引言

　　隨著我國城市建筑的不斷發(fā)展，我國居住建筑的數(shù)量不斷增加。我國的建筑總能耗約占全國總用能量的四分之一，而在這其中，全國居住建筑能耗在基本不供熱水的情況下消耗的能源量就占全國能源消耗總量的12．6％。每年城市建筑僅采暖一項消耗的能源量就占全國能源消費總量的11.5％，占采暖區(qū)全部社會能源消耗的20％以上。建筑能耗的激增換來的是能源的大量浪費，在采暖區(qū)建筑中，每年消耗標準煤1．3億噸；在非采暖區(qū)建筑中，每年消耗2600億度電。這對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不良影響，因此對既有居住建筑進行節(jié)能改造成為改革發(fā)展的迫切要求。近年來，多項節(jié)能改造技術(shù)在節(jié)能改造過程中都得到了廣泛的應(yīng)用并獲得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。但對于具體的節(jié)能改造項目，如何在眾多的節(jié)能改造措施中選擇出最適宜的組合改造方案，使得改造后的居住建筑既能達到預(yù)期的節(jié)能效果，又能獲得最好的經(jīng)濟效益，為了順利的開展大面積的節(jié)能改造，這一問題亟待解決。

　　1、既有居住建筑節(jié)能改造措施

　　1．1外墻改造措施分析

　　墻體節(jié)能改造首選外墻外保溫方式。根據(jù)保溫材料的不同，列舉如下幾種常用改造方法，見表1。

　　表1 外墻外保溫改造措施

　　1．2外窗節(jié)能改造措施

　　外窗是居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，具有透明和可開啟的特點，是建筑物熱交換、熱傳導最活躍、最敏感的部位。外窗不僅要具有良好的隔熱性能，還要滿足采光、通風的要求。目前常用的節(jié)能窗類型有：塑料窗、斷橋鋁合金窗、玻璃鋼窗、鋁木復合、鋁塑復合窗。外窗節(jié)能改造措施主要有以下兩方面。

　　1)將原有外窗直接更換為節(jié)能外窗

　　由于目前大多數(shù)居住建筑外窗材料的耐久性較差，因此，這些既有居住建筑的外窗已經(jīng)非常接近耐久使用年限，再加上外窗屬于獨立的建筑構(gòu)件，拆卸較為方便，且對建筑結(jié)構(gòu)主體不會產(chǎn)生另外附加的破壞，因此，直接將原有外窗更換為節(jié)能外窗是最為簡單、有效的方法。

　　更換外窗主要是更換窗戶的窗框材料和鑲嵌材料。鑲嵌材料主要是玻璃及其制品，目前市場上常用的鑲嵌材料為：浮法玻璃、吸熱玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、熱反射玻璃、低輻射鍍膜玻璃(Low—E玻璃)。常用的窗框用材主要有木材、型鋼、塑鋼型材和鋁合金型材，其中木質(zhì)窗框和鋼質(zhì)窗框由于極易變形，空氣滲透量較大，因此已逐步淘汰，節(jié)能門窗所采用的窗框材料主要有鋁合金和塑鋼兩種。

　　2)對原有外窗直接進行節(jié)能改造

　　在實際的改造項目中，有些外窗使用時間較短，而且為了減少改造成本，可以不必對所有外窗都進行更新，只在原有基礎(chǔ)上進行適當?shù)母脑煲部梢詽M足節(jié)能的要求。外窗直接改造主要從以下幾個方面進行：提高外窗的密閉性能；在原有外窗上貼膜；外側(cè)增加保溫窗扇。

　　1．3屋頂節(jié)能改造措施

　　根據(jù)國外相關(guān)文獻顯示，采暖居住建筑中圍護結(jié)構(gòu)損失的熱量占全部熱量的73％一77％，屋頂?shù)臒釗p失占圍護結(jié)構(gòu)熱量損失的7％一8％，也就是說整個屋頂?shù)臒釗p失約占全部建筑熱量損失的5％～6％。加強屋面保溫節(jié)能對建筑造價影響不大，但是節(jié)能效益卻很明顯。主要改造方式有如下幾種。

