冬冷夏热地区被动房经济适用性研究_沙萱.pdf

年第 期总第 期福 建 建 筑 冬冷夏热地区被动房经济适用性研究沙 萱 赵 琪 翁欣恬 贾世琦 金义李 赖仕航（东南大学成贤学院 江苏南京）摘 要：研究冬冷夏热地区被动房经济性，对推动低碳绿色建筑的发展具有现实意义。以近零能耗建筑相关技术导则和技术标准为依据，对具体建筑进行节能改造，采用改进层次分析法及正交试验，分析冬冷夏热地区被动房改造方案的增量成本和效益。结果显示，最佳节能方案并不一定是各技术参数都取最优值。可为被动房的多参数综合优化设计提供参考，对国内建筑领域低碳化建设研究，实现碳中和目标提供一定帮助。关键词：被动房；改进层次分析法；经济适用性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，（），：；基金项目：江苏省高校哲学社会科学研究项目：数字造价变革下高水平地方应用型本科造价人才培养再建设（课题编号：）；江苏省现代教育技术研究课题：现代信息技术与应用型本科工程造价专业课程整合的实践探索（课题编号：）；东南大学成贤学院线上线下混合式一流课程建设项目：工程技术经济（课题编号：）；东南大学成贤学院大学生实践创新训练项目：基于层次分析和价值工程的被动房经济适用性评价（课题编号：）。作者简介：沙萱（），女。：收稿日期：引言被动房的概念于 世纪 年代在德国提出，即不用主动的采暖和空调系统，就可以维持舒适室内热环境的建筑。通过建筑本身收集储蓄能量，使其与周围环境形成自循环的系统，与传统高耗能建筑相比，可以有效降低能源消耗。除国外通过被动式技术探索建筑节能外，我国国内亦将其作为推进建筑业高质量发展的手段。目前，已有一些适应中国气候条件的被动房建设方案被提出和实施。如，秦皇岛“在水一方”这类民用住宅，大连生态科技创新城这类办公建筑，山东建筑大学教学实验综合楼这类装配式建筑，黄山天琴被动房项目这类粉墙黛瓦的徽派建筑等。自从政府工作报告 中写入“碳达峰、碳中和”，双碳目标已成为我国一项重要的国家战略。同时，绿色建造亦为国内建筑业转型升级时期的重要工作，多省已出台促进被动式超低能耗建筑的技术标准和鼓励政策。被动式建筑根据不同气候环境，因地制宜采取不同有效措施，充分利用再生资源，最大限度减少建筑能耗需求，同时提高居住舒适性，使建筑利益最大化。被动式建筑可以在不改变原建筑结构前提下，仅在关键节点上进行被动式设计实现，进而运用于已建建筑的改造，减少重建造成的资源浪费。被动式建筑除应重视设计本身，充分发挥自身优势，也要统筹考虑项目的社会效益、环境效益和经济效益等方面的评价，助力双碳目标的实现和建筑业绿色低碳发展。尤其在夏热冬冷地区，全年高湿，福 建 建 筑 年且由于历史原因和追求低造价，建筑围护结构热工性能不理想，采暖、空调消耗能源多，城市电网负荷高，冬季热舒适性差，这类地域建筑节能升级改造挑战性更大。而目前国内相关的被动房改造效益评价研究较缺乏，已有的研究主要针对寒冷地区示范项目，且未基于公开运行数据。运用被动式技术对建筑进行改造带来增量效益的同时，会产生增量成本，该增量成本会随改造方案的不同组合而变化，故多参数综合优化设计十分必要。增量成本效益评价可以帮助投资方进行决策，对推动低碳绿色建筑的发展具有现实意义。鉴于此，在充分借鉴既有研究的基础上，对某 层住宅建筑的被动式技术改造方案进行效益评价。被动房改造方案效益评价过程为对被动房改造方案效益进行评价，采取的主要研究步骤如图 所示。效益评价指标体系的建立为更全面地评价被动房改造方案效益，首先基于三重底线理论，通过文献梳理，建立了如图 所示的效益评价指标体系，以便于后期定性定量，有机结合地分析被动房的增量成本和增量效益。图 被动房改造方案经济性评价过程示意图图 被动房改造方案效益评价指标体系 改进层次分析用专家评判法，对上述体系中二级指标、三级因子分别进行两两比较打分后，采用改进的层次分析法确立指标权重。该方法改进之处，在于通过求解拟满足一致性，要求的拟优一致传递矩阵特征向量得到二级指标因素对一级指标因素的相对权重，从而不需再对初始判断矩阵进行一致性检验，节约时间。指标判断矩阵构造采用（，）标度法，先确定目标层 对指标层 的相对权重，再确定指标层 对因子层 的相对权重，。最后，得到指标层 对目标层 的组合权重。根据层次分析结果按权重排序，得到因子层 中最显著的几个效益。