新疆严寒C区住宅三步节能与四步节能的经济性分析

沈亚倩，姜曙光

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832003）

目前我国民用建筑能耗高，尤其在北方严寒地区的冬季，采暖能耗大，城镇单位面积年采暖平均能耗折合标准煤约为22 kg/m2。随着集中供热日益发展，建筑采暖成为了重点能耗大户，采暖能耗所排放的二氧化碳也占据着相当重的比例[1]，因此从2011年起新疆地区全面实行三步节能标准[2]，即各类居住建筑节能率要求全部达到65%节能率。2014年起新疆严寒C 区推荐执行四步节能标准[3]，即推荐新建居住建筑能源消耗在三步节能的基础上再提高10%，将节能率提高至75%。

四步节能标准是否既可降低能耗[4-5]，又可达到增量成本不高的结果，是本文主要探讨的问题。2017年5月，国务院印发的《“十三五”节能减排综合工作方案》表明：到2020年，城镇绿色建筑面积占新建建筑面积比重提高至50%，其中装配式建筑面积占新建建筑面积比例达到15%。

在国家大力推荐绿色建筑的前提下，本文以乌鲁木齐市一栋已建装配式建筑为例，分析三步节能与四步节能的经济性[6]，以期为新疆严寒C 区相关设计人员、开发商选择住宅节能[7]标准提供参考。

1 工程概况

1.1 乌鲁木齐地区气候特点

乌鲁木齐市（N44°08′，E88°58′）属于严寒气候C 区，气候特点为冬季寒冷，夏季干热，日夜温差较大，常年干燥少雨，冬季室外平均气温在-17 ℃左右，采暖期为6 个月。

1.2 研究对象概况

本文研究对象为乌鲁木齐市东风小区2# 楼一栋装配式钢结构住宅，建筑平面图如图1所示。该住宅建于2013年，原设计达到三步节能65%的标准，建筑面积为5490.3 m2，地下一层为地下室，层高为2.2 m，地上六层各层层高均为2.8 m，建筑高度为19.45 m。该建筑体形系数为0.3，窗墙比分别为：南北向均为0.07，东西向均为0.19，满足《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准实施细则 XJJ001-2011》的规定。

图1 2# 楼标准层平面图Fig.1 2# building standard floor plan

1.3 2# 楼原设计参数与两节能标准限值对比分析

由该建筑的节能计算可知，2# 楼原设计总体满足三步节能标准，但其各项参数是否满足四步节能标准，对比结果见表1。由表1可知：2# 楼原设计架空楼板和周边地面两部分围护结构未满足2011年三步节能标准，但建筑总体达到了65%节能率。与《新疆维吾尔自治区工程建设标准- 严寒C 区居住建筑节能设计标准》（XJJ/T063-2014）相比，该建筑屋顶、外墙、楼板、以及周边地面均不满足该标准的参数要求。因此，对未满足参数要求的各个围护结构进行拟调整和软件模拟[8]计算，旨在分析各项是否达到四步节能，以及达到四步节能后的经济性。

表1 两种节能标准对比Tab.1 Comparison of heat transfer coefficient of 2# building envelope structure and two energy saving standards

2 以四步节能为标准的调整方案

根据表1中两种标准的对比，针对以上不满足的部分，拟从外墙、地下室地面、楼面、屋面四部分进行调整。

2.1 外墙

该建筑外墙原设计采用该项目公司自主研发的DK 板，该墙板主要是以低碱度水泥为基本原料，掺合粉煤灰、钢渣等工业废料，采用75 厚EPS 聚苯板夹心，双面配置钢丝网或玻璃纤维网增强的夹心保温板，外墙板厚120，外墙板简称DK-120 复合板。外保温为60 厚EPS 聚苯板与水泥纤维薄板粘结为一体的ET 保温板。

由于DK-120 为工厂装配式预制板，因此调整时对其夹心保温板不做改动，而是将外墙ET 板的材料60 厚EPS 聚苯板改为60 厚XPS 挤塑聚苯板。

调整后传热系数由0.41 降低至0.29，小于四步节能传热系数限值0.40，满足要求。

表2 外墙调整前后做法Tab.2 Practice before and after the external wall adjustment

2.2 地下室地面

该建筑地下室地面原设计未做保温处理，在接触土壤的地面热阻过小，地面传热量较大。

为减少冬季热量损失和避免结露现象，对地面周围进行保温处理，提高地下室保温效果，因此，改造时在垫层上加30 厚XPS 挤塑聚苯板，可以更好的降低能耗。

原设计地下室地面热阻为0.24，调整后热阻提升至1.35，大于四步节能热阻要求的1.20，满足要求。

表3 地下室地面调整前后做法Tab.3 Practice before and after the basement floor adjustment

2.3 楼面

该建筑层间楼板原设计保温做法为20 厚EPS聚苯板，现将原有的20 厚EPS 改为30 厚XPS 挤塑聚苯板，在防水防潮的同时提高保温效果。

调整后传热系数由原先的1.33 降至0.52，未满足四步节能要求。

表4 楼面调整前后做法Tab.4 Practice before and after the floor adjustment

2.4 屋面

该建筑原设计屋面保温做法为100 厚EPS 聚苯板，正置式屋面，为了提高屋面的保温和防水性能，将100厚EPS 板改造成100 厚XPS 板。调整后传热系数由0.36 降低至0.25，满足四步节能传热系数限值的要求。

