劉靜樂，王恩茂

（1. 河西學院 土木工程學院，甘肅 張掖 734000，E-mail：1141791418@qq.com；2. 蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

既有公共建筑節(jié)能改造的全壽命周期費用研究

劉靜樂1，王恩茂2

（1. 河西學院 土木工程學院，甘肅 張掖 734000，E-mail：1141791418@qq.com；2. 蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

以既有公共建筑為研究對象，采用全壽命周期費用分析的方法，分析出所發(fā)生的四大費用：改造費用，使用費用，拆除費用和政府的補貼，以及詳細的費用構成，建立了節(jié)能改造的LCC估算模型。詳細介紹了既有公共建筑節(jié)能改造全壽命周期費用中節(jié)約費用的計算方法，并且引入碳排放權交易理論，運用碳交易價格確定出公共建筑節(jié)能改造后，每年可以節(jié)約的費用，不僅可以更好地衡量出節(jié)能改造的經(jīng)濟效果和減排效果，而且為我國進入國際碳交易市場打下基礎。

既有公共建筑；節(jié)能改造；全壽命周期費用；節(jié)約費用；碳排放權交易

在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，能源作為經(jīng)濟發(fā)展的物質基礎，其消耗量也在快速增加，其中，建筑行業(yè)能耗占社會總能耗的比重，已經(jīng)由1978年的10%上升為2012年的46.7%。截至2011年底，全國既有建筑面積超過400億m2，而且絕大多數(shù)既有建筑為高能耗建筑。根據(jù)調查和統(tǒng)計可知［1］，公共建筑每平方米的能耗指標遠遠高于居住建筑（如北京政府機構單位建筑面積年耗電量是住宅的4～8倍），具有很大的節(jié)能潛力。因此，對既有公共建筑實施節(jié)能改造是控制能源消耗總量的重要手段。

在對既有公共建筑進行節(jié)能改造時，面對眾多投入資金與節(jié)能效果均不同的方案，如何進行選擇是急需解決的問題。對于社會來說，更傾向于節(jié)能效果好的節(jié)能改造方案；而對于業(yè)主來說，比起節(jié)能效果，則更注重于節(jié)能改造的經(jīng)濟性，也就是說，在投入資金進行節(jié)能改造后，其節(jié)能效果在經(jīng)濟上是否與投入的資金相匹配，從而激發(fā)出業(yè)主進行節(jié)能改造的意愿。雖然我國對節(jié)能改造的項目進行了不同程度上的補貼，但業(yè)主是否能夠發(fā)揮出節(jié)能改造的主觀能動性仍然是節(jié)能改造項目實施的關鍵。因此，需要將節(jié)能改造所帶來的效益經(jīng)濟化，從而吸引更多的業(yè)主來進行節(jié)能改造，達到節(jié)能的最終目的。

自從20世紀60年代初，美國國防部首次提出全壽命周期費用［2］的概念以來，全壽命周期費用分析的方法被廣泛應用于各個領域，均取得了良好的效果。雖然國內(nèi)外學者對建筑全壽命周期費用的認識有所不同［3，4］，但其主要內(nèi)容可概括為：在考慮資金時間價值的前提條件下，建筑整個壽命周期內(nèi)所產(chǎn)生的所有費用。與建筑全壽命周期費用相比，既有建筑節(jié)能改造的全壽命周期費用就可以定義為：在考慮資金時間價值的前提條件下，既有建筑從決定進行節(jié)能改造開始，到改造部位壽命終止并拆除處理后，建筑產(chǎn)生的所有費用。從全壽命周期費用理論的角度來分析既有公共建筑節(jié)能改造項目，不僅考慮到了節(jié)能改造項目全壽命周期內(nèi)的所有費用，而且考慮了資金的時間價值，更科學地對節(jié)能改造所帶來的效益進行經(jīng)濟量化；當改造方案滿足項目其他目標并綜合考慮了其它因素時，節(jié)能改造全壽命周期費用的大小就是進行方案選擇的最佳依據(jù)。因此，在選擇改造方案時，可以根據(jù)建立的LCC估算模型，估算出既有公共建筑節(jié)能改造的全壽命周期費用，從而為決策提供依據(jù)。