正交试验用正交试验方法，设计被动式技术改造组合方案，建立（）正交表来安排试验。表示试验所设定影响因素的个数亦为表列数，表示试验所设定影响因素的水平情况数，表示正交试验的次数亦为表行数。正交试验的优点是从 个水平组合中挑选出有代表性的部分水平组合，相较于完整试验减少了实验数量。利用正交性，任一列中各水平都出现且出现的次数相等，任两列间所有水平组合出现次数相等，使得任一因素各水平的试验条件相同。根据江苏省超低能耗居住建筑技术导则，冬冷夏热地区被动房节能改造的关键节能技术，主要包括透明围护结构和非透明围护结构节能改造、设 年 期 总第 期沙 萱，赵 琪，翁欣恬，等冬冷夏热地区被动房经济适用性研究 置外遮阳设施、新风热交换系统节能改造和气密性优化，相应地设定外墙传热系数、外窗传热系数，考虑了活动外遮阳的外窗遮阳系数、全热交换效率和换气次数 为影响因素，各因素取 种水平，具体参数依据导则中的被动式设计技术限值设定。试验因素水平如表 所示，表中各因素的水平参数，从 至 由差向好变化。试验在不考虑各影响因素间交互作用的前提下，对被动房技术改造各因素参数排列组合进行能耗分析，比对不同组合方案节能改造的能耗效果。表 节能改造方案试验因素水平表试验因素水平节能改造方案试验因素外窗遮阳系数全热交换效率外墙传热系数（）换气次数（次）外窗传热系数（）增量成本和效益将普通节能房改造为被动房会产生增量成本，这些成本主要用于技术改造。如采用更优质的隔热材料，可再生能源系统安装调试测评等方面，但被动房同时节省了供热供冷等设备等方面的成本。对此，将被动房使用过程中节水、节能方面可量化的增量成本和增量效益，按表 计算出并进行分析。表 可量化测算指标对应增量成本和增量效益及计算方法可量化测算指标增量成本增量效益节水仅考虑中水回收系统造价，可参照建设工程造价指标指数分类与测算标准和市场询价节约水费 中水 利 用 量水价节能仅考虑隔热保温围护结构、新风热回收系统、分户式太阳能集热热水系统、空气源热泵系统安装调试测评费，可参照既有研究和市场询价节约电费 节电量 电价 案例研究用 软件建立 层凹凸一字形居住建筑模型，建筑面积 ，体形系数为 ，窗墙面积比 ，将该建筑参照夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准按 节能建筑限值进行设计以作参照，具体设置见表。空调系统制冷季设为 月下旬至 月下旬，供暖季设为 月下旬至 月上旬。层次分析结果按 节改进层次分析法确定的目标层，权重列于表。将权重从大到小排序，排在前三的分别是节能效益、缓解能源危机 和相关产业发展。表 被动房效益评价指标权重指标层 权重 因子层 权重 组合权重 社会效益建筑品质提升度节能环保意识相关产业发展工作效率提升住户满意度经济效益节水效益节材效益节能效益节地效益投资方满意度环境效益室内采光室内温湿度噪音控制缓解能源危机减排环保 正交试验结果分析层次分析结果显示，所有效益中，节能效益最为显著，要提高节能效益，需利用被动式技术进行节能改造，主要手段为采用高性能保温隔热围护结构、高效新风热回收系统、提高采光照明和优化门窗气密性设计。故在正交试验中，相应选取外墙传热系数、外窗传热系数、外窗遮阳系数、全热交换效率和换气次数 这 个影响因素，每个影响因素的水平情况数取，具体参数值见 节表。使用 对基准模型和各个试验进行建筑总能耗模拟分析，基准模型总能耗为 ，正交试验方案及对应总能耗列入表，建筑总能耗等于空调、供暖、照明与室内设备能耗之和。福 建 建 筑 年表 节能改造方案建筑总能耗（）正交试验结果试验号外窗遮阳系数全热交换效率外墙传热系数（）换气次数（次）外窗传热系数（）总能耗（）为清楚五种因素对总能耗的影响程度，对正交实验结果进行分析，并将分析结果列于表。首先设同一影响因素下，同一水平的各次试验结果之和为，将 求平均，记为，即：总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）总能耗（试验）表 总能耗正交试验结果分析指标外窗遮阳系数全热交换效率外墙传热系数（）换气次数（次）外窗传热系数（）接着，用极差法判断影响因素的主次。各因素极差值 （）（），越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大。由表 可见，总能耗影响因素的主次顺序是：外窗遮阳系数 全热交换效率 外窗传热系数 换气次数 外墙传热系数。