摘要：本文通过Dest软件对寒冷地区农村建筑的能耗进行模拟及分析，并建立P1-P2经济分析模型，确定了方案5为围护结构节能改造最优方案。
关键词：围护结构，经济分析模型，全生命周期费用，净现值
Study on optimizing thermal performance and analyzing economy of building envelope in cold area
Wu Xiaofang Zhu Chunying Bai Ligai Ding Ding
（Construction Engineering Institute，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang065000，China）
Abstract：In this paper，the energy consumption of rural building in cold regions was simulated and analyzed by Dest software.At the same time，p1-p2 economic analysis model is established to determine plan 5 as the optimal plan for energy-saving renovation of envelope structure.
Key words：Dest，economic analysis model，envelope structure
0 引言
经济的快速发展导致建筑能耗的比例不断增加，预计到2020年，总的建筑能耗要增长到的社会总能耗的35%，而建筑能耗中50%以上源于暖通空调能耗。在有供暖需求的北方农村，大部分建造年代久远，如何在改造资金有限的情况下提高建筑热工性能，降低采暖季能耗是我们亟待解决的问题。本文通过Dest软件，模拟了某农村建筑的能耗情况，并结合现有围护结构改造技术，利用经济分析模型，得出适合该地区围护结构改造最优方案。
1 建筑模型及能耗现状
本建筑位于河北省某农村，属于寒冷地区。建筑层高4米，南北进深6米，东西长10米，建筑面积60平方米，其中东西各一间卧室，中间屋为会客厅，建筑平面图见图1。采暖方式为室内水平双管式散热器系统，原始热源为家用煤炉，后经政府“煤改气”改造，热源改为壁挂燃气炉。围护结构构造及热工性能如表1。
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利用Dest软件建立模型，分析可知此建筑供暖季建筑能耗为5694，折合天然气756m³（天然气的低位发热量取33.82MJ/Nm3，天然气燃烧及传输效率取0.8）。实地走访发现，该户整个采暖季天然气耗量在815m³，除去做饭消耗
40m³（根据居民用气习惯，正常2-3口之家厨房做饭每个月消耗天然气在10m³）
其余均为采暖消耗。软件模拟结果与实际天然气用量的相对误差为1.4%，在允许范围内，证明利用该模型进行模拟的结果有指导意义。同时可以发现，对于该建筑外围护结构的传热系数远远大于《严寒寒冷地区居住建筑节能设计标准》中对围护结构热工限值的规定。
2 围护结构改造现状及节能方案
2.1外墙热工性能改造方案
对外墙进行改造时通常有三种方法：外墙外保温、外墙内保温、外墙夹心保温。外保温是在建筑外墙外侧增加保温材料，具有可以有效减少建筑结构热桥，不影响室内空间等特点，比较适合建筑的改造；外墙内保温系统是在外墙内侧增加保温材料，操作方便，造价较低，但是在建筑热桥处理上容易出现问题，多用在我国夏热冬冷和夏热冬暖地区；外墙夹心保温是在外墙内、外侧之间增加保温材料，该方法墙体较厚，保温效果较好，但对于既有建筑的改造来说就显得工程过于复杂。
2.2外窗热工性能改造方案
一直以来，外窗都是围护结构热工性能的薄弱环节。一方面，窗玻璃的热阻较小，传热系数大，导致较大的外窗传热损失。另一方面，外窗与建筑主体的缝隙以及玻璃窗本身的缝隙在寒冷的冬天造成很大的冷风渗透耗热量。降低建筑窗墙比可以有效改善建筑外窗在冬季的能耗情况，但是对于既有建筑，由于窗墙比的改变会引起主体结构的改变，所以我们更多的改造方法是改变窗框材质及窗玻璃层数。
2.3屋面热工性能改造方案
目前农村屋面的形式多为平屋面和双坡屋面。对于屋面进行保温时，可以采用倒铺保温屋顶和设置保温掉顶两种方法。倒铺保温屋顶简化了保温构造，但是提高了对保温材料防水性的要求；吊顶保温是在吊顶上铺设保温材料，多用于坡屋面保温，考虑到此建筑的特点，我们采用吊顶保温的方式对其进行屋面的改造。综上所述，我们选用以下6种组合方式作为农村既有建筑节能改造的方案，如表2。
表2 围护结构节能改造方案
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3围护结构改造方案经济性分析
众所周知，围护结构热工性能越高，采暖季采暖能耗越低，但改造费用也会增加。所以，围护结构改造要考虑改造初投资和改造后建筑采暖运行费用两个方面的因素。
3.1改造方案初投资
改造的初投资包括改造材料费及人工费用。通过实地走访我们考察了当地聚苯乙烯保温板等材料的费用及人工价格，各改造方案的初投资如下表3。
表3 各改造方案的初投资
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由表可以看出，6种围护结构改造方案的初投资在12000-14000元左右，其中方案2的初投资最低，方案5的初投资最高。
3.2改造后采暖季运行费用
为了得到6种改造方案的运行费用，我们通过Dest软件建立模型，对六种方案在采暖季的运行费用进行模拟，采暖能耗结果见图2。为了更加直观的比较6种改造方案的运行费用，我们将模拟结果折合成天然气消耗量，结果见表4。
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通过表4可以看出，在对外围护结构进行改造后，采暖能耗均有不同程度的下降，其中方案5的天然气消耗量最低，相较于未进行改造时，天然气耗量下降了62.8%。
3.3改造方案经济性比较
我们确定最优的改造方案时，不能只考虑运行费用最低或者初投资最小，在这里我们采用美国学者的P1-P2模型对各个改造方案进行经济评价。该模型考虑了全生命周期内市场贴现率、能源价格增长率以及能源价格等因素，以全生命周期费用 （改造成本和改造后年运行费用现值之和）最小或者净现值 （单位建筑面积节省的采暖费用现值与投资费用现值之差）最大的方案为最优方案。各改造方案的经济性评价结果如表5：
表5 不同外围护结构经济评价结果
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由表5可以看出，在当前材料及人工费用情况下，方案5的全生命周期费用LCC最小、净现值 最大。综合考虑，当地天然气阶梯价格按照3元/m³，该户每年采暖可以节省费用1300元左右，这对缓解北方采暖季天然气用气紧张、减少家庭支出非常有意义。从全生命周期角度来看，方案5的静态回收期为11年，对于农村住宅建筑来说，使用年限一般在30-40年，回收时间较合理。
4 结论
本文针对寒冷地区农村建筑的外围护结构进行改造，可以得到以下结论：改善外围护结构的热工性能可以有效降低建筑在采暖季的建筑能耗，同时改造方案的确定应该通过合理的经济评价模型，考虑市场、能源、等多种因素，分析建筑在全生命周期内节能改造的经济性，以全生命周期费用最小或者净现值最大为最佳改造方案。
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基金项目：廊坊市科技局科研课题（2018013084），北华航天工业学院青年基金项目（KY-2018-33）
第一作者简介：吴小芳（1986-），女，讲师，硕士，河北霸州人，从事建筑节能方面的研究工作。
论文作者:吴小芳,朱春英,白力改,丁玎
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/2/24
标签：建筑论文; 方案论文; 结构论文; 采暖论文; 费用论文; 现值论文; 农村论文; 《基层建设》2019年第29期论文;