　　1)正置式節(jié)能改造(直接鋪設(shè)保溫層)

　　其做法是在原屋面上滿鋪一層保溫材料，在保溫層上再做保護層，并且要做防水涂層。所選用的保溫材料和做法與外墻類似，仍是以聚苯板、巖棉板、聚氨酯硬泡板為主。

　　引言

　　隨著我國城市建筑的不斷發(fā)展，我國居住建筑的數(shù)量不斷增加。我國的建筑總能耗約占全國總用能量的四分之一，而在這其中，全國居住建筑能耗在基本不供熱水的情況下消耗的能源量就占全國能源消耗總量的12．6％。每年城市建筑僅采暖一項消耗的能源量就占全國能源消費總量的11.5％，占采暖區(qū)全部社會能源消耗的20％以上。建筑能耗的激增換來的是能源的大量浪費，在采暖區(qū)建筑中，每年消耗標準煤1．3億噸；在非采暖區(qū)建筑中，每年消耗2600億度電。這對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不良影響，因此對既有居住建筑進行節(jié)能改造成為改革發(fā)展的迫切要求。近年來，多項節(jié)能改造技術(shù)在節(jié)能改造過程中都得到了廣泛的應(yīng)用并獲得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。但對于具體的節(jié)能改造項目，如何在眾多的節(jié)能改造措施中選擇出最適宜的組合改造方案，使得改造后的居住建筑既能達到預(yù)期的節(jié)能效果，又能獲得最好的經(jīng)濟效益，為了順利的開展大面積的節(jié)能改造，這一問題亟待解決。

　　1、既有居住建筑節(jié)能改造措施

　　1．1外墻改造措施分析

　　墻體節(jié)能改造首選外墻外保溫方式。根據(jù)保溫材料的不同，列舉如下幾種常用改造方法，見表1。

　　表1 外墻外保溫改造措施

　　1．2外窗節(jié)能改造措施

　　外窗是居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，具有透明和可開啟的特點，是建筑物熱交換、熱傳導最活躍、最敏感的部位。外窗不僅要具有良好的隔熱性能，還要滿足采光、通風的要求。目前常用的節(jié)能窗類型有：塑料窗、斷橋鋁合金窗、玻璃鋼窗、鋁木復合、鋁塑復合窗。外窗節(jié)能改造措施主要有以下兩方面。

　　1)將原有外窗直接更換為節(jié)能外窗

　　由于目前大多數(shù)居住建筑外窗材料的耐久性較差，因此，這些既有居住建筑的外窗已經(jīng)非常接近耐久使用年限，再加上外窗屬于獨立的建筑構(gòu)件，拆卸較為方便，且對建筑結(jié)構(gòu)主體不會產(chǎn)生另外附加的破壞，因此，直接將原有外窗更換為節(jié)能外窗是最為簡單、有效的方法。

　　更換外窗主要是更換窗戶的窗框材料和鑲嵌材料。鑲嵌材料主要是玻璃及其制品，目前市場上常用的鑲嵌材料為：浮法玻璃、吸熱玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、熱反射玻璃、低輻射鍍膜玻璃(Low—E玻璃)。常用的窗框用材主要有木材、型鋼、塑鋼型材和鋁合金型材，其中木質(zhì)窗框和鋼質(zhì)窗框由于極易變形，空氣滲透量較大，因此已逐步淘汰，節(jié)能門窗所采用的窗框材料主要有鋁合金和塑鋼兩種。

　　2)對原有外窗直接進行節(jié)能改造

　　在實際的改造項目中，有些外窗使用時間較短，而且為了減少改造成本，可以不必對所有外窗都進行更新，只在原有基礎(chǔ)上進行適當?shù)母脑煲部梢詽M足節(jié)能的要求。外窗直接改造主要從以下幾個方面進行：提高外窗的密閉性能；在原有外窗上貼膜；外側(cè)增加保溫窗扇。

