寒冷地区超低能耗建筑的经济性分析

寒冷地区超低能耗建筑的经济性分析

0与常规节能建筑的性能对比中国的能源危机日益严重，尤其是建筑能源消耗，这已成为制约中国发展的重要问题。据不完全统计,截至2004年,我国建筑总面积为389亿m2,总消耗占社会总能耗的25.5%,故进一步推进建筑节能,尤其是超低能耗建筑的建设是减少建筑能耗的必由之路。但是,目前在我国超低能耗建筑仅在清华大学等地建造,还处于试点阶段,尤其在寒冷地区,还没有建造超低能耗建筑的经验,主要原因是超低能耗建筑的初投资较大,对其经济性的定量分析很少,且没有应用实例参考。针对上述问题,本文首先将介绍寒冷地区超低能耗建筑与常规节能建筑各节能系统的性能对比指标;其次,结合某工程实例,提出寒冷地区超低能耗建筑的设计方案,考察其经济性,分析影响超低能耗建筑经济性的因素,提出促进其发展的建议。1比较低能耗建筑和传统节能建筑的性能指标1.1欧洲各国节能建筑的主要目标辽宁省现行的采暖设计是《居住建筑节能设计标准》(下简称“标准”)。据调查发现,欧洲各国都在建造比国内标准能耗低得多的低能耗建筑或零能耗建筑,其节能设计标准要高于国内节能65%的标准。表1是芬兰建筑节能设计标准中围护结构各部位的设计传热系数与“标准”中的相应数值的对比,各部位传热系数减少率为6.7%~50.0%。1.2供暖计量系统分室控制超低能耗建筑采暖系统将采用分室控制、分户计量的地板辐射采暖系统。系统中,每个房间单独均匀布置回路,各回路按照房间负荷需要确定,每个房间单独设置感应温度计,实现分室控制。每户设置供暖计量系统计量整户的供暖流量,便于采暖收费。区别于常规节能建筑中的散热器采暖系统和地板辐射采暖系统。1.3比较太阳能热水系统超低能耗建筑与常规太阳能热水系统主要区别是系统的保证率和舒适性不同,见表2。2建筑能耗的重要性在众多住宅建筑中,小高层建筑具有土地利用率高、施工容易、开发商收益好等优点,满足我国人口众多、土地价格偏高的国情要求,从而使小高层建筑占住宅建筑的比例较大,因此,减少小高层建筑的建筑能耗对建筑节能的意义十分重大。本文选取一栋小高层建筑作为工程实例进行超低能耗设计,并定量分析其经济性,实例说明其经济性的好坏和发展方向。2.1建筑总建造高度本超低能耗建筑位于辽宁省大连市沙河口区,已于2008年底完工。建筑总建筑面积为3612m2,高27.5m,共10层,地上8层,地下2层;地上8层为住宅,地下2层分别为活动室和车库。2.2采暖期内最大企业所需水量的确定本建筑围护结构保温设计按照欧洲节能标准设计,具体设计如下:外墙为200mm的混凝土墙,设计采用105mm厚的硬泡聚氨酯作为保温材料,外墙的传热系数为0.25W/(m2·K)。屋面采用225mm厚挤塑聚苯板保温,其传热系数为0.15W/(m2·K)。外窗(门)采用国内厂家自主研发的中空Low-E玻璃窗,传热系数为1.3W/(m2·k),门窗漏风系数为0.1m3/(m·h)。采暖系统采用超低能耗建筑采暖系统设计方案。热水系统采用集中-分散式太阳能热水系统,根据《建筑给排水设计规范》的要求,每户用水量指标为300升/(户·日)。按照《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》附录A计算出每户所需的集热器采光面积为5.36m2,可保证100%热水供应率,满足用户24小时不间断的热水需求。