1　節(jié)能改造的全壽命周期費用構成

既有公共建筑從決定進行節(jié)能改造開始，到改造部位壽命終止并拆除處理后，經(jīng)歷的全部時間為其節(jié)能改造的全壽命周期。因此，項目的壽命周期可以劃分為以下4個階段：一是啟動改造項目階段，這一階段需要業(yè)主對既有公共建筑的節(jié)能潛力進行分析，做出是否進行節(jié)能改造的決定。二是準備與改造階段，包括收集相關數(shù)據(jù)、節(jié)能診斷、節(jié)能方案的設計與施工等工作。三是使用階段，包括節(jié)能部位的維修與監(jiān)控等工作，監(jiān)控主要是檢測節(jié)能改造是否達到應有效果，以及及時監(jiān)測出能耗超常的部位，而維修是為了保持節(jié)能效果。四是拆除階段，包括對節(jié)能部位的拆除和處理拆除物等工作。

既有公共建筑節(jié)能改造的全壽命周期費用發(fā)生在改造項目壽命周期的4個階段，是改造項目各個階段費用的累積。在分析既有建筑節(jié)能改造的全壽命周期費用時，要采用“有無”方案對比的方法，把分析的重點放在與同等情況下沒有采取改造措施的建筑相比，進行改造的建筑在節(jié)能改造的壽命周期內(nèi)額外產(chǎn)生的費用。因此，在考慮資金時間價值的情況下，節(jié)能改造的全壽命周期費用可以依次確定為：改造費用、使用費用、拆除費用和政府的補貼。其中，改造費用由調查費用、設計費用和施工費用組成；使用費用可以分為維護費用和節(jié)約費用；拆除費用可以分為改造還原費用和殘值。

2　節(jié)能改造的全壽命周期費用估算模型

2.1模型假設

模型是對現(xiàn)實情況的抽象，現(xiàn)實情況是復雜并且時刻發(fā)生變化的，而模型則描述了一種相對理想化的狀態(tài)，所以本文模型是在以下有關假設的基礎上建立的。

（1）假設節(jié)能改造措施能夠100%發(fā)揮作用，達到其應有的效果。

（2）為了保證節(jié)能改造的實施不影響既有建筑的主要使用功能，假設既有建筑能夠承受節(jié)能改造施工時的相應荷載和所增加的材料質量，并且節(jié)能改造不會影響既有建筑的壽命周期。

（3）為了保證改造效果的充分發(fā)揮及投資的全部回收，假設需要進行節(jié)能改造的既有建筑，剩余使用壽命年限均大于節(jié)能改造的壽命周期。

（4）進行全壽命周期費用的研究時，資金、能源價格等因素的變化是逐時發(fā)生的，為了簡化分析，將模型中所有變化的時間間隔假設為年。

2.2現(xiàn)金流量圖

為了不影響公共建筑的正常使用，節(jié)能改造一般需要在盡可能短的時間內(nèi)完成，所以，可認為改造費用在項目初始時刻一次性投入。維護費用每年都會發(fā)生，但是大小卻是變化的。一般來說，使用時間越長，每年所需要的維護費用就越高，本文暫定維護費用每年保持不變。節(jié)約費用指在進行節(jié)能改造后，對比節(jié)能改造前后項目的經(jīng)濟效益，既有建筑在使用階段，由于減少了能源消耗而減少支出的那部分費用，在實際建筑使用過程中并沒有真正的現(xiàn)金流入，改造還原項目與殘值都是在節(jié)能改造項目壽命期結束時發(fā)生的。在繪制現(xiàn)金流量圖時，僅從節(jié)能改造初始投資的時間點開始，并且只對比考慮節(jié)能改造前后發(fā)生變化的部分費用，其共同發(fā)生的費用在此不再討論。因此，既有公共建筑未進行節(jié)能改造時的現(xiàn)金流量圖如圖1所示。