　　1．3屋頂節(jié)能改造措施

　　根據(jù)國外相關(guān)文獻顯示，采暖居住建筑中圍護結(jié)構(gòu)損失的熱量占全部熱量的73％一77％，屋頂?shù)臒釗p失占圍護結(jié)構(gòu)熱量損失的7％一8％，也就是說整個屋頂?shù)臒釗p失約占全部建筑熱量損失的5％～6％。加強屋面保溫節(jié)能對建筑造價影響不大，但是節(jié)能效益卻很明顯。主要改造方式有如下幾種。

　　1)正置式節(jié)能改造(直接鋪設(shè)保溫層)

　　其做法是在原屋面上滿鋪一層保溫材料，在保溫層上再做保護層，并且要做防水涂層。所選用的保溫材料和做法與外墻類似，仍是以聚苯板、巖棉板、聚氨酯硬泡板為主。

　　2)倒置式屋面改造

　　所謂倒置式屋面就是將傳統(tǒng)屋面構(gòu)造中保溫隔熱層與防水層“顛倒”，即將保溫隔熱層設(shè)在防水層上面，故有“倒置”之稱。這種做法適用于上人屋面，經(jīng)久耐用，缺點是不便維修。

　　3)加設(shè)坡屋頂(平改坡)

　　將保溫性能較差的平屋頂改為坡屋頂或斜屋頂。坡屋頂既可以改善屋頂?shù)臒峁ば阅?，又有利于屋頂防水，是一種非常有效的屋頂節(jié)能改造措施。

　　2、既有居住建筑節(jié)能改造經(jīng)濟性評價指標

　　在優(yōu)選節(jié)能改造方案時，要考慮的因素不止是改造后的節(jié)能效果好壞，對改造項目的經(jīng)濟性評價也很重要。在市場經(jīng)濟背景下，經(jīng)濟因素是推動建筑節(jié)能發(fā)展的最大動力，也是影響建筑節(jié)能改造推廣的關(guān)鍵因素。為了能夠清楚地說明既有建筑節(jié)能改造的經(jīng)濟效益，需要對主要經(jīng)濟評價指標進行分析。經(jīng)濟評價指標主要有凈現(xiàn)值和投資回收期。

　　2．1 凈現(xiàn)值

　　凈現(xiàn)值是反映居住建筑在生命周期內(nèi)節(jié)能收益能力的動態(tài)評價指標，其計算是依據(jù)節(jié)能改造措施實現(xiàn)后年實際節(jié)能收益額與后期費用差額，按選定的折現(xiàn)率，折現(xiàn)到評價期的現(xiàn)值，與節(jié)能改造投資求差額。凈現(xiàn)值是最直接反應(yīng)改造項目盈利能力的指標，直觀的表現(xiàn)出在項目計算期內(nèi)的盈利總額，所以凈現(xiàn)值是既有居住建筑節(jié)能改造項目最主要的經(jīng)濟指標。計算公式為：

　　式中g(shù)——改造項目每年的收益；

　　i——折現(xiàn)率；

　　p——節(jié)能改造的初始投資；

 　　T——建筑剩余壽命周期；

　　F——最終的凈現(xiàn)值。

　　2．2投資回收期

　　項目投資回收期是指以項目的凈收益回收項目投資所用的時間，一般以年為單位。項目的投資回收期短，說明項目投資回收快，抗風險能力高。盡快回收投資、減少投資成本是投資者極為關(guān)注的問題，回收期與凈現(xiàn)值一起使用，可以幫助投資者做出合理的投資決策。

