龔光彩，蔡立群，王 平，王 瑩，黎 龍

（湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

隨著中國房地產(chǎn)行業(yè)的不斷繁榮與發(fā)展，建筑業(yè)在國民經(jīng)濟中占的比例也越來越重，經(jīng)濟發(fā)展的同時，能耗問題日益凸顯，2011年中國建筑總能耗占全國總能耗的19．74%［1］．與此同時，全球大約33%由能源引起的溫室氣體（GHG）排放來自于商業(yè)建筑和住宅建筑的能源消耗［2］．因此，如何實現(xiàn)建筑節(jié)能減排已成為社會關注的焦點之一．

建筑內(nèi)部與外界環(huán)境之間的熱傳遞大部分是通過圍護結構進行的．在建筑運行能耗中，空調(diào)、采暖能耗約占50%～60%左右［3］，因此，改進建筑圍護結構形式以改善建筑熱性能，是建筑節(jié)能的有效手段．以生命周期的觀點來看，廣義的建筑能耗應包括建筑材料的生產(chǎn)與加工過程的能耗、建筑施工能耗、暖通設備制造、運輸能耗及建筑壽命終止后拆除能耗、廢棄建材處置等與建筑相關活動的能耗［4］．因此，建筑能耗的分析不能只考慮運行階段，而要從生命周期的角度出發(fā)進行考慮．

迄今為止，已有不少國內(nèi)外學者對建筑節(jié)能設計的評價、優(yōu)化和經(jīng)濟性分析進行了相關研究．徐艷芳等［5］基于火用概念分析了能量利用對環(huán)境的影響及與可持續(xù)發(fā)展的關系．Bribia′n等［6］基于生命周期評價方法，建立了能夠分析建筑材料的內(nèi)含能，建筑運行時的能耗及污染物排放問題的方法．Liu等［7］基于火用概念建立了建筑生命周期內(nèi)環(huán)境影響火用分析評價通用模型．Schlueter等［8］利用建筑能耗和火用耗評價，建立了能在初步設計階段分析建筑節(jié)能性的建筑信息模型．而這些研究一般只考慮了能的量，忽略了能的質(zhì)，沒有綜合考慮節(jié)能和節(jié)錢問題．因此，本文從生命周期角度出發(fā)，結合火用及火用經(jīng)濟學，建立火用成本模型，對建筑圍護結構節(jié)能設計方案的經(jīng)濟性，節(jié)能性和環(huán)境影響進行評價．火用可反映出圍護結構節(jié)能設計方案生命周期內(nèi)能量被利用的程度，能更好地體現(xiàn)節(jié)能的真實性；對于不同的對象，火用成本的計算方法不同，圍護結構火用成本是將建筑圍護結構節(jié)能設計經(jīng)濟性及節(jié)能性相結合而得到的新的節(jié)能效益評價指標，為建筑節(jié)能設計評價提供了參考．

1 建筑圍護結構環(huán)境影響評價

本文的評價對象為建筑圍護結構，本文中僅考慮生命周期中的建材生產(chǎn)階段和建筑運行階段，因為這兩個階段能耗和污染物排放量較大．評價目標設定為圍護結構節(jié)能設計前后生命周期內(nèi)能耗、火用耗及CO2排放量．

1．1 能耗分析

1．1．1 建材生產(chǎn)階段能耗

建筑圍護結構需消耗大量的建材，建材能耗可由下式計算［9］：

式中：En為建材能耗，kW·h；m為建材質(zhì)量，kg；Enm為質(zhì)量含能，kW·h／kg，目前我國此類數(shù)據(jù)比較少，但也有很多學者進行了研究，不同的研究會有不同的結果，本文中EPS、水泥和石膏的數(shù)據(jù)主要來自于楊倩苗的研究結果［10］，由于國內(nèi)缺乏中空玻璃，鋁合金和保溫砂漿數(shù)據(jù)，所以本文中玻璃和保溫砂漿的數(shù)據(jù)來自國外文獻［6］，鋁合金數(shù)據(jù)采用日本數(shù)據(jù)［11］．由于數(shù)據(jù)缺乏，本文中XPS 數(shù)據(jù)由EPS數(shù)據(jù)推導，部分建材質(zhì)量含能數(shù)據(jù)見表1．