圖1　既有公共建筑節(jié)能改造前的現(xiàn)金流量圖

既有公共建筑采用第J種節(jié)能改造方案，進行改造后的現(xiàn)金流量圖如圖2所示。

圖2　既有公共建筑節(jié)能改造后的現(xiàn)金流量圖

與圖2等效，即本文中建立模型所使用的現(xiàn)金流量圖見圖3。

圖3　等效現(xiàn)金流量圖

2.3全壽命周期費用估算模型

根據(jù)以上分析，建立既有公共建筑節(jié)能改造LCC估算模型［2，9］：式中，LCCJ為第J種既有建筑節(jié)能改造方案的全壽命周期費用；i為貼現(xiàn)率；n為節(jié)能改造的壽命周期；CE為節(jié)能改造前每年的能耗費用；CJE為節(jié)能改造后每年的能耗費用；CJ0為節(jié)能改造費用的現(xiàn)值；CJM為節(jié)能改造后，每年額外增加的維護費用；CJS為節(jié)能改造后每年節(jié)約的費用；CJR為改造還原費用；CJL為殘值；SJ為政府補貼的現(xiàn)值。

王恩茂［2］、張爽［9］、David［10］指出，通常可以參考年實際利率來確定貼現(xiàn)率。

以上所有費用中，除節(jié)約費用外，其他費用的構成與一般建筑全壽命周期中產(chǎn)生的相關費用類似，其計算方法在此不做詳細說明。

3　節(jié)能改造的節(jié)約費用

建筑能耗種類很多，主要分為采暖空調能耗、電氣能耗、熱水供應能耗和炊事能耗，各部分能耗所占比例如表1所示。對于公共建筑來說，節(jié)能改造的目的就在于降低采暖空調和電氣的能耗。

表1　建筑各部分能耗所占比例

3.1采暖空調能耗分析

建筑的熱狀況直接決定采暖空調的能耗，而影響建筑熱狀況的因素有很多，當不考慮運行方式時，影響因素就可以分為外擾和內(nèi)擾兩大類［5］。

外擾的影響途徑有兩種：一是熱交換，主要通過建筑的外圍護結構對室內(nèi)進行熱交換或者由太陽通過透明圍護結構向室內(nèi)輻射熱；二是空氣交換，空調的通風系統(tǒng)向室內(nèi)外輸送空氣，開窗通風透氣，以及空氣通過門窗縫隙的滲透，都會直接影響著室內(nèi)的熱狀況。內(nèi)擾主要指室內(nèi)的各種設備和生活的人，以對流或者輻射的方式對室內(nèi)的熱狀況產(chǎn)生的影響。

根據(jù)能量守恒定理可以得知：在保證確定的溫度下，采暖時期建筑散失的熱量，就是建筑需要消耗能量來補充的那部分熱量；同理，制冷時期，建筑從外界獲得的熱量，就是建筑通過消耗能量來減少的熱量。進一步分析，可建立方程如下［6］：

式中。QH增表示每個采暖期建筑需要補充的熱量，QH散表示每個采暖期建筑所散失的熱量；QC減表示每個制冷期建筑需要減少的熱量，QC獲表示每個制冷期建筑所獲得的熱量。QH圍表示每個采暖期建筑通過圍護結構傳遞的熱量，QC圍表示每個制冷期建筑通過圍護結構傳遞的熱量；QH供表示由于供熱系統(tǒng)的低效，建筑散失的熱量；QC制表示由于空調系統(tǒng)的低效，建筑相應增加的熱量；Q太表示進行改造后，建筑減少的太陽輻射熱量；以上單位均為J。

3.1.1建筑通過圍護結構傳遞的熱量

在每個采暖期內(nèi)，通過建筑圍護結構的耗熱量為［6］：

在每個制冷期內(nèi)，通過建筑圍護結構的耗冷量為：

式中，F(xiàn)（t）指室外空氣的溫度，單位是℃；t1和t2分別為采暖期的起止時間，t3和t4分別為制冷期的起止時間，單位是h；Fmin是采暖期建筑內(nèi)所要求的平均最低溫度，F(xiàn)max是制冷期建筑內(nèi)所要求的平均最高溫度，單位是℃；A是圍護結構表面的面積，單位是m2；K是建筑圍護結構的平均傳熱系數(shù)，單位是w/（m2·℃）；DH為每年的采暖天數(shù)，DC為每年的制冷天數(shù)；S為建筑面積。

式（3）、式（4）可進一步簡化為：

式中，ΔF為室內(nèi)外平均溫度的差，單位是℃。

3.1.2由于供熱系統(tǒng)的低效而散失的熱量

供熱系統(tǒng)一般由三部分組成：熱源、熱網(wǎng)和熱用戶，所以節(jié)能改造工作一般也圍繞這三部分展開。假定供熱指標為IH（單位為w/m2），年供熱小時數(shù)為TH，則熱用戶處耗熱量為［7］：

