式（9）可知建筑围护结构的火用成本与很多因素有关，等式右边第一项表示运行时的能耗费用；第二项表示总投资成本对每年的折现费用；第三项表示围护结构的修缮费用；第四项表示围护结构的拆除费用．

其中年度化工程造价Cz，建筑年运行管理费用Cg，围护结构改造年拆除费用Cc可用如下方法计算［1 6］：

式中：K为节能改造的工程造价，元；i为投资折现率；n为节能改造后的建筑寿命，年．

Cg按照工程造价的一定比例取值，本文比例取3%．Cc取围护结构改造安装费用的一半，本文中对此项不予考虑．由以上分析可知，建筑围护结构的火用成本和诸多因素有关，这些因素综合反映出节能设计的经济性及节能性；较低的单位火用成本，意味着选用投资较少的节能设计方案，使用较多的低品位能源，得到火用效率较高的制冷量、制热量．

3 案例分析

本文以株洲地区某办公楼为对象进行研究．该建筑建于2008年，设计使用年限为30年．总建筑面积约1 504．6m2，共5层．原建筑的墙体为240mm砖墙，内表面抹灰加粉刷，外表面为水泥砂浆．办公楼设有中央空调系统，冷热源为风冷热泵机组，COP为3．0，EER 为2．6．原建筑围护结构性能参数见表3；对建筑围护结构进行节能设计后，其性能参数见表4．

表3 原建筑围护结构性能参数Tab．3 Performance parameter of building envelop before retrofit

表4 改造后建筑围护结构性能参数Tab．4 Performance parameter of building envelop after retrofit

1）建材生产阶段能耗、CO2排放量及火用耗．通过查询工程量清单报价可计算出建筑节能改造的材料使用量清单，将表1中各建材的质量含能，CO2排放量乘以建材使用量可得到建材生产阶段能耗及建材生产阶段CO2排放量，并用公式（1），（2），（3）计算出建材生产阶段火用耗．计算结果如表5所示．

2）建筑运行阶段能耗、CO2排放量及火用耗．分别计算原始建筑和改造后建筑的能耗、CO2排放量及火用耗，运用Dest进行动态模拟可得建筑运行能耗，再结合表2可得CO2排放量，再根据公式（7）可得出总火用耗．计算结果如表6所示．

表5 各建材生产阶段能耗、CO2排放量及火用耗Tab．5 Energy consumption，CO2emissions and exergy consumption in building materials production phrase

表6 建筑运行阶段能耗、CO2排放量及火用耗Tab．6 Energy consumption，CO2emissions and exergy consumption in building running phrase

由表6可知，方案1全年运行节能率为17．7%，CO2减排率为17．8%，节火用率为18．1%；方案2全年运行节能率为14．1%，CO2减排率为14．1%，节火用率为14．3%．综合比较可得方案1运行阶段的节能量与节火用量都比方案2的大，说明用火用来评价建筑围护结构节能性是可行的．从运行阶段考虑，方案1比方案2的节能性更好，说明适当增加保温层厚度，选择传热系数小的保温材料，能更好地节能．

3）生命周期内的节能量，CO2减排量及节火用量与运行时间的关系．综合表5和表6可得改造后的建筑在生命周期内的节能量，CO2减排量及节火用量，将其与建筑运行时间相结合，对结果进行分析，办公楼设计使用年限为30 年，计算结果如图2～图4所示．

图2 节能设计后不同运行时间生命周期内节能量Fig．2 Energy saving of difference run time in life cycle

图3 节能设计后不同运行时间生命周期内CO2减排量Fig．3 CO2emission cuts of difference run time in life cycle

由图2和图3可知，在生命周期内，方案1建筑运行阶段节约的能耗需要10年才能抵消建材生产阶段产生的能耗，而运行阶段的CO2减排量需要4年才能抵消建材生产阶段产生的CO2．方案2建筑运行阶段节约的能耗需要11年才能抵消建材生产阶段产生的能耗，而运行阶段的CO2减排量需要5年才能抵消建材生产阶段产生的CO2，这说明建筑生产阶段的能耗和CO2排放量是不容忽视的．由图4可知，两方案建材生产阶段的火用耗远远大于建筑运行阶段节火用量．在30年内，生命周期内的节火用量仍为负值，这是由于建材生产时能源的燃烧温度远远高于基准环境温度，因此在这个阶段的火用耗较高，而建筑运行能耗为低品位热能，火用耗较低；因为火用不仅考虑了能的量，还考虑了能的质．

图4 节能设计后不同运行时间生命周期内节火用量Fig．4 Exergy saving of difference run time in life cycle

4）建筑围护结构单位火用成本计算．查询工程造价清单可得节能设计方案1改造工程造价为26．8万元，方案2的工程造价为25．5万元．电能的单价为0．6元／（kW·h）；计算投资成本时，根据式（10）计算年度工程造价，投资折现率i取8%，节能设计后建筑寿命为30年．根据公式（9）计算建筑围护结构单位火用成本，计算结果如表7所示．

表7 围护结构单位火用成本Tab．7 Unit exergy cost of building envelop 元／GJ

从表7可得，方案2的单位火用成本比方案1的火用成本要低，说明从经济性上考虑，方案2更省钱．火用成本越低，意味着低品位能源使用量越大，建筑可持续性高，投资成本少，火用效率较高．

4 结 论

本文根据夏热冬冷地区某办公楼不同建筑围护结构节能设计方案的建材耗量，建筑运行能耗及CO2排放量，对各方案建筑生命周期内的能耗，火用耗及CO2排放量进行定量分析，并在此基础上建立火用成本模型，对不同方案进行分析，得出以下结论：

1）该建筑进行围护结构节能设计后，方案1建筑运行阶段节约的能耗需要10年才能抵消建材生产阶段产生的能耗，而运行阶段的CO2减排量需要4年才能抵消建材生产阶段产生CO2排放量．方案2建筑运行阶段节约的能耗需要11年才能抵消建材生产阶段产生的能耗，而运行阶段的CO2减排量需要5年才能抵消建材生产阶段产生的CO2排放量．因此，只有当节能设计后建筑运行节约的能耗或CO2减排量大于因节能而投入的能耗及CO2排放量时，才能达到真正意义上的节能．

2）传统的建筑能耗分析，一般仅考虑能的量，忽略了能量的质，而火用不仅可以反映能的量且能衡量能量品味高低，因此本文采用火用方法并从生命周期角度出发分析节能设计建筑．分析案例火用耗得到，建材生产阶段的火用耗远远大于建筑运行阶段的节火用量，即节能的方案不一定节火用．因此，当以不同的指标来筛选节能方案时，结果是不同的．而建筑节能设计的火用耗分析更能体现建筑节能的真实性，可持续建筑必须是节火用的．

3）本文基于热经济学的概念，通过建立黑箱模型，分析了节能设计建筑的火用流过程，并针对本文案例实际情况，推出了建筑围护结构火用成本的计算方法．对实例分析可得，从节能性方面比较，方案1更好，而从经济性方面比较，方案2更好，说明在建筑节能设计方案选择时，要综合考虑节能性和经济性，才能达到最佳节能目标．较低的单位火用成本，意味着选用投资较少的节能改造方案，低品位能源使用量较大，得到了火用效率较高的制冷、热量，建筑整体节能性和可持续性高．

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