引言
随着我国城市建筑的不断发展，我国居住建筑的数量不断增加。我国的建筑总能耗约占全国总用能量的四分之一，而在这其中，全国居住建筑能耗在基本不供热水的情况下消耗的能源量就占全国能源消耗总量的12．6％。每年城市建筑仅采暖一项消耗的能源量就占全国能源消费总量的11.5％，占采暖区全部社会能源消耗的20％以上。建筑能耗的激增换来的是能源的大量浪费，在采暖区建筑中，每年消耗标准煤1．3亿吨；在非采暖区建筑中，每年消耗2600亿度电。这对国民经济的可持续发展产生了不良影响，因此对既有居住建筑进行节能改造成为改革发展的迫切要求。近年来，多项节能改造技术在节能改造过程中都得到了广泛的应用并获得了可观的经济效益和社会效益。但对于具体的节能改造项目，如何在众多的节能改造措施中选择出最适宜的组合改造方案，使得改造后的居住建筑既能达到预期的节能效果，又能获得最好的经济效益，为了顺利的开展大面积的节能改造，这一问题亟待解决。
1、既有居住建筑节能改造措施
1．1外墙改造措施分析
墙体节能改造首选外墙外保温方式。根据保温材料的不同，列举如下几种常用改造方法，见表1。
表1 外墙外保温改造措施
1．2外窗节能改造措施
外窗是居住建筑围护结构的重要组成部分，具有透明和可开启的特点，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位。外窗不仅要具有良好的隔热性能，还要满足采光、通风的要求。目前常用的节能窗类型有：塑料窗、断桥铝合金窗、玻璃钢窗、铝木复合、铝塑复合窗。外窗节能改造措施主要有以下两方面。
1)将原有外窗直接更换为节能外窗
由于目前大多数居住建筑外窗材料的耐久性较差，因此，这些既有居住建筑的外窗已经非常接近耐久使用年限，再加上外窗属于独立的建筑构件，拆卸较为方便，且对建筑结构主体不会产生另外附加的破坏，因此，直接将原有外窗更换为节能外窗是最为简单、有效的方法。
更换外窗主要是更换窗户的窗框材料和镶嵌材料。镶嵌材料主要是玻璃及其制品，目前市场上常用的镶嵌材料为：浮法玻璃、吸热玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、热反射玻璃、低辐射镀膜玻璃(Low—E玻璃)。常用的窗框用材主要有木材、型钢、塑钢型材和铝合金型材，其中木质窗框和钢质窗框由于极易变形，空气渗透量较大，因此已逐步淘汰，节能门窗所采用的窗框材料主要有铝合金和塑钢两种。
2)对原有外窗直接进行节能改造
在实际的改造项目中，有些外窗使用时间较短，而且为了减少改造成本，可以不必对所有外窗都进行更新，只在原有基础上进行适当的改造也可以满足节能的要求。外窗直接改造主要从以下几个方面进行：提高外窗的密闭性能；在原有外窗上贴膜；外侧增加保温窗扇。
1．3屋顶节能改造措施
根据国外相关文献显示，采暖居住建筑中围护结构损失的热量占全部热量的73％一77％，屋顶的热损失占围护结构热量损失的7％一8％，也就是说整个屋顶的热损失约占全部建筑热量损失的5％～6％。加强屋面保温节能对建筑造价影响不大，但是节能效益却很明显。主要改造方式有如下几种。
1)正置式节能改造(直接铺设保温层)
其做法是在原屋面上满铺一层保温材料，在保温层上再做保护层，并且要做防水涂层。所选用的保温材料和做法与外墙类似，仍是以聚苯板、岩棉板、聚氨酯硬泡板为主。
引言