　　通過凈現(xiàn)值為零的公式可以推出動態(tài)回收期Pt計算公式為：

　　3、既有居住建筑節(jié)能改造方案優(yōu)選方法

　　通過上面的分析知道，對于節(jié)能改造項目最關(guān)心的有兩點，即改造實現(xiàn)后建筑的能耗水平和改造項目的經(jīng)濟收益。改造后的能耗水平只要達到國家現(xiàn)行節(jié)能標準要求即可，而經(jīng)濟效益要盡可能的最大化。所以優(yōu)選節(jié)能改造方案的原則為：在保證居住建筑改造后的節(jié)能效果達到國家相關(guān)標準要求的前提下，選取經(jīng)濟效益最好的節(jié)能改造方案。

　　3．1 方案優(yōu)選方法思路

　　1)節(jié)能改造方案初選。既有居住建筑單體各個部分(外墻、外窗、屋頂?shù)?均存在多種改造方法，每個部分不同的改造方法可以進行不同的組合，這就造成既有居住建筑存在很多種改造方案。因此，在進行改造方案優(yōu)選之前，有必要根據(jù)建筑物的具體狀況對改造方案進行必要的篩選，將備選方案中不適宜采取的技術(shù)方案去除，縮小備選方案集合。

　　2)節(jié)能改造方案描述。這一步是對上一步選定的所有可能用到的改造方案進行詳細的描述，包括：建筑構(gòu)件、節(jié)能改造措施、工程量、造價等4個方面。

　　3)建筑能耗成本與節(jié)能效益的確定。即確定某一節(jié)能改造方案的經(jīng)濟效益，主要包括3個因素：建筑能耗量、能源價格以及用能成本。

　　4)分析優(yōu)選。優(yōu)選方法最重要的部分就是確定分析和優(yōu)選節(jié)能改造方案的方法，包括確定目標函數(shù)和約束條件。

　　3．2優(yōu)選方法基本假設(shè)

　　考慮到方法運用時的可操作性以及方法的復雜程度，本優(yōu)選方法采用以下幾點基本假定：

　　1)進行節(jié)能改造的居住建筑原有結(jié)構(gòu)完全可以承受節(jié)能改造所增加的重量，而不會影響結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性和承載力。

　　2)在改造建筑的整個壽命周期中，資金、能源價格等因素的變化是逐時的，為簡化分析過程，將計算所用時間定為年。

　　3)本方法只考慮折現(xiàn)率、能源價格變化率兩個不確定因素，其他不確定因素不予考慮。

　　3．3 目標函數(shù)

　　選取凈現(xiàn)值為本優(yōu)選方法的目標函數(shù)，在相關(guān)約束條件下選取。計算如下。

　　1)居住建筑節(jié)能改造措施成本幾表示編號為5的節(jié)能改造設(shè)計方案的總成本；對于第n個構(gòu)件(共N個構(gòu)件需要改造)的第j；種節(jié)能改造措施，用Mnj表示；Fnj表示實行Mnj的節(jié)能改造措施成本。具體計算公式如下：

　　其中：

　　Pnj代表第幾個構(gòu)件第J種節(jié)能改造措施的改造單價；Qnj代表第j個構(gòu)件的第，種節(jié)能改造措施的工程量。

　　2)節(jié)能改造所帶來的經(jīng)濟收益在第t年節(jié)能改造所帶來的經(jīng)濟效益是通過比較既有住宅建筑改造前的能耗與實施改造方案后的能耗來確定的。

　　As，t表示既有居住建筑進行第s種節(jié)能改造方案之后第t年的節(jié)能改造收益，可以通過以下計算得到：

　　其中Le/LH表示未進行改造的既有居住建筑在實際運行模式下的年冷／熱負荷量；Len，j/LHn，j表示既有居住建筑第n個構(gòu)件采用第j種節(jié)能改造措施實現(xiàn)后的年冷／熱負荷量；PCt／PHt表示第t年的實際制冷／取暖能源單價，計算公式如下：