然后，把正交试验中每个因素下，最小的水平分别选出（表 中标号），组合在一起，即构成理论最优组合方案，即：外窗遮阳系数、全热交换效率、外墙传热系数 （）、换气次数.、外窗传热系数（）。结果显示，最佳节能方案并不一定是各技术参数都取最优值（可与表 对照）。效益评价根据上节分析结论中的最优参数，通过查询资料和市场询价，进行高性价比的外墙、外保温、外窗、外遮阳、新风热交换系统、空气源热泵系统选型，最优组合方案和参照基准模型设置进行比对，如表 所示。表 最优组合方案和参照基准模型设置对照表参照基准模型理论最优节能改造建筑模型制热和制冷分体空调空气源热泵系统外窗塑钢窗 遮阳系数：传热系数：（）系列内平开塑料窗，玻璃配置 ，卷帘外遮阳遮阳系数 传热系数 （）外墙 厚水泥砂浆 厚加气混凝土砌块 厚水泥砂浆传热系数：（）参照基准模型上加铺 厚 挤塑板传热系数：（）气密性换气次数 次 换气次数 次 节水无中水回用系统新风热回收无全热交换效率 年 期 总第 期沙 萱，赵 琪，翁欣恬，等冬冷夏热地区被动房经济适用性研究 在此基础上，按 节方法，计算了增量成本和增量效益，具体结果见表。计算时，单栋住宅建筑物的各类生活用水量参考建筑中水设计标准等资料，只考虑沐浴、盥洗作为中水水源，水价参考 年南京市水价，中水单方工程造价指标按建设工程造价指标指数分类与测算标准进行测算，电价参考 年南京市电价。从表 中可见，夏热冬冷气候区，增量成本显著的技术措施排序为：太阳能集热热水系统、空气源热泵系统、新风系统热回收系统、节能外窗加卷帘遮阳、气密性施工费、节水、外墙保温。表 增量成本和增量效益比照表单位面积增量成本单位面积增量效益备注节水 元 （）元 中水单方工程造价指标 万元；户，一户 人，沐浴、盥洗水量（人），损失率，中水原水量扩大率，按合表水价 元 简化计算节能外墙保温：元 新风热回收系统：元 太阳能集热热水系统：元 外窗加卷帘遮阳：元 无热桥、气密性施工费：元 空气源热泵系统：元（元 外墙面积 ，挤塑聚苯乙烯板价格为 元；电价按 元 度计算；直接给出的单方量成本来自询价和比照既有研究；取实验 结果，理论最优组合方案不在试验范围，能耗更低；为电力的一次能源换算系数 值得注意的是，被动式改造带来不小的难以量化效益。环境效益方面，节能技术的运用减少了建筑运行阶段碳排放，也即减少了大气污染物的处理费用，其中 减排量可用总能耗减少量折算标煤，再根据建筑碳排放计算标准标煤排放二氧化碳因子进行计算。社会效益方面，实践监测数据证明，被动式建筑对室内环境起到很大改善作用，居住舒适度的提高，使住户健康状况提高，精神情绪状态好，提高工作效率，促进生产总值。无论是运用被动式技术对既有建筑进行节能改造，还是新建被动房，都可以极大带动绿色建筑产业链的发展，进一步打开我国节能建材市场，促进新建与改造项目的精细化施工。此类社会效益虽难以量化，但不可忽略。此外，为加快被动式建筑的推广，很多省份发布了财政补贴，政策补贴也可纳入建设近零能耗建筑的经济增量效益中。结语研究冬冷夏热地区被动房经济性，对推动低碳绿色建筑的发展具有现实意义。通过正交实验对达到被动房标准的不同水平技术参数进行组合，并针对具体建筑模型计算了各组合方案的能耗，发现达到被动房标准并不需要各技术参数都取最优值，为多参数综合优化设计提供参考。同时，采取改进层次分析法，可以简化指标权重的计算过程，在此基础上对被动房改造的增量成本和增量效益计算进行思考，为经济性分析提供参考。本研究还可以进一步建立全寿命周期内的增量成本效益模型，考虑资金时间价值，计算被动式建筑相较普通建筑或、节能建筑的差额投资回收期，差额内部收益率等经济指标，或将不同被动式技术全年节能效果和采暖期，制冷期节能效果进行比较。参 考 文 献 吕梦一，李怀，丁毅，等 严寒，寒冷和夏热冬冷地区建筑产能潜力及运行经济性分析 建筑节能（中英文），（）：陈梦源 被动房技术在天津地区农宅应用中的能耗与成本控制研究 天津：天津大学，蔡薇 基于全寿命周期视角的被动式建筑工程综合评价研究 保定：华北电力大学，祁永成，李小玲 基于货币化 模糊综合评判法的被动式建筑增量成本效益分析 建筑经济，（）：任静薇，刘鸣，高树峰，等 基于热舒适的寒冷地区既有住宅围护结构节能改造 城市建筑，（）：高彩凤，陈梦源，彭莉，等 近零能耗公共建筑技术经济性分析 建筑科学，（）：