随着我国城市建筑的不断发展，我国居住建筑的数量不断增加。我国的建筑总能耗约占全国总用能量的四分之一，而在这其中，全国居住建筑能耗在基本不供热水的情况下消耗的能源量就占全国能源消耗总量的12．6％。每年城市建筑仅采暖一项消耗的能源量就占全国能源消费总量的11.5％，占采暖区全部社会能源消耗的20％以上。建筑能耗的激增换来的是能源的大量浪费，在采暖区建筑中，每年消耗标准煤1．3亿吨；在非采暖区建筑中，每年消耗2600亿度电。这对国民经济的可持续发展产生了不良影响，因此对既有居住建筑进行节能改造成为改革发展的迫切要求。近年来，多项节能改造技术在节能改造过程中都得到了广泛的应用并获得了可观的经济效益和社会效益。但对于具体的节能改造项目，如何在众多的节能改造措施中选择出最适宜的组合改造方案，使得改造后的居住建筑既能达到预期的节能效果，又能获得最好的经济效益，为了顺利的开展大面积的节能改造，这一问题亟待解决。
1、既有居住建筑节能改造措施
1．1外墙改造措施分析
墙体节能改造首选外墙外保温方式。根据保温材料的不同，列举如下几种常用改造方法，见表1。
表1 外墙外保温改造措施
1．2外窗节能改造措施
外窗是居住建筑围护结构的重要组成部分，具有透明和可开启的特点，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位。外窗不仅要具有良好的隔热性能，还要满足采光、通风的要求。目前常用的节能窗类型有：塑料窗、断桥铝合金窗、玻璃钢窗、铝木复合、铝塑复合窗。外窗节能改造措施主要有以下两方面。
1)将原有外窗直接更换为节能外窗
由于目前大多数居住建筑外窗材料的耐久性较差，因此，这些既有居住建筑的外窗已经非常接近耐久使用年限，再加上外窗属于独立的建筑构件，拆卸较为方便，且对建筑结构主体不会产生另外附加的破坏，因此，直接将原有外窗更换为节能外窗是最为简单、有效的方法。
更换外窗主要是更换窗户的窗框材料和镶嵌材料。镶嵌材料主要是玻璃及其制品，目前市场上常用的镶嵌材料为：浮法玻璃、吸热玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、热反射玻璃、低辐射镀膜玻璃(Low—E玻璃)。常用的窗框用材主要有木材、型钢、塑钢型材和铝合金型材，其中木质窗框和钢质窗框由于极易变形，空气渗透量较大，因此已逐步淘汰，节能门窗所采用的窗框材料主要有铝合金和塑钢两种。
2)对原有外窗直接进行节能改造
在实际的改造项目中，有些外窗使用时间较短，而且为了减少改造成本，可以不必对所有外窗都进行更新，只在原有基础上进行适当的改造也可以满足节能的要求。外窗直接改造主要从以下几个方面进行：提高外窗的密闭性能；在原有外窗上贴膜；外侧增加保温窗扇。
1．3屋顶节能改造措施
根据国外相关文献显示，采暖居住建筑中围护结构损失的热量占全部热量的73％一77％，屋顶的热损失占围护结构热量损失的7％一8％，也就是说整个屋顶的热损失约占全部建筑热量损失的5％～6％。加强屋面保温节能对建筑造价影响不大，但是节能效益却很明显。主要改造方式有如下几种。
1)正置式节能改造(直接铺设保温层)
其做法是在原屋面上满铺一层保温材料，在保温层上再做保护层，并且要做防水涂层。所选用的保温材料和做法与外墙类似，仍是以聚苯板、岩棉板、聚氨酯硬泡板为主。
2)倒置式屋面改造
所谓倒置式屋面就是将传统屋面构造中保温隔热层与防水层“颠倒”，即将保温隔热层设在防水层上面，故有“倒置”之称。这种做法适用于上人屋面，经久耐用，缺点是不便维修。
3)加设坡屋顶(平改坡)
将保温性能较差的平屋顶改为坡屋顶或斜屋顶。坡屋顶既可以改善屋顶的热工性能，又有利于屋顶防水，是一种非常有效的屋顶节能改造措施。
2、既有居住建筑节能改造经济性评价指标
