基于成本控制的既有居住建筑节能改造策略研究

文／李雨柔 苏州科技大学建筑与城市规划学院 硕士研究生（通讯作者）

引言

据2020年中国建筑能耗报告指出，我国节能减排工作当前为全面调整阶段，提高建筑物的能耗率就是推动和促进建筑物节能的根本[1]。2020年国务院办公厅《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》中明确指出，对老旧小区内建筑的改造是实现城市品质提升和人居环境质量改善最有效且直接的方式，对提高既有建筑的使用率意义重大[2]。对既有建筑过去的研究以降低能耗为大方向，但改造成本也是改造的重要影响因素，合理控制成本，提高节能效益与节能率之间的综合分析也是非常有必要的。

1 建筑节能改造成本计算体系

1.1 节能改造成本

在节能改造成本部分，为了突出改造策略选取对节能效益的影响，暂且忽略材料运输成本，着重对围护结构的改造策略的材料费用与施工费用所产生的总计成本进行计算分析。计算数据通过市场进行调研后选取平均值进行计算，保证了数据的真实可靠。改造成本按下式计算：

式中，I0为改造成本费用；Pn为改造所采用材料的单位面积价格；Cn为改造所采用材料的单位施工成本；Sn为所需材料的总体数量；k为材料的种类。

1.2 年节能收益

对于夏热冬冷地区的节能收益主要体现在降低能耗后节约的电费量上，节能收益要通过当前电力收费标准进行计算后体现，按（2）进行计算：

由于本文以苏州市为例，根据苏州市现行电费收费标准，节能改造所节约的电力能耗为年用电量2760千瓦时之后的节约值，因此本文p取平均值为0.7073元/KWh。

1.3 成本效益评价

成本效益评价考虑的是改造项目资金时间价值，即为成本控制计算。具体包括年净现金流量（NCFt）、累计净现金流量（ANCFt）、投资回收期（Pd）和节能效益率（W）进行改造策略的经济性评估，可按下式计算：

式中，α为建筑运行过程中的实际节能率，取±20%；η为电力价格的平均增长率，本文取0；i为折现率，小区节能改造为共同性社会建设项目，因此i取6%[3]；γ为改造期的成本波动率，节能和改造持续时间比较短，γ取值为1；m为累计净现金流量出现转为正值的年份；t表示建筑剩余使用年份，一般情况下老旧小区改造所耗费的时间为1年。

1.4 节能效益率

节能改造方案在其剩余生命周期内总的节能效益值与节能改造成本比值为效益率W，节能效益率高则表示改造项目通过更低的成本投入，但是却达到相对较高的节能收益率，说明此策略是性价比更高的。效益率可用下式表达：

式中，∑I'0为剩余生命周期内总的节能效益值；I0为节能改造成本。

2 老旧小区建筑改造综合分析

本文选取苏州地区一试点老旧小区内既有居住建筑作为改造综合分析的研究案例，通过实测与模拟相结合，验证对比改造策略的“性价比”。

2.1 案例概况

建筑为1986年建成并投入使用的七层砖混结构住宅，为一梯三户。标准层面积为191.66m2，总建筑面积为1337.25m2。外墙为实心粘土砖，无保温隔热处理；屋面为基础保温的平屋顶；外窗为铝合金单层普通玻璃窗。图1为标准层平面图，研究对象均为该栋三楼中间户，该户为两室一厅，建筑面积大约为41.41m2，测试时住户保持日常作息与生活方式。为了测试居住建筑室内主要生活区域的温湿度变化，在测试对象的卧室、客厅及阳台各放置一台温湿度仪器，进行为期24小时的夏季和冬季的数据采集。

图1 标准层平面图（图片来源：作者根据苏州市城乡建设档案资料绘制）

2.2 现状实测与模拟分析

2.2.1 冬季与夏季实测温湿度实测

（1）测试时间：

夏季：2020年8月25日12∶00—2020年8月26日12∶00；

冬季：2021年1月10日16∶00—2021年1月11日16∶00。

（2）测试仪器：TR-72wb温湿度仪，记录时间设定为每10分钟一次，测试周期为24小时。

（3）测试结果分析

综合分析室内夏季与冬季的温湿度数据，夏季室内平均温度为30.72℃，评价湿度为62.08%，室内温度较高，不符合舒适性要求，夜间住户通过自主性使用空调调节了室内温度达到舒适，但能耗较大；冬季住户没有使用空调的习惯，因此室内温度在白天与夜间均低于舒适的温度水平，通过对pmv、ppd数值的计算得出室内舒适度从平均值看来均不在标准范围内。

同时对居民的实际用电量统计得出，7～8月的用电量与1～2月的用电量最高，因此对于夏热冬冷地区既有居住建筑进行节能改造时，要充分考虑到如何改善建筑物的夏季隔热性能，减少夏季空调的能耗，同时还兼顾建筑物的冬季保温性能，从而提高了居民室内的环境舒适性。

2.2.2 住宅现状能耗模拟

本文选取PKPM-Energy能耗模拟软件进行计算，模拟结果如下：

（1）各部分热工性能

外墙的平均传热系数K=1.96W/（m2·k），热惰性指标D=0.51，无保温；内墙平均传热系数K=1.73W/（m2·k），热惰性指标D=0.58；屋顶传热系数K=0.95W/（m2·k），热惰性指标D=1.05，保温材料为憎水性珍珠岩板；外窗窗框为普通铝合金窗框，玻璃为5mm厚的白玻，其K值为6.40W/（m·k），遮阳系数SC为0.94。