　　其中：ηc／ηH表示冷／熱能源價格變化率；Pc／PH表示標準年的制冷／取暖能源單價，即零時間點的能源價格。

　　3)凈現(xiàn)值

　　通過將每年的節(jié)能收益折現(xiàn)到零點得到總的節(jié)能收益，即凈現(xiàn)值，Cs表示居住建筑進行第S種改造方案之后的凈現(xiàn)值，具體計算公式如下：

　　3．4約束條件

　　1)根據(jù)現(xiàn)行居住建筑節(jié)能設(shè)計標準的要求，判斷改造實現(xiàn)后的建筑是否達到節(jié)能標準，不是看改造實現(xiàn)后相比原建筑的節(jié)能率，而是要求改造后建筑物的能耗量必須小于參照建筑(與原建筑相對應(yīng)，滿足標準節(jié)能要求的假想建筑)的能耗量。改造后建筑的耗熱量和耗冷量都應(yīng)小于參照建筑，在具體比較時，應(yīng)該綜合比較，總節(jié)能率要大于參照建筑節(jié)能率。比較公式為：

　　其中：RH表示參照建筑的年熱負荷量；RC表示參照建筑的年冷負荷量。

　　2)JGJ 26_5《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定，節(jié)能建筑的投資回收期不應(yīng)超過10年。回收期也是反映經(jīng)濟效益的重要輔助指標。具體公式如下：

　　其中，回收期公式是通過計算凈現(xiàn)值為零時的式子得出的，因回收期的定義就是以項目的凈收益回收項目投資所用的時間，即凈現(xiàn)值為零時的年限就是投資回收期的值。

　　3．5優(yōu)選方法實現(xiàn)手段

　　1)居住建筑的能耗量模擬計算采用Ecotect進行。先模擬計算原建筑的能耗量，作為基準模型，然后利用變參數(shù)法，即針對外墻、屋頂、外窗等圍護結(jié)構(gòu)，在保持其他圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下改變其中一種，而后分別根據(jù)制定的節(jié)能方案改變基準模型，得出改變后的能耗模擬數(shù)據(jù)，并與基準模型的能耗情況進行對比分析。在基準模型的基礎(chǔ)上按標準修改為參照建筑模型，并計算參照建筑能耗量。

　　2)本文采用LINGO優(yōu)化軟件建模進行計算。將優(yōu)選方法中的參數(shù)、目標函數(shù)和約束條件編成程序進行計算，將計算所用參數(shù)值(能耗量、改造措施單價等)寫入EXCEL表格，通過接口函數(shù)讀人LIN—GO。最終通過結(jié)果報告得出最優(yōu)結(jié)果，確定最優(yōu)改造方案。

　　4、應(yīng)用實例分析

　　建筑為天津市紅塔寺大道平房改造10號居民樓。該住宅樓南北朝向，磚混結(jié)構(gòu)，共6層，層高2．7 m，共兩個單元，左側(cè)單元一梯四戶，右側(cè)單元一梯三戶。外墻總面積992 m2，外窗總面積270 m2，總居住面積2186 m2。

　　4．1 節(jié)能改造措施初選

　　外墻、外窗和屋頂可用的改造措施及單價見表2—4。改造措施單價均通過實地調(diào)查天津地區(qū)建材市場，對不同廠家價格進行分析比較，得出代表平均水平的價格。

　　表2外墻改造措施

　　表2外窗改造措施

　　表4屋頂改造措施

　　4．2計算參數(shù)確定

　　1)項目壽命周期。該居住建筑的設(shè)計使用年限是50年，且該建筑始建于1993年，所以其剩余壽命周期為30年。

　　2)經(jīng)濟參數(shù)。標準煤價格取天津地區(qū)平均價格800形噸，電價取0．6 ft．／kWh。本項目折現(xiàn)率應(yīng)取天津地區(qū)家庭年平均投資收益率。因居民投資多為銀行存款，故折現(xiàn)率取5年以上定期存款利率，為5．5％。在目前全球能源緊張的背景下，能源價格上漲是必然的趨勢，并且隨著經(jīng)濟增長和通貨膨脹狀況而不斷變化。綜合我國的經(jīng)濟和通貨膨脹狀況，能源價格上漲率大約可控制在6％以內(nèi)一1。