表1 部分建材單位質(zhì)量含能及CO2排放量Tab．1 Unit embodied energy and CO2emissions of building materials

1．1．2 建筑運行階段能耗

建筑運行能耗主要包括空調(diào)、采暖、照明、炊事、熱水供應及設備等的能耗．不同的建筑圍護結構，由于不同的熱物性，建筑的冷熱負荷就不同，因此建筑物在運行階段的能耗也有較大的差異．本文采用動態(tài)模擬軟件Dest－C對建筑運行階段能耗進行模擬．

1．2 火用耗分析

1．2．1 建材生產(chǎn)階段火用耗

單位建材的質(zhì)量含火用可表示為：

式中：Exm為建材質(zhì)量含火用，kW·h／kg；Enm為建材質(zhì)量含能，kW·h／kg；λm為建材當量能質(zhì)系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)建材所耗費各種能源所占能源總數(shù)的百分比．計算出建材當量能質(zhì)系數(shù)［12］：

式中：λ1，λ2，…，λn為第n種能源的能質(zhì)系數(shù)；x1，x2，…，xn表示生產(chǎn)建材所耗費的第n種能源所占能源總數(shù)的百分比．

最終可求得建材生產(chǎn)階段的總火用為：

式中：Ex為建材生產(chǎn)階段的總火用，kW·h；mi為第i種建材的質(zhì)量，kg；Exmi為第i種建材的單位質(zhì)量含火用，kW·h／kg．

1．2．2 建筑運行階段火用分析

本文采用Dest軟件進行動態(tài)模擬，可以分別得到全年空調(diào)季制冷運行的耗冷量以及空調(diào)采暖季制熱運行的耗熱量，根據(jù)熱量火用Exh（kW·h）及冷量火用Exc（kW·h）的定義式，可得：

式中：Qh為制熱量，kW·h；Qc為制冷量，kW·h；T0為室外環(huán)境溫度，K；T為室內(nèi)環(huán)境溫度，K．電能的火用值就等于其能量值．

1．3 CO2排放量

建筑物生命周期對環(huán)境的影響，除了能源、資源的消耗外，還包括生命周期各階段中溫室氣體的排放量．本文中采用CO2排放量作為溫室氣體排放指標．在建材生產(chǎn)階段，使用的能源主要為煤、天然氣及電能，在建筑運行階段，建筑系統(tǒng)主要消耗的能源為電能．各單位建材及能源的CO2排放量分別見表1和表2［13－14］．

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

2 建筑圍護結構火用成本模型

2．1 熱經(jīng)濟學模型

本文根據(jù)熱經(jīng)濟學，將建筑圍護結構看作一個黑箱系統(tǒng)［15］，對黑箱的邊界火用流進行分析，在黑箱的邊界上只有能源的輸入及輸出．其模型如圖1所示．

2．2 建筑圍護結構單位火用成本

根據(jù)模型所示，把系統(tǒng)中的能量及費用都看作火用流，基于經(jīng)濟平衡建立建筑圍護結構單位火用成本的表達式：

式中：Exe為冷熱源，照明及設備年耗電量的火用值，kW·h；Exw為冷熱源年耗水量的火用值，kW·h；Exf為冷熱源耗燃料量的火用值，kW·h；Exi為年供冷量或供熱量的火用值，kW·h；ce為單位電能的成本，元／（kW·h）；cw為單位供水量的成本，元／（kW·h）；cf為單位燃料的成本，元／（kW·h）；Cz為圍護結構節(jié)能設計方案年度化工程造價，元；Cg為建筑運行管理費用，元；Cc為圍護結構拆除費用，元；c為單位火用成本，元／（kW·h）．

