基于系统动力学的被动式建筑增量成本与效益研究

袁位佳，宋吉荣

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

被动式建筑是目前全球范围内建筑业探索低能耗建筑的重要结果之一。2015年，我国出台的DB13(J)/T177-2015《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》中对被动式建筑的定义是将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑维护结构高效节能技术相结合建造而成的低能耗建筑[1]。纵观我国被动式建筑发展态势，不难看出其发展速度较慢，在我国建筑业内相关利益主体认可度、接受度低。其中主要的原因是与普通建筑相比，被动式建筑的成本较高，其增加的成本主要体现在设计、施工、材料、设备等方面。何海玲等[2]提出了被动式建筑增量成本的计算方法，展开了被动式建筑在我国推广的思考并且分析了其发展前景。白云等[3]进一步明确指出了被动式建筑增量成本的概念，分析了相关影响因素，为被动式建筑增量成本的计算提供了指导性意见。但是目前对于被动式建筑增量效益的研究较少，并且我国建筑业内相关利益主体将重点只放在了被动式建筑的增量成本上，没有考虑到增量成本所带来的增量效益，进而无法对被动式建筑产生客观正确地理解和认识。

为了解决这一问题，本文提出基于系统动力学的被动式建筑增量成本与效益研究模型，利用系统动力学模型进行更深层次的分析，对两者之间的关系进行更为直接地展示，为推进我国被动式建筑的发展提供一定的理论依据。

1 研究方法

系统动力学是以系统工程中的相关方法作为理论基础，借助计算机相关的仿真软件作为实现研究的工具，主要分析各类难以量化的复杂系统问题，是一种研究复杂系统的定量理论方法[5]。被动式建筑增量成本与效益分析涉及增量成本与增量效益两个子系统，并且各个子系统中存在多个不同的因素，各因素之间存在相互反馈关系，运用系统动力学理论便于对两者之间的关系进行直观有效的分析。

2 被动式建筑增量成本系统分析

被动式建筑的增量成本是指被动式建筑为达到相关认证标准与普通建筑相比所需的新增技术、施工内容、设计内容以及设备所产生的成本费用。在本文中考虑系统动力学分析法的特点并结合被动式建筑的各项典型技术以及优化设计等，将其增量成本系统划分为以下几个方面：

(1)外墙保温系统增量成本。外墙外保温系统是被动式建筑的主要技术之一，其可以实现建筑物在气密性能、保温性能、隔热性能等方面的大幅提高，从而降低建筑物所需的能耗量。

(2)智能新风系统增量成本。智能新风系统运行原理是通过高效的冷热回收装置回收并利用建筑室内环境所产生的废气体以及污染气体中的能量。

(3)智能遮阳系统增量成本。智能遮阳系统安装在建筑外围护结构上，在室内环境温度高时可有效遮挡直射阳光，由于具有良好的隔热效果可降低室内温度过高所需的制冷能耗。

(4)太阳能利用增量成本。被动式建筑中对于太阳能的利用主要通过太阳能热能转换系统、太阳能电能转换系统实现。

(5)被动式建筑无热桥设计增量成本。热桥效应易滋生大量霉菌进而影响建筑室内环境质量。因此在进行被动式建筑设计时要考虑较多的设计内容以及措施以实现无热桥设计这一目标。

(6)建筑外窗增量成本。被动式建筑外窗具有超强的保温性能。由于原材料以及建筑外窗生产工艺的差别，由此导致了增量成本的产生。

3 被动式建筑增量效益系统分析

被动式建筑的增量效益是指被动式建筑与普通建筑相比在设计、施工、材料、设备等方面的不同所带来的效益。根据被动式建筑增量效益的性质，其增量效益系统可分为以下几个方面：

(1)节能经济效益。被动式建筑中所采用的各项技术及设计方案均会降低各项能耗的使用，还可使各项能耗的利用率提高，由能耗使用量的减少直接产生节能效益。

(2)被动式建筑寿命效益。被动式建筑从设计开始就充分考虑了建筑与人、资源、环境之间的关系，再加上所采用的各项技术，使得其寿命在一定程度上相比普通建筑得到了延长。

(3)被动式建筑开发收益。被动式建筑由于单方售价的提高，由此带来了开发收益的增加。除此之外被动式建筑的开发收益还与购置者数量及意愿强度有关。

(4)政府补贴。在目前国家大力推进低能耗建筑的背景下，政府会对被动式建筑的开发提供补贴以推动发展。

4 基于系统动力学的被动式建筑增量成本与效益研究

Vensim软件作为系统动力学发展过程中的重要成果，不仅可以实现各子系统间而且可以实现各子系统中各因素之间的因果反馈关系分析。根据上述分析，并结合Vensim软件的建模步骤及规则，建立的基于系统动力学的被动式建筑增量成本与效益研究模型如图1所示。

图1 被动式建筑增量成本与效益研究系统动力学模型

通过对被动式建筑增量成本与效益研究因果关系图分析可知，在该研究模型中存在4条主要的反馈回路：

(1)增量成本增加量→+技术投资额→+单方售价增加值→+开发收益→+增量效益增加量→+增量成本增加量

该条反馈回路为正反馈回路，被动式建筑增量成本导致单方售价增加，进而提高开发收益，从而使得开发方继续投资被动式建筑导致增量成本增加。

(2)增量成本增加量→+技术投资额→+单方售价增加值→-购置者购买意愿→+购置率→+开发收益→+增量效益增加量→+增量成本增加量。

该反馈回路为负反馈回路，被动式建筑增量成本导致单方售价增加，购置者购买意愿下降，进而导致购置率、开发收益增量效益、被动式建筑开发方投入的增量成本下降。

(3)增量效益增加量→+开发方年可分配利润→+研发投入→+购置者数量→+购置率→+开发收益→+增量效益增加量。

该反馈回路为正反馈回路，被动式建筑增量效益增加促使开发方年可分配利润增加，对被动式建筑的研发投入增加，所以购置者数量、购置率、开发收益都增加，最终实现增量效益增加。

(4)增量成本增加量→+节能量→+减少污染气体排放量→+节省空气净化设备购买支出→+购置者购买意愿→+购置率→+开发收益→+增量效益增加量→+增量成本增加量。

该反馈回路为正反馈回路。随着增量成本投入，节能效果更加显著，减少污染气体排放量，节省了空气净化设备购买支出，购置者的购买意愿和购置率提高，增加了开发方增量效益，从而促使开发方继续投资被动式建筑技术，增量成本增加。

5 结论与建议

通过上述研究模型的反馈回路分析可知，被动式建筑的增量成本是由多项因素引起的，涉及到被动式建筑的多项关键技术，针对目前我国建筑业对于被动式建筑增量成本的认识误区，应增加对于被动式建筑技术的研发投入使其技术逐渐完善并最终实现增量成本有所下降。除此之外还可从被动式建筑理念的推广以及购置者等方面入手；被动式建筑的增量效益可分为短期效益即被动式建筑开发效益和政府补贴、长期效益即节能经济效益和被动式建筑寿命收益，其增量效益体现在了全生命周期中，并且涉及到多项增量效益来源，因此被动式建筑增量成本的投入是可以得到与之相匹配的增量收益的。被动式建筑的增量成本与效益是一个整体，两者中不同元素存在相互联系，目前其增量成本的投入已可得到与之相匹配的增量收益，在后期可研究如何降低增量成本投入的同时实现增量收益的增加，为推动我国被动式建筑发展提供参考。