　　4．3優(yōu)選計算

　　1)能耗量及單項改造措施收益計算。將通過ECOTECT計算的能耗數(shù)據(jù)和單項改造措施的折算收益計算列表，見表5。

　　表5各改造措施能耗及經(jīng)濟收益計算結(jié)果

　　2)優(yōu)選計算。將第一步計算結(jié)果錄入EXCEL表格“E：＼優(yōu)選．)【ls”中，利用LINGO軟件編寫程序如下：

　　sets：

　　waiqiang／1．．4／：x，px，qx；(x指外墻節(jié)能率，px外墻改造投資，q)【外墻改造收益)waiehuang／1．．3／：y，PY，qY；(Y指外窗節(jié)能率，py外窗改造投資，qy外窗改造收益)wuding／1．．3／：z，pz，qz；(z指屋頂節(jié)能率，pz屋頂改造投資，qz屋頂改造收益)

　　link(waiqiang，waichuang，wuding)：zuiyou，p，q；endsets

　　data：x，Y，z，px，qx，PY，qY，pz，qz=@ole(’E：＼優(yōu)選．】【ls，)．(從EXCEL表格中將數(shù)據(jù)讀人程序中)enddata

　　@for(1ink(i，j，k)：P(i，j，k)=px(i)+py(j)+pz(k))；(總改造投資計算)

　　@for(1ink(i，j，k)：q(i，j，k)=qx(i)+qy(j)+qz(k))；(未考慮資金時間價值的改造收益計算)

　　@for(1ink(i，j，k)：zuiyou(i，j，k)=(1．06木(1．06‘29—1)／o．06)水q(i，j，k)木@fp．(0．055，29)一P(i，j，k))；(最優(yōu)解)max=@max(1ink(i，j，k)：(1．06木(1．06“29—1)／0．06)水q(i，j，k)木@fpa(O．055，29)一P(i，j，k))；(目標函數(shù))

　　@for(1ink(i，j，k)：x(i)+y(j)+z(k)>=0．25；)；(節(jié)能率約束條件，參照建筑節(jié)能率25％)

　　@for(1ink(j，j，k)：@log(q(i，j，k)／(q(i，j，k)一0．055木P(i，j，k)))／@log(1．055)<=10；)；(回收期約束)

　　運行結(jié)果：

　　Global optimal solution found．

　　Objective value：0．6675589E+08

　　Total solver iterations：0

　　從結(jié)果中可以看出，經(jīng)計算得出全局最優(yōu)解，即剩余壽命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值為667．56萬。在最優(yōu)解結(jié)果中，通過查找功能可以找到，ZUIYOU(1，3，3)=0．6675589E+08，即外墻、外窗和屋頂分別選擇第1種、第3種和第3種改造措施時，既能滿足節(jié)能要求，又能在相關(guān)約束條件下獲得最好的經(jīng)濟收益。

　　5、結(jié)語

　　本文分析了既有居住建筑節(jié)能改造常用的改造措施，并運用技術(shù)經(jīng)濟學原理提出用于評價節(jié)能改造項目經(jīng)濟性的評價指標。在此基礎(chǔ)上，提出既有居住建筑節(jié)能改造的方案優(yōu)選方法，明確了基本假定、目標函數(shù)以及約束條件。優(yōu)選節(jié)能改造方案的原則為：在保證居住建筑改造后的節(jié)能效果達到現(xiàn)行國家相關(guān)標準要求的前提下，選取經(jīng)濟效益最好的節(jié)能改造方案。在優(yōu)選分析過程中重點關(guān)注改造實現(xiàn)后建筑使用時的能耗量及剩余壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟收益。