圖1 建筑圍護結構火用經(jīng)濟學模型Fig．1 Exergy－economics model of building envelop

本文中，建筑冷熱源為風冷熱泵機組，耗水量及耗燃料量可不計，因此公式（7）可簡化為：

根據(jù)式（8）可求得單位火用成本：

由式（9）可知建筑圍護結構的火用成本與很多因素有關，等式右邊第一項表示運行時的能耗費用；第二項表示總投資成本對每年的折現(xiàn)費用；第三項表示圍護結構的修繕費用；第四項表示圍護結構的拆除費用．

其中年度化工程造價Cz，建筑年運行管理費用Cg，圍護結構改造年拆除費用Cc可用如下方法計算［1 6］：

式中：K為節(jié)能改造的工程造價，元；i為投資折現(xiàn)率；n為節(jié)能改造后的建筑壽命，年．

Cg按照工程造價的一定比例取值，本文比例取3%．Cc取圍護結構改造安裝費用的一半，本文中對此項不予考慮．由以上分析可知，建筑圍護結構的火用成本和諸多因素有關，這些因素綜合反映出節(jié)能設計的經(jīng)濟性及節(jié)能性；較低的單位火用成本，意味著選用投資較少的節(jié)能設計方案，使用較多的低品位能源，得到火用效率較高的制冷量、制熱量．

3 案例分析

本文以株洲地區(qū)某辦公樓為對象進行研究．該建筑建于2008年，設計使用年限為30年．總建筑面積約1 504．6m2，共5層．原建筑的墻體為240mm磚墻，內(nèi)表面抹灰加粉刷，外表面為水泥砂漿．辦公樓設有中央空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源為風冷熱泵機組，COP為3．0，EER 為2．6．原建筑圍護結構性能參數(shù)見表3；對建筑圍護結構進行節(jié)能設計后，其性能參數(shù)見表4．

表3 原建筑圍護結構性能參數(shù)Tab．3 Performance parameter of building envelop before retrofit

表4 改造后建筑圍護結構性能參數(shù)Tab．4 Performance parameter of building envelop after retrofit

1）建材生產(chǎn)階段能耗、CO2排放量及火用耗．通過查詢工程量清單報價可計算出建筑節(jié)能改造的材料使用量清單，將表1中各建材的質(zhì)量含能，CO2排放量乘以建材使用量可得到建材生產(chǎn)階段能耗及建材生產(chǎn)階段CO2排放量，并用公式（1），（2），（3）計算出建材生產(chǎn)階段火用耗．計算結果如表5所示．

2）建筑運行階段能耗、CO2排放量及火用耗．分別計算原始建筑和改造后建筑的能耗、CO2排放量及火用耗，運用Dest進行動態(tài)模擬可得建筑運行能耗，再結合表2可得CO2排放量，再根據(jù)公式（7）可得出總火用耗．計算結果如表6所示．

表5 各建材生產(chǎn)階段能耗、CO2排放量及火用耗Tab．5 Energy consumption，CO2emissions and exergy consumption in building materials production phrase

表6 建筑運行階段能耗、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全年運行節(jié)能率為17．7%，CO2減排率為17．8%，節(jié)火用率為18．1%；方案2全年運行節(jié)能率為14．1%，CO2減排率為14．1%，節(jié)火用率為14．3%．綜合比較可得方案1運行階段的節(jié)能量與節(jié)火用量都比方案2的大，說明用火用來評價建筑圍護結構節(jié)能性是可行的．從運行階段考慮，方案1比方案2的節(jié)能性更好，說明適當增加保溫層厚度，選擇傳熱系數(shù)小的保溫材料，能更好地節(jié)能．

3）生命周期內(nèi)的節(jié)能量，CO2減排量及節(jié)火用量與運行時間的關系．綜合表5和表6可得改造后的建筑在生命周期內(nèi)的節(jié)能量，CO2減排量及節(jié)火用量，將其與建筑運行時間相結合，對結果進行分析，辦公樓設計使用年限為30 年，計算結果如圖2～圖4所示．

圖2 節(jié)能設計后不同運行時間生命周期內(nèi)節(jié)能量Fig．2 Energy saving of difference run time in life cycle