若熱源的效率為η1，熱網(wǎng)的效率為η2，則供熱系統(tǒng)在入室之前所損失的熱量為：

3.1.3由于空調系統(tǒng)的低效而相應增加的熱量

研究表明［1］，如果將節(jié)能技術應用在空調系統(tǒng)上，空調系統(tǒng)完全有可能節(jié)能20%～50%。假定各類空調場所耗冷量指標為qi（單位為w/m2）；Si為各類空調場所的面積，則建筑總耗冷量為［7］：

若年制冷小時數(shù)為TC，則：

3.1.4由于改造而減少的太陽輻射熱量

若圍護結構的綜合遮陽系數(shù)為SC，通過圍護結構上洞口進入建筑的太陽能熱量為Q普，則［8］：

綜合上述討論，公共建筑節(jié)能改造后，在使用階段每年采暖空調能節(jié)約的熱量為：

3.2電氣能耗分析

這里所分析的電氣能耗，指的是除了空調能耗外，公共建筑的其他電氣能耗。假定用電設備的節(jié)能率為Ei，改造前設備的功率為fi，用電設備的年平均使用小時數(shù)為TEi，則節(jié)能改造后，公共建筑在使用階段，電氣能耗的節(jié)約量為：

3.3公共建筑節(jié)約費用的計算

為了在選擇節(jié)能改造方案時，盡可能地考慮到節(jié)能改造方案對環(huán)境的影響，可以選擇用碳交易價格來衡量節(jié)約費用。

3.3.1碳排放權交易理論

碳排放權交易屬于排放權交易理論中的一個分支，是在20世紀60年代發(fā)展起來的，其本質是一種市場化的減少溫室氣體排放的手段，交易模式和理論基礎均與排放權交易相同［11］。

碳排放權指賦予了二氧化碳商品的屬性，即可以進行市場交易。管理部門根據(jù)溫室氣體排放總量的限制，授予市場參與者一定量的碳排放權，則參與者擁有了二氧化碳產(chǎn)權，可以向大氣排放對應額度的二氧化碳。市場參與者排放二氧化碳的總量不能超過其對應的排放額度，否則需要另外購買碳排放權，而達不到排放額度限制的參與者可以出售其剩余排放權，這就是碳排放權交易。通過碳排放權交易，可以實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，并且有效地控制溫室氣體排放的總量。

截至2014年我國僅開放了7個碳排放權交易試點，交易情況如表2所示［12］。其中，碳交易量的單位為萬噸，碳交易價格的單位為元/噸。

表2　我國碳交易市場自開市之日起至2014年12月19日的交易情況

3.3.2節(jié)約費用的計算

通常能耗費用由相對應的能源單價乘以所消耗能源的數(shù)量得出，而本文用碳交易價格來衡量節(jié)約費用。

若?QHC為節(jié)能改造后在使用階段，每年采暖空調能節(jié)約的由第i種能源提供的熱量，?QEi為節(jié)能改造后在使用階段，每年電氣能節(jié)約的由第i種能源提供的熱量；QDWi為第i種能源的平均低位發(fā)熱量，ki為第i種能源的二氧化碳排放系數(shù)，如表3所示［13，14］；C碳為碳交易價格，如表2所示，則節(jié)約費用為：

4　全壽命期費用估算結果分析與建議

當LCC＞＞0時，即節(jié)能改造項目的現(xiàn)金流入遠遠小于現(xiàn)金流出，這種情況說明即有公共建筑的節(jié)能潛力不大，但是改造需投入資金偏大。因此，進行節(jié)能改造不是業(yè)主的第一選擇。面對這種情況，業(yè)主可以在評估建筑的整體狀況之后，根據(jù)建筑每年能耗費用是否過大、建筑剩余使用壽命是否不長等因素，決定是否將建筑推倒重建，或者僅僅采用一些簡單有效的節(jié)能措施來降低部分能耗。