在优选节能改造方案时，要考虑的因素不止是改造后的节能效果好坏，对改造项目的经济性评价也很重要。在市场经济背景下，经济因素是推动建筑节能发展的最大动力，也是影响建筑节能改造推广的关键因素。为了能够清楚地说明既有建筑节能改造的经济效益，需要对主要经济评价指标进行分析。经济评价指标主要有净现值和投资回收期。
2．1 净现值
净现值是反映居住建筑在生命周期内节能收益能力的动态评价指标，其计算是依据节能改造措施实现后年实际节能收益额与后期费用差额，按选定的折现率，折现到评价期的现值，与节能改造投资求差额。净现值是最直接反应改造项目盈利能力的指标，直观的表现出在项目计算期内的盈利总额，所以净现值是既有居住建筑节能改造项目最主要的经济指标。计算公式为：
式中g——改造项目每年的收益；
i——折现率；
p——节能改造的初始投资；
T——建筑剩余寿命周期；
F——最终的净现值。
2．2投资回收期
项目投资回收期是指以项目的净收益回收项目投资所用的时间，一般以年为单位。项目的投资回收期短，说明项目投资回收快，抗风险能力高。尽快回收投资、减少投资成本是投资者极为关注的问题，回收期与净现值一起使用，可以帮助投资者做出合理的投资决策。
通过净现值为零的公式可以推出动态回收期Pt计算公式为：
3、既有居住建筑节能改造方案优选方法
通过上面的分析知道，对于节能改造项目最关心的有两点，即改造实现后建筑的能耗水平和改造项目的经济收益。改造后的能耗水平只要达到国家现行节能标准要求即可，而经济效益要尽可能的最大化。所以优选节能改造方案的原则为：在保证居住建筑改造后的节能效果达到国家相关标准要求的前提下，选取经济效益最好的节能改造方案。
3．1 方案优选方法思路
1)节能改造方案初选。既有居住建筑单体各个部分(外墙、外窗、屋顶等)均存在多种改造方法，每个部分不同的改造方法可以进行不同的组合，这就造成既有居住建筑存在很多种改造方案。因此，在进行改造方案优选之前，有必要根据建筑物的具体状况对改造方案进行必要的筛选，将备选方案中不适宜采取的技术方案去除，缩小备选方案集合。
2)节能改造方案描述。这一步是对上一步选定的所有可能用到的改造方案进行详细的描述，包括：建筑构件、节能改造措施、工程量、造价等4个方面。
3)建筑能耗成本与节能效益的确定。即确定某一节能改造方案的经济效益，主要包括3个因素：建筑能耗量、能源价格以及用能成本。
4)分析优选。优选方法最重要的部分就是确定分析和优选节能改造方案的方法，包括确定目标函数和约束条件。
3．2优选方法基本假设
考虑到方法运用时的可操作性以及方法的复杂程度，本优选方法采用以下几点基本假定：
1)进行节能改造的居住建筑原有结构完全可以承受节能改造所增加的重量，而不会影响结构本身的稳定性和承载力。
2)在改造建筑的整个寿命周期中，资金、能源价格等因素的变化是逐时的，为简化分析过程，将计算所用时间定为年。
3)本方法只考虑折现率、能源价格变化率两个不确定因素，其他不确定因素不予考虑。
3．3 目标函数
选取净现值为本优选方法的目标函数，在相关约束条件下选取。计算如下。
1)居住建筑节能改造措施成本几表示编号为5的节能改造设计方案的总成本；对于第n个构件(共N个构件需要改造)的第j；种节能改造措施，用Mnj表示；Fnj表示实行Mnj的节能改造措施成本。具体计算公式如下：
其中：
Pnj代表第几个构件第J种节能改造措施的改造单价；Qnj代表第j个构件的第，种节能改造措施的工程量。
2)节能改造所带来的经济收益在第t年节能改造所带来的经济效益是通过比较既有住宅建筑改造前的能耗与实施改造方案后的能耗来确定的。
As，t表示既有居住建筑进行第s种节能改造方案之后第t年的节能改造收益，可以通过以下计算得到：