表5 屋面调整前后做法Tab.5 Practice before and after the roof adjustment

3 建筑模型的建立与各方案能耗计算结果

针对以上对外墙、地下室地面、楼面和屋面的调整做法，利用DeST-h 软件对各种做法进行能耗计算。

3.1 模型的建立

运用DeST-h 软件，根据该建筑平面图和围护结构构造，描述该建筑的各项建筑参数并进行建模，建模参数包括建筑地理位置、围护结构类型、房间空调参数、房间功能、和通风等，逐层建立建筑模型，如图2和图3所示。

3.2 能耗计算结果

对该建筑全年能耗进行模拟和计算，分别得到2# 楼原建筑和调整方案的建筑全年采暖能耗数据。2#楼原建筑在满足三步节能标准下全年采暖热负荷为187394.43 kW·h，燃煤锅炉效率为68%，因此，全年采暖能耗为187394.43/0.68=275580.04 kW·h。

根据对外墙、屋顶、楼板及地下室地面拟调整做法，通过DeST-h 软件模拟和计算，得出5 种调整方案及其能耗数据（表6）。

图2 一层建筑模型Fig.2 1st floor building mode

图3 2# 楼建筑模型Fig.3 2# building mode

表6 基于2# 楼原围护结构的调整方案及数据总结Tab.6 Based on the 2# building original enclosure structure of the proposed adjustment program and data summary

由表6可知：

（1）方案1 只对原建筑外墙构造措施进行调整，该方案的采暖能耗值为244101.38 kW·h，与原设计模拟得出的采暖能耗值275580.04 kW·h 相比降低了31478.66 kW·h，将节能率提高了11.4%，达到75%节能率；方案2 只对屋顶部分构造措施进行调整，与原设计相比可将能耗降低18212.17 kW·h，节能率可提高6.6%，但未能达到75%的节能率。方案3只调整楼板，结果也未满足75%节能率。

（2）由于方案2，3 的结果均未能达到四步节能要求，因此，将地下室地面与方案2，3 叠加，得到方案4 和方案5。方案4 是同时对屋顶和地下室地面进行调整，节能率可提高7.4%，但仍未达到75%节能率。方案5 是同时对楼板和地下室地面拟调整，节能率仅提高1.0%，亦未达到75%节能率。

（3）虽然根据方案1 的结果，该做法可以达到75%的节能率，但是围护结构其他部分仍有未达到四步节能标准的参数，因此方案1 做法是否满足四步节能标准还需权衡判断。

（4）根据《新疆维吾尔自治区工程建设标准-严寒C 区居住建筑节能设计标准》（XJJ/T063-2014）

4.3.1 条知当建筑物围护结构热工设计不满足某项传热系数限值要求时，要以建筑物耗热量指标或建筑能源需求量指标为判据，进行该建筑围护结构热工性能的权衡判断。经计算，按方案1 调整后，达到四步节能标准的建筑能源需求量指标为44.46 kW·h/m2，小于标准限值47.9 kW·h/m2，因此权衡之后，方案1 满足四步节能要求。

4 三步节能与四步节能的经济性分析

4.1 三步节能与四步节能的投资造价分析

2# 楼建筑外表面积为5942.24 m2，除去屋顶和地面后外墙表面积为3754.49 m2，外墙原设计采用的保温材料为60 厚EPS 保温，而调整后外墙采用的保温材料为60 厚XPS 保温，因此，将调整外墙之后的做法定义为满足四步节能标准。

造价计算分析结果（表7）表明：2# 楼外墙需要保温板225.27 m3。据调查，新疆乌鲁木齐地区EPS板造价为280 元/m3，XPS 板造价为340 元/m3，差价为60 元/m3。

由以上分析可知，若要满足四步节能，则仅需将外墙保温材料换成XPS 保温板，就能达到75%的节能率，根据表7的造价分析数据，四步节能整体造价要比三步节能高出13517 元。

表7 三步节能与四步节能造价分析Tab.7 Three-step energy-saving and four-step energy-saving cost analysis

4.2 节煤量分析与静态投资回收期

4.2.1 节煤量分析

根据国家能源局数据，2017年1 kW·h 能量约等于860 kcal 热量，则四步节能每一年节约31478.66 kW·h 能 耗 折 合 标 煤 为 31478.66 ×860/7000=3867.38 kg。经调查，标准煤现价格为800元/t，采用四步节能做法可知每一年所节约的标准煤3867.38 kg，折合人民币为3094 元。

具体计算结果如表8所示。

表8 三步节能与四步节能节煤量分析Tab.8 Analysis of three-step energy-saving and four-step energy-saving coal saving

4.2.2 静态投资回收期分析

静态投资回收期是指以投资项目经营净现金流量抵偿原始总投资所需要的全部时间[9-10]。经过三步节能与四步节能的对比后得知净现金流量为13517 元，假定保温材料铺贴完成后每年节约的能量都相同，则每一年节约的标准煤折合人民币也都为3094 元。

静态投资回收期的计算公式如式1：

上式中：K为净现金流量，A为项目投产后每年的净收益，PT为静态投资回收期。

经计算得出静态投资回收期为4.37年，这表明第5年就能回收投资成本。

5 结论

（1）该建筑围护结构热工性能满足2011年三步节能65%的标准。本文通过仅对原建筑外墙进行调整，即可满足四步节能的要求，该做法将全年能耗降低了31478.66 kW·h，每年可节约3.87 t 标准煤，通过静态投资分析，第5年可回收投资成本。

（2）今后在资金允许的情况下应该优先推行更经济的四步节能。