3低能耗建筑的节能分析和环境评价3.1建筑耗热量指标按照“标准”的附录H中表J.0.3寒冷地区建筑节能设计热工计算表规定的计算方法,计算建筑耗热量指标,计算得本建筑的建筑耗热量指标qH=7.13W/m2。根据“标准”附录D关于采暖耗煤量qc的计算公式,可推算出不同节能率的节能指标,列于表3。可见,当建筑耗热量指标低于8.2W/m2时,建筑可达到节能80%的指标。若利用“标准”设计本建筑,可得常规节能建筑的建筑耗热量指标qH=12.15W/m2,低于节能65%规定的14.5W/m2,满足“标准”要求。3.2分散剂用量计算超低能耗建筑的建筑物耗热量为7.13W/m2,低于大连地区节能80%的要求,即在节能65%的指标之上,再节能15%。建筑在整个采暖季总耗热量为81.0MWh,折合成饱和蒸汽量约为134.6吨(饱和蒸汽的热值按照2,166kJ/kg计算);而常规节能建筑的建筑物耗热量指标为12.15W/m2,采暖季总耗热量为138.0MWh,折合成饱和蒸汽量约为229.3吨。因此,超低能耗建筑在采暖方面年减少使用94.7吨蒸汽;按照0.142吨标准煤/吨蒸汽计算,超低能耗建筑年减少使用13.4吨标准煤;按照每吨标准煤产生2.2吨CO2,从而年减少29.6吨CO2气体排放。经计算该建筑的每户年太阳能热水系统产能量为5120.5kWh,全楼共81.9MWh,若此部分热量全部由电热水器完成,按火电厂平均每kWh供电煤耗370g标准煤计算,折合成燃煤量为30.3吨标准煤,即使用太阳能热水系统比常规的电加热制取热水每年较少使用30.3吨标准煤,从而年减少66.7吨CO2气体排放。4基于低能耗建筑的经济分析4.1初投资计算4.2采暖蒸汽能耗超低能耗建筑的采暖季总耗热量约为134.6吨饱和蒸汽,大连地区的蒸汽价格为150元/吨,因此,超低能耗建筑的采暖蒸汽费用约为20,186元。常规节能建筑的采暖季总耗热量约为229.3吨饱和蒸汽,因此,常规节能建筑的采暖蒸汽费约为34,399元。超低能耗建筑中每户配置的热水量为300L,系统水泵功率为1kW,水泵全年耗电8,760kWh,现阶段大连的电价为0.795元/kWh,总计为6,964元。常规节能建筑中,辅助热源利用电加热,每户配置的热水量为150L,按照75%的保证率计算,全年辅助电加热能耗10,171kWh;系统水泵功率为0.7kW,水泵全年耗电6,132kWh,总计为12,961元。4.3符合按年折旧费的原则在实际工程项目中维护费一般按工程中折旧费的百分率进行估算,本建筑采用平均年限法计算年折旧率和年折旧费。计算时,取预计静残值率S=5%,超低能耗建筑的折旧年限T超=30年,常规节能建筑的折旧年限为T常=15年,维护费按照年折旧费的10%计算,经计算得超低能耗建筑的折旧费为55,184元,维护费为5,518元;常规节能建筑的折旧费为47,831元,维护费为4,783元。4.4分离式节能建筑的运行结果费用年值是在考虑资金时间价值的条件下,计算项目在寿命周期内每年的成本。计算公式如式(1)所示。判别准则:多个方案比选时,费用年值最小的方案为优。计算中折现率取6%,超低能耗建筑平均寿命按照30年计算,常规节能建筑按15年计算,费用年值计算如表5所示。由表5可看出超低能耗建筑的费用年值小于常规节能建筑,因此,超低能耗建筑尽管初投资较大,但其费用年值较小,即在财务上具有一定生存能力。4.5动态追加投资回收期追加投资回收期是一个方案比另一个方案多追加的投资,用年费用的节约额或超额的年收益去补偿增量投资所需要的时间。考虑资金的时间因素影响,本建筑计算动态追加投资回收期。