龔光彩等

摘要：以夏熱冬冷地區(qū)株洲市某辦公樓為研究對象，基于全生命周期理論與火用方法，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同節(jié)能設(shè)計方案能耗、

火用耗及CO2排放量進(jìn)行分析，并結(jié)合熱經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用成本分析模型來綜合評價節(jié)能設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性.結(jié)果表明：當(dāng)節(jié)能設(shè)計后建筑運(yùn)行階段節(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(dá)到真正意義上的節(jié)能.文中方案1，方案2中建筑運(yùn)行階段節(jié)約的能耗分別需要10年，11年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的能耗，CO2減排量分別需要4，5年才能抵消建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生CO2排放量.且建材生產(chǎn)階段的火用耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)能設(shè)計后運(yùn)行階段節(jié)火用量，火用成本的分析結(jié)果表明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，較多的使用低品位能源，得到了火用效率較高的制冷量、制熱量，建筑整體節(jié)能性和可持續(xù)性高.

關(guān)鍵詞：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱經(jīng)濟(jì)學(xué)；火用；節(jié)能設(shè)計

中圖分類號：TU111；TK123文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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(jì)中占的比例也越來越重，經(jīng)濟(jì)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(guān)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(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的.在建筑運(yùn)行能耗中，空調(diào)、采暖能耗約占50%～60%左右[3]，因此，改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)備制造、運(yùn)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(guān)活動的能耗[4].因此，建筑能耗的分析不能只考慮運(yùn)行階段，而要從生命周期的角度出發(fā)進(jìn)行考慮.

迄今為止，已有不少國內(nèi)外學(xué)者對建筑節(jié)能設(shè)計的評價、優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行了相關(guān)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(guān)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(yùn)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(shè)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(jié)合火用及火用經(jīng)濟(jì)學(xué)，建立火用成本模型，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能性和環(huán)境影響進(jìn)行評價.火用可反映出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)火用成本是將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性相結(jié)合而得到的新的節(jié)能效益評價指標(biāo)，為建筑節(jié)能設(shè)計評價提供了參考.

1建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)境影響評價

本文的評價對象為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，本文中僅考慮生命周期中的建材生產(chǎn)階段和建筑運(yùn)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(biāo)設(shè)定為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)需消耗大量的建材， 建材能耗可由下式計算[9]：

En=m×Enm.（1）

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(xué)者進(jìn)行了研究，不同的研究會有不同的結(jié)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(jié)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(xiàn)[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(dǎo)，部分建材質(zhì)量含能數(shù)據(jù)見表1.

1.1.2建筑運(yùn)行階段能耗

建筑運(yùn)行能耗主要包括空調(diào)、采暖、照明、炊事、熱水供應(yīng)及設(shè)備等的能耗.不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于不同的熱物性，建筑的冷熱負(fù)荷就不同，因此建筑物在運(yùn)行階段的能耗也有較大的差異.本文采用動態(tài)模擬軟件DestC對建筑運(yùn)行階段能耗進(jìn)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：

Exm=Enm×λm.（2）

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(dāng)量能質(zhì)系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)建材所耗費(fèi)各種能源所占能源總數(shù)的百分比.計算出建材當(dāng)量能質(zhì)系數(shù)[12]：

λm=λ1×x1+λ2×x2+…+λn×xn.（3）

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(fèi)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：

Ex=∑ni=1mi×Exmi.（4）

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(yùn)行階段火用分析

本文采用Dest軟件進(jìn)行動態(tài)模擬，可以分別得到全年空調(diào)季制冷運(yùn)行的耗冷量以及空調(diào)采暖季制熱運(yùn)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：

熱量火用：Exh=Qh×1-T0T；（5）

冷量火用：Exc=Qc×T0T-1.（6）

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.

1.3CO2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(biāo).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(yùn)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].

2建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)火用成本模型

2.1熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型

本文根據(jù)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)，將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)看作一個黑箱系統(tǒng)[15]，對黑箱的邊界火用流進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本

根據(jù)模型所示，把系統(tǒng)中的能量及費(fèi)用都看作火用流，基于經(jīng)濟(jì)平衡建立建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位火用成本的表達(dá)式：

火用成本和諸多因素有關(guān)，這些因素綜合反映出節(jié)能設(shè)計的經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jìn)行研究.該建筑建于2008年，設(shè)計使用年限為30年.總建筑面積約1 504.6 m2，共5層.原建筑的墻體為240 mm磚墻，內(nèi)表面抹灰加粉刷，外表面為水泥砂漿.辦公樓設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源為風(fēng)冷熱泵機(jī)組，COP為3.0，EER為2.6.原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表3；對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計后，其性能參數(shù)見表4.

由圖2和圖3可知，在生命周期內(nèi)，方案1建筑運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑運(yùn)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(fù)值，這是由于建材生產(chǎn)時能源的燃燒溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)環(huán)境溫度，因此在這個階段的火用耗較高，而建筑運(yùn)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).