當LCC＞0時，說明節(jié)能改造項目所帶來的經(jīng)濟效益不足以抵消改造所投入的資金，即從業(yè)主的角度來看，改造不能帶來實際的經(jīng)濟效益，所以，很少會選擇進行節(jié)能改造。因此，需要重新設計節(jié)能改造的方案，盡量選擇一些因地制宜、簡單方便的改造方案，如設計合理的外遮陽設施等，放棄先進但費用較高的改造方案，如更換費用較高的節(jié)能玻璃等。

當LCC=0時，雖然節(jié)能改造所支出的費用與改造能夠節(jié)約下來的費用相等，對業(yè)主而言改造的必要性不是很明顯，但是就節(jié)約資源、保護環(huán)境而言，改造對于整個社會具有積極的作用，所以，有必要進行節(jié)能改造。

當LCC＜0時，說明節(jié)能改造既可以為業(yè)主帶來經(jīng)濟效益，又能很好的節(jié)約資源、減輕大氣污染，達到了其應有的效果。當LCC越小時，證明改造方案的效果越理想。

表3　各種能源折標準煤及碳排放參考系數(shù)

5　結語

本文根據(jù)全壽命周期費用的理論，分析出了既有公共建筑節(jié)能改造全壽命周期內(nèi)所發(fā)生的全部費用，并對其節(jié)能改造的經(jīng)濟效果進行了量化估計，建立了對應的全壽命周期費用的估算模型。本文采用一種簡潔的方法，重點對既有公共建筑節(jié)能改造全壽命周期中發(fā)生的節(jié)約費用進行了量化，使建立的LCC估算模型可以更好地為實際項目的節(jié)能改造決策，提供依據(jù)。

［1］既有建筑改造年鑒編委會.既有建筑改造年鑒2010［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

［2］王恩茂.基于全壽命周期費用的節(jié)能住宅投資決策研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2008

［3］David G.Woodward.Life cycle costing——theory，information acquisition and application［J］.International Journal of Project Management，1997（6）：335-344.

［4］劉玉明.基于LCCA的既有居住建筑節(jié)能改造成本效益分析［J］.土木工程學報，2011，44（10）：118-123.

［5］彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程［M］.北京市：中國建筑工業(yè)出版社，1986：1-5.

［6］王焱.夏熱冬冷地區(qū)住宅節(jié)能優(yōu)化設計［D］.南京：東南大學，2003.

［7］朱春妃.北方采暖區(qū)既有居住建筑節(jié)能改造經(jīng)濟效益評價［D］.北京：北京交通大學，2010.

［8］李崢嶸，趙群，展磊.建筑遮陽與節(jié)能［M］. 北京市：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［9］張爽.基于全壽命經(jīng)濟的華北地區(qū)既有建筑綜合改造評價［D］.天津：天津大學，2010.

［10］David G.Woodward.Life cyclecosting——theory，information acquisition and application［J］.International Journal of Project Management，1997（6）：335-344.

［11］聶力.我國碳排放權交易博弈分析［D］.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學博士學位論文，2013.

［12］中國碳排放交易網(wǎng).http：//www.tanpaifang.com/.

［13］GB/T 2589-2008.綜合能耗計算通則.

［14］省級溫室氣體清單編制指南.（發(fā)改辦氣候［2011］1041號）.

Life-cycle Cost of Energy Efficiency Enhancement of Existing Building

LIU Jing-le1，WANG En-mao2
（1. School of Civil Engineering，Hexi University，Zhangye 734000，China，E-mail：1141791418@qq.com；2. Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

The article regards the existing public building as the research object. By the method of life-cycle cost analysis，it analyzes reforming cost，use cost，demolition cost and government subsidies of existing building correspondingly. Then a model is set up for estimating life-cycle cost. At last，it concludes that the owners have tendency to energy saving reforming when LCC≤0. The article introduces how to calculate saving cost and measures it by the method of carbon emissions trading in detail. It not only can measure the economic effect of energy saving and emission reduction better，but also lay the foundation for China to join the international carbon trading market.

existing public buildings；energy efficiency enhancement；life-cycle cost；saving cost；carbon emissions trading

TU201.5

A

1674-8859（2016）05-077-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.05.015

2016-07-01.

劉靜樂（1991-），女，助教，研究方向：土木工程經(jīng)濟，土木工程管理；

王恩茂（1968-），男，教授，研究方向：綠色建筑，工程造價管理，工程項目管理。