当追加投资回收期ΔT小于标准投资回收期Tb时(即ΔT<Tb),投资大的方案较优;反之,投资小的方案较优。动态追加投资回收期的计算公式为:式中:ΔT为动态追加投资回收期,年;K1、K2分别为各方案的初投资(K1>K2),万元;C1、C2分别为各方案的年运行管理费用(C1<C2),万元;为折现率。超低能耗建筑中的材料及设备的寿命周期为30年,故以30年作为标准投资回收期。根据式(2)计算超低能耗建筑的动态追加投资回收期:当折现率为6%时,追加投资回收期为33年。追加投资回收期判断:当折现率为6%时,因为追加投资回收期ΔT大于标准投资回收期Tb,说明超低能耗技术方案初投资较大,且在全寿命周期内无法全部回收,只能回收一部分。当折现率大于6%时,无法用式(2)计算追加投资回收期,表示初投资差远大于运行费用差,超低能耗技术方案的追加投资在建筑使用周期内无法收回。因此,超低能耗建筑需要政府财政补贴,当补贴数超过超低能耗技术方案初投资的20%时,即30万元以上时,追加投资可回收。4.6添加蒸汽价格变化的投资回收期通过敏感性分析,可以为今后应从那些方向给予优惠政策以及支持力度大小提供理论依据,因此,本文以追加投资回收期为敏感性分析指标。根据式(2)计算初投资变化和蒸汽价格变化下的追加投资回收期,并绘出追加投资回收期随初投资变化、蒸汽价格变化的变化图,见图1、图2。由图1看出,折现率越大,对初投资的影响越大,追加投资越不易回收。由图1、图2得出,随着总投资的降低和蒸汽价格的提高,追加投资回收期将减小,当i=6%时,当初投资减小到原来的95%,即166万元和蒸汽价格增加到180元/吨时,追加投资回收期小于寿命周期,超低能耗建筑的经济性良好。由图1和图2还可以看出,当i=8%时,若初投资减小到原来的85%和初投资减少到原来的90%同时蒸汽价格增加到180元/吨以上时,追加投资回收期小于寿命周期,超低能耗建筑的经济性良好。4.7节能系统的加大对超低能耗建筑经济指标的影响为了更加清晰地说明超低能耗建筑中不同节能系统的经济性,本文针对超低能耗建筑中不同节能系统形式分别进行经济性分析,计算结果如表6、表7。由表6看出,当折现率为8%时,各个节能系统的追加投资回收期均无法用式(2)计算,各节能系统的追加投资在寿命周期内无法收回。因此,超低能耗建筑的建设需要政府政策上的支持和经济上的补贴,使其在经济上“有利可图”。通过表7数据对比发现,在初投资降低、蒸汽价格提高或者两者同时作用时,超低能耗的各个系统的追加投资回收期可小于寿命周期。因此,可以推测,随着高性能的保温材料、可再生能源设备的价格降低和高品位能源价格(蒸汽价格)的提高,超低能耗建筑的经济性会越来越好,其在经济上的竞争力会提高。5经济情况分析由于高性能的保温材料和可再生能源设备的价格较高,该超低能耗建筑的初投资是常规节能建筑的2.3倍。较常规节能建筑,尽管超低能耗建筑的费用年值较低,但由于较低的能源价格,超低能耗建筑的动态追加投资回收期略大于标准投资回收期,经济性较差。通过敏感性分析发现,当折现率为6%时,当初投资减小到原来的95%和蒸汽价格增加到180元/吨时,追加投资回收期小于寿命周期,超低能耗技术方案的经济性良好。本文对超低能耗建筑设计方案中的各个节能系统的经济性进行分析,多角度地说明了超低能耗建筑的经济情况,可供相关设计人员参考,从而使设计者可根据自身项目和经济情况有选择地设计超低能耗建筑。超低能耗建筑符合国家、地区、建设方的利益,技术上可行,既能保证舒适的居住环境