严寒地区近零能耗建筑节能性和经济性分析

王杨洋

(吉林建筑科技学院 市政与环境工程学院，长春 130114)

2020 年9 月，中国向全世界宣布将提高国家自主贡献力度，并且采取更加有力的政策和措施，使CO2排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取于2060 年前实现碳中和[1].目前，我国节能工作正在从节能向“减碳”方向进一步迈进.2020 年，我国建筑运行的碳排放量为21.8 亿t，建筑建造的碳排放量为15 亿t，建筑运行和建造的碳排放量约占全社会碳排放量的36%[2].因此，建筑领域的能耗和碳排放引来越来越多的学者关注.

为了进一步推动中国节能建筑向近零能耗建筑[3]迈进，人们借助国外经验并结合我国已有工程实践，开展了近10 a 的研究探索.如今，适合我国国情的、适用于不同气候区的控制指标和技术路径已逐渐清晰[4].2019 年，以国家标准形式正式颁布的《近零能耗建筑技术标准》[5]确定了其能效指标要求.这标志着我国在减少建筑对环境的影响方面迈出了重要一步.

在中国超低能耗建筑联盟研究的4 个气候区的64 栋超低能耗建筑最佳案例中，严寒地区建筑数量占11%，寒冷地区建筑数量占73%，夏热冬冷地区建筑数量占9%，夏热冬暖地区建筑数量占7%[6].由此可见，大部分研究案例集中在寒冷地区，严寒地区的案例相对较少.从另一个角度看，严寒地区冬季室外气温低、供暖期长，要达到近零能耗目标需比其他地区付出更多努力，即需要通过采取更多的节能技术措施或加强可再生能源的利用来实现该目标.然而，这些举措也会带来经济成本的增加.

基于此，本文从节能性和经济性2 个维度对近零能耗建筑技术进行了评价，并通过实例分析、比较了各种技术的节能增量成本，以期为严寒地区建筑实现近零能耗目标提供参考.

1 实例简介

本文以吉林建筑科技学院校园内的某栋办公楼作为研究对象，对其近零能耗建筑技术进行分析与评价.该建筑于2017 年建成，共2 层，总面积为1 180 m2，包括2 个办公室、2 个教室和4个实验室，如图1 所示.

图1 近零能耗建筑外观

1.1 被动式技术

在被动式设计方面，研究对象采用高性能复合外保温系统.按照《近零能耗建筑技术标准》[5]中的性能化设计方法，对建筑物的外墙、外门窗、屋面和地面进行热桥处理，并用20 mm 厚的抹灰层作气密层，使其连续包围整个外围护结构，大大提高了建筑的气密性，具体结构参数如表1所示.该建筑所采用的高性能围护结构和高气密性技术措施[7]降低了其实际能耗需求.

表1 近零能耗建筑结构参数

1.2 主动式技术

该建筑采用毛细管末端辐射供暖/供冷技术，系统供回水温度在供暖时可降至30～32 ℃，在供冷时则可增至18～20 ℃，实现了“低温供暖、高温供冷”的节能舒适模式.因严寒地区冬季新风热负荷较大，为保证舒适性，还采用了全热回收新风技术，即充分利用室内排风的热量进行余热回收设计.经实测，全热回收平均效率为74.45%.

1.3 可再生能源利用技术

研究对象集成多种可再生能源利用技术，形成了多能互补系统.它主要由微风力发电、光伏发电、太阳能光热和地源热泵系统组成，可满足建筑电负荷、冷负荷和热负荷需求，其系统框架如图2 所示.在冬季，主要由地源热泵机组为建筑供暖，在夏季则可利用地源热泵机组或地源侧直供为建筑供冷.所安装的热管式太阳能集热器可在过渡季和夏季向地下补热，维持地下土壤的温度，从而避免土壤的冷堆积现象[8]；在冬季供暖期，它还可以提升热泵系统地源侧的进水温度，提高地源热泵系统的效率.太阳能光热和地源热泵系统可以满足近零能耗建筑的冷热需求.风能和太阳能互补发电系统则负责电力供应[9].

图2 多能互补系统框架

2 节能性分析

本研究依据《近零能耗建筑技术标准》[5]要求，采用性能化设计方法，以建筑物的室内环境参数和能耗指标为目标，通过能耗模拟软件计算并优化设计方案，使其达到预定性能目标要求.

在能效指标的计算中，需选择基准建筑进行对比判定，即用其全年供暖、空调、照明和可再生能源能耗作为标准，判断所设计建筑的节能率是否满足标准要求[10].根据《近零能耗建筑技术标准》[5]的相关要求，基准建筑的能效指标计算参数应符合下列规定：基准建筑的形状、大小、构造、内部空间划分和使用功能以及其围护结构应与设计建筑一致；基准建筑围护结构的热工性能和冷热源性能应符合国家标准《公共建筑节能设计标准》[11]的规定，具体参数如表2～表3 所示.

表2 围护结构传热系数对比 W·m-2·K-1

表3 末端和能源系统形式对比

利用近零能耗建筑评价软件进行能耗指标计算，其界面如图3 所示.本文将基准建筑与设计建筑供暖、空调和照明的耗电量、耗煤量和耗气量均换算为一次能源消耗量，并以此作为依据进行计算.结果表明，所设计建筑的一次能源节能率为82.85%，满足设计标准[11]中规定的≥30%的要求，其节能优势明显.

图3 近零能耗建筑评价软件操作界面

3 经济性分析

经济学中的增量成本是指在各种方案的成本比较与决策时，先选定某一方案为基准方案，然后将其他方案与之相比较时所增加的成本.2 个对比方案间的成本差额，是增量成本的一种表现形式.因此，基准方案的确定对增量成本的计算结果显得非常重要.

绿色建筑的经济效益分析与研究相对比较成熟且与近零能耗建筑有相似之处，因此近零能耗建筑的增量成本分析可参考绿色建筑.目前，以现有的国家或地方节能标准要求设计的方案，是根据当地材料和设备市场准入制度定价的，可以作为近零能耗建筑设计的基准方案[12-14].

增量成本为项目采用新技术后的成本总额减去增量成本起算点的成本总额[15].根据本项目实际情况，其增量成本主要源自被动式技术、主动式技术和可再生能源利用技术3 个方面，具体包括高性能外围护结构(墙体、屋面和外窗)、建筑气密性、全热回收新风系统和可再生能源(太阳能和地热能)利用.参考基准建筑的市场价格，经过计算，其增量成本如表4 所示.

由表4 可知，该项目单位面积的增量成本为593 元/m2.其中，太阳能光热系统的增量成本占总增量成本的28.7%；太阳能光伏发电系统和高性能玻璃外窗的增量成本分别占总增量成本的22.6%、13.5%.对近零能耗建筑节能技术进行分类评估发现，在被动式、主动式和可再生能源利用技术中，后者的增量成本占比最大.各项节能技术的增量成本贡献率如图4 所示.

表4 近零能耗建筑各节能技术增量成本分析

图4 各项节能技术的增量成本贡献率

4 结论

严寒地区近零能耗建筑采用被动式、主动式和可再生能源利用3 项技术可以实现近零能耗目标.随着各种节能技术措施的采用，项目经济成本成为了业主考虑的重要因素.本文借助实际案例，将严寒地区近零能耗建筑各项节能技术措施的增量成本进行了量化分析.结果表明，在被动式、主动式和可再生能源利用3 项技术中，可再生能源利用技术带来的增量成本最高.