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(jì)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(jié)論

本文根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)某辦公樓不同建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案的建材耗量，建筑運(yùn)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(jìn)行定量分析，并在此基礎(chǔ)上建立火用成本模型，對不同方案進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）該建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計后，方案1建筑運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dāng)節(jié)能設(shè)計后建筑運(yùn)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(dá)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(shè)計建筑.分析案例火用耗得到，建材生產(chǎn)階段的火用耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑運(yùn)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(dāng)以不同的指標(biāo)來篩選節(jié)能方案時，結(jié)果是不同的.而建筑節(jié)能設(shè)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(jì)學(xué)的概念，通過建立黑箱模型，分析了節(jié)能設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jì)性方面比較，方案2更好，說明在建筑節(jié)能設(shè)計方案選擇時，要綜合考慮節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，才能達(dá)到最佳節(jié)能目標(biāo).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.

參考文獻(xiàn)

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2013[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：4.

Tsinghua University Building Energy Efficiency Research Center. 2013 annual report on china building energy efficiency [M]. Beijing： China Architecture & Building Press，2013：4.（In Chinese）

[2]汪濤，方東平.建筑溫室氣體減排政策研究綜述[J]. 建筑科學(xué)，2012，28（8）：89-96.

WANG Tao， FANG Dongping. Review on researches of greenhouse gas emission reduction policies in building sector[J]. Building Science， 2012，28（8）：89-96.（In Chinese）

[3]GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：37.

GB 50189—2005Public building energy efficiency design standards [S].Beijing： China Architecture & Building Press， 2005：37.（In Chinese）

[4]李兆堅，江億.我國廣義建筑能耗狀況的分析與思考[J].建筑學(xué)報，2006，7：30-33.

LI Zhaojian， JIANG Yi. Pondering over the situation of domestic generalized building energy consumption[J]. Architectural Journal， 2006，7：30-33.（In Chinese）

[5]徐艷芳，于大文，王松平，等. 基于火用概念的可持續(xù)發(fā)展策略分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2003，30（5）：21-25.

XU Yanfang，YU Dawen，WANG Songping，et al. Analysis of strategies for sustainable development based on exergy concept[J]. Journal of North China Electric Power University， 2003，30（5）：21-25.（In Chinese）

[6]BRIBIA'N I Z， USO'N A A， SCARPELLINI S.Lifecycle assessment in buildings：stateoftheart and simplified LCA methodology as a complement for building certification[J].Building and Environment，2009，44（12）：25l0-2520.

[7]LIU Meng， LI Baizhan， YAO Runming. A generic model of exergy assessment for the environmental impact of building lifecycle[J]. Energy and Buildings， 2010， 42（9）：1482-1490.

[8]SCHLUETER A， THESSELING F. Building information model based energy/exergy performance assessment in early design stages[J]. Automation in Construction，2009，18（2）：153-163.

[9]龔光彩，龔思越，韓天鶴，等.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能源消耗火用分析評價[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，41（4）：101-106.

GONG Guangcai， GONG Siyue， HAN Tianhe，et al. Exergy assessment of the energy consumption of building envelope construction[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2014，41（4）：101-106.（In Chinese）

[10]楊倩苗. 建筑產(chǎn)品的全生命周期環(huán)境影響定量評價[D]. 天津：天津大學(xué)建筑學(xué)院，2009：52-59.

YANG Qianmiao. Quantificational life cycle assessment of environmental impact of construction production [D]， Tianjin： School of Architecture， Tianjin University， 2009：52-59.（In Chinese）

[11]日本可持續(xù)建筑協(xié)會. 建筑物綜合環(huán)境性能評價體系—綠色設(shè)計工具[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：259-260.

The Japan Sustainable Building Consortium. Comprehensive assessment system for building environmental efficiency [M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2005： 259-260. （In Chinese）

[12]江億，劉曉華，薛志峰.能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)評價指標(biāo)的研究[J].中國能源，2004，26（3）：27-31.

JIANG Yi， LIU Xiaohua， XUE Zhifeng. Study on ECC index of energy conversion system[J]. Energy of China， 2004，26（3）：27-31.（In Chinese）

[13]趙平，同繼鋒，馬眷榮.建筑材料環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)及評價體系的研究[J].中國建材科技，2004，6：1-7.

ZHAO Ping， TONG Jifeng， MA Juanrong. The research on the system of the building material environment load index and evaluate[J]. China Building Materials Science & Technology， 2004，6：1-7.（In Chinese）

[14]GONZALEZ M J，NAVARRO J G.Assessment of the decrease of CO2 emissions in the construction field through the selection of materials：practical case study of three houses of low environmental impact[J].Building and Environment，2006，41（7）：902-909.

[15]傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：169-180.

FU Qinsheng. Thermodynamic analysis of energy systems[M].Xi'an：Xi'an Jiaotong University Press， 2005：169-180.（In Chinese）

[16]董孟能，田學(xué)春，呂忠.墻體自保溫體系生命周期成本及經(jīng)濟(jì)效益分析[J].新型建筑材料，2010，37（9）：26-32.