圖3 節(jié)能設計后不同運行時間生命周期內(nèi)CO2減排量Fig．3 CO2emission cuts of difference run time in life cycle

由圖2和圖3可知，在生命周期內(nèi)，方案1建筑運行階段節(jié)約的能耗需要10年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要4年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2．方案2建筑運行階段節(jié)約的能耗需要11年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要5年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2，這說明建筑生產(chǎn)階段的能耗和CO2排放量是不容忽視的．由圖4可知，兩方案建材生產(chǎn)階段的火用耗遠遠大于建筑運行階段節(jié)火用量．在30年內(nèi)，生命周期內(nèi)的節(jié)火用量仍為負值，這是由于建材生產(chǎn)時能源的燃燒溫度遠遠高于基準環(huán)境溫度，因此在這個階段的火用耗較高，而建筑運行能耗為低品位熱能，火用耗較低；因為火用不僅考慮了能的量，還考慮了能的質(zhì)．

圖4 節(jié)能設計后不同運行時間生命周期內(nèi)節(jié)火用量Fig．4 Exergy saving of difference run time in life cycle

4）建筑圍護結構單位火用成本計算．查詢工程造價清單可得節(jié)能設計方案1改造工程造價為26．8萬元，方案2的工程造價為25．5萬元．電能的單價為0．6元／（kW·h）；計算投資成本時，根據(jù)式（10）計算年度工程造價，投資折現(xiàn)率i取8%，節(jié)能設計后建筑壽命為30年．根據(jù)公式（9）計算建筑圍護結構單位火用成本，計算結果如表7所示．

表7 圍護結構單位火用成本Tab．7 Unit exergy cost of building envelop 元／GJ

從表7可得，方案2的單位火用成本比方案1的火用成本要低，說明從經(jīng)濟性上考慮，方案2更省錢．火用成本越低，意味著低品位能源使用量越大，建筑可持續(xù)性高，投資成本少，火用效率較高．

4 結 論

本文根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)某辦公樓不同建筑圍護結構節(jié)能設計方案的建材耗量，建筑運行能耗及CO2排放量，對各方案建筑生命周期內(nèi)的能耗，火用耗及CO2排放量進行定量分析，并在此基礎上建立火用成本模型，對不同方案進行分析，得出以下結論：

1）該建筑進行圍護結構節(jié)能設計后，方案1建筑運行階段節(jié)約的能耗需要10年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要4年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生CO2排放量．方案2建筑運行階段節(jié)約的能耗需要11年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，而運行階段的CO2減排量需要5年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的CO2排放量．因此，只有當節(jié)能設計后建筑運行節(jié)約的能耗或CO2減排量大于因節(jié)能而投入的能耗及CO2排放量時，才能達到真正意義上的節(jié)能．

2）傳統(tǒng)的建筑能耗分析，一般僅考慮能的量，忽略了能量的質(zhì)，而火用不僅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從生命周期角度出發(fā)分析節(jié)能設計建筑．分析案例火用耗得到，建材生產(chǎn)階段的火用耗遠遠大于建筑運行階段的節(jié)火用量，即節(jié)能的方案不一定節(jié)火用．因此，當以不同的指標來篩選節(jié)能方案時，結果是不同的．而建筑節(jié)能設計的火用耗分析更能體現(xiàn)建筑節(jié)能的真實性，可持續(xù)建筑必須是節(jié)火用的．

3）本文基于熱經(jīng)濟學的概念，通過建立黑箱模型，分析了節(jié)能設計建筑的火用流過程，并針對本文案例實際情況，推出了建筑圍護結構火用成本的計算方法．對實例分析可得，從節(jié)能性方面比較，方案1更好，而從經(jīng)濟性方面比較，方案2更好，說明在建筑節(jié)能設計方案選擇時，要綜合考慮節(jié)能性和經(jīng)濟性，才能達到最佳節(jié)能目標．較低的單位火用成本，意味著選用投資較少的節(jié)能改造方案，低品位能源使用量較大，得到了火用效率較高的制冷、熱量，建筑整體節(jié)能性和可持續(xù)性高．

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