（2）经过建筑供暖空调负荷及能耗计算，通过对比分析参考建筑总负荷为100216.508KHW，模拟建筑总负荷为137932.29KWH，设计建筑能耗值远高于参照建筑的能耗值，围护结构节能率为-39.61%，不符合《夏热冬冷地区居住建筑设计标准》的要求。

3 节能改造策略综合分析

3.1 节能改造策略节能率

通过对改造材料的成本初步筛选，将改造策略的节能率按照《江苏省居住建筑热环境与节能设计标准》要求的50%、65%、75%进行设定后，先通过二次对比选取出节能率最佳的改造策略，然后结合成本计算模型进行计算。

3.1.1 改造策略一

50%节能率对围护结构要求为外墙传热系数≤1.5W/（m2）·K；外窗热传系数≤4.7W/（m2）·K；屋面传热系数≤1.0W/（m2）·K。因此该策略将外墙材料改为30mm聚苯乙烯泡沫板，传热系数为0.76W/（m2）·K；外窗材料改为普通铝合金双层中空玻璃窗（5+12A+5），传热系数为3.70W/（m2）·K；屋面材料改为30mm挤塑聚苯板，传热系数为0.93W/（m2）·K。通过模拟计算得出该改造策略的相对节能率为1.08%，相较于原有节能率，优化了40.69%。

3.1.2 改造策略二

65%节能率对围护结构要求为外墙传热系数≤1.5W/（m2）·K；外窗热传系数≤4.0W/（m2）·K；屋面传热系数≤1.0W/（m2）·K。因此该策略将外墙材料改为40mm聚苯乙烯泡沫板，传热系数为0.64W/（m2）·K；外窗材料改为普通铝合金Low-E玻璃窗（6+12A+6），传热系数为3.20W/（m2）·K；屋面材料改为50mm挤塑聚苯板，传热系数为0.62W/（m2）·K。通过模拟计算得出该改造策略的相对节能率为11.66%，相较于原有节能率，优化了51.27%。

3.1.3 改造策略三

75%节能率对围护结构要求为外墙传热系数≤1.0W/（m2）·K；外窗热传系数≤2.8W/（m2）·K；屋面传热系数≤0.4W/（m2）·K。因此该策略将外墙材料改为60mm聚苯乙烯泡沫板，传热系数为0.49W/（m2）·K；外窗材料改为断桥隔热铝合金Low-E玻璃（6+12A+6），传热系数为2.80W/（m2）·K；屋面材料改为85mm挤塑聚苯板，传热系数为0.39W/（m2）·K。通过模拟计算得出该改造策略的相对节能率为21.22%，相较于原有节能率，优化了60.83%。

3.2 节能改造策略成本效益

3.2.1 改造策略成本收益

基于第二节总结所得的节能改造项目成本计算体系，总结计算得出不同策略对应的成本与节能效益率并进行对比分析。

（1）策略一：年投资成本为146379.90元；年收益为28794.94元；节能效益率为5.70%；能耗优化率40.69%；

（2）策略二：年投资成本为135193.26元；年收益为37773.80元；节能效益率为8.10%；能耗优化率51.27%；

（3）策略三：年投资成本为179418.27元；年收益为42535.47元；节能效益率为6.88%；能耗优化率60.83%。

3.2.2 改造投资回收期

通过对三个改造策略进行对比分析可得，根据年净现金流量与累计净现金流的计算所得如表1所示。

表1 节能改造投资回收期（表格来源：作者自绘）

通过以上成本计算数据可知，策略三的年收益最高，策略二的节能效益率最高且投资回收期最短。这就意味着：选取策略二的改造方式能够在对比年限中以最短的年限将改造投资成本回收转正，在第3.89年即可转为正的节能收益，即为最快将投资成本通过改造效益补齐。因此，对于本案例的改造，以成本控制为出发点进行选定的改造策略为：外墙增设40mm聚苯乙烯泡沫塑料板保温层，屋面保温材料改为50mm挤塑聚苯板；外窗在原有基础上将玻璃改为普通铝合金Low-E玻璃（6+12A+6）；南向外窗设置活动遮阳。

结语

文章通过实测数据与能耗模拟结论相结合，以成本为目标导向进行多种组合对比分析，以典型模型为例，对不同改造策略由单一策略筛选到组合策略评估，形成了“现状条件诊断-节能改造技术可行性分析-改造策略经济性综合对比分析”为框架的老旧小区节能改造策略研究方式，总结出改造策略优化性能与成本相结合的研究方法，并在文章最后，以典型模型展现基于成本控制的节能策略选取过程。

研究结果表明：当前，既有居住建筑节能改造在全国已经出现了一种趋势，但需要指出的是，我国目前的住宅节能改造相对简单，大多只注重提高围护结构的节能性能，而且大多缺乏从社会整体角度考虑老旧小区改造问题。但就实测与模拟结论而言，对夏热冬冷地区的既有居住建筑围护结构进行改造能够有效降低建筑能耗，改善居住舒适性；若将成本与改造策略综合考虑，提高改造项目的节能收益率，是能够在较短时间收回改造投资成本的并能获得更为长久收益。因此，对夏热冬冷地区居住建筑的节能改造是具有前景并可行的，同时合理控制成本以获得适宜的节能改造效益对既有居住建筑的节能改造是非常有必要的。