其中Le/LH表示未进行改造的既有居住建筑在实际运行模式下的年冷／热负荷量；Len，j/LHn，j表示既有居住建筑第n个构件采用第j种节能改造措施实现后的年冷／热负荷量；PCt／PHt表示第t年的实际制冷／取暖能源单价，计算公式如下：
其中：ηc／ηH表示冷／热能源价格变化率；Pc／PH表示标准年的制冷／取暖能源单价，即零时间点的能源价格。
3)净现值
通过将每年的节能收益折现到零点得到总的节能收益，即净现值，Cs表示居住建筑进行第S种改造方案之后的净现值，具体计算公式如下：
3．4约束条件
1)根据现行居住建筑节能设计标准的要求，判断改造实现后的建筑是否达到节能标准，不是看改造实现后相比原建筑的节能率，而是要求改造后建筑物的能耗量必须小于参照建筑(与原建筑相对应，满足标准节能要求的假想建筑)的能耗量。改造后建筑的耗热量和耗冷量都应小于参照建筑，在具体比较时，应该综合比较，总节能率要大于参照建筑节能率。比较公式为：
其中：RH表示参照建筑的年热负荷量；RC表示参照建筑的年冷负荷量。
2)JGJ 26_5《民用建筑节能设计标准》规定，节能建筑的投资回收期不应超过10年。回收期也是反映经济效益的重要辅助指标。具体公式如下：
其中，回收期公式是通过计算净现值为零时的式子得出的，因回收期的定义就是以项目的净收益回收项目投资所用的时间，即净现值为零时的年限就是投资回收期的值。
3．5优选方法实现手段
1)居住建筑的能耗量模拟计算采用Ecotect进行。先模拟计算原建筑的能耗量，作为基准模型，然后利用变参数法，即针对外墙、屋顶、外窗等围护结构，在保持其他围护结构参数不变的情况下改变其中一种，而后分别根据制定的节能方案改变基准模型，得出改变后的能耗模拟数据，并与基准模型的能耗情况进行对比分析。在基准模型的基础上按标准修改为参照建筑模型，并计算参照建筑能耗量。
2)本文采用LINGO优化软件建模进行计算。将优选方法中的参数、目标函数和约束条件编成程序进行计算，将计算所用参数值(能耗量、改造措施单价等)写入EXCEL表格，通过接口函数读人LIN—GO。最终通过结果报告得出最优结果，确定最优改造方案。
4、应用实例分析
建筑为天津市红塔寺大道平房改造10号居民楼。该住宅楼南北朝向，砖混结构，共6层，层高2．7 m，共两个单元，左侧单元一梯四户，右侧单元一梯三户。外墙总面积992 m2，外窗总面积270 m2，总居住面积2186 m2。
4．1 节能改造措施初选
外墙、外窗和屋顶可用的改造措施及单价见表2—4。改造措施单价均通过实地调查天津地区建材市场，对不同厂家价格进行分析比较，得出代表平均水平的价格。
表2外墙改造措施
表2外窗改造措施
表4屋顶改造措施
4．2计算参数确定
1)项目寿命周期。该居住建筑的设计使用年限是50年，且该建筑始建于1993年，所以其剩余寿命周期为30年。
2)经济参数。标准煤价格取天津地区平均价格800形吨，电价取0．6 ft．／kWh。本项目折现率应取天津地区家庭年平均投资收益率。因居民投资多为银行存款，故折现率取5年以上定期存款利率，为5．5％。在目前全球能源紧张的背景下，能源价格上涨是必然的趋势，并且随着经济增长和通货膨胀状况而不断变化。综合我国的经济和通货膨胀状况，能源价格上涨率大约可控制在6％以内一1。
4．3优选计算
1)能耗量及单项改造措施收益计算。将通过ECOTECT计算的能耗数据和单项改造措施的折算收益计算列表，见表5。
表5各改造措施能耗及经济收益计算结果
2)优选计算。将第一步计算结果录入EXCEL表格“E：＼优选．)【ls”中，利用LINGO软件编写程序如下：
sets：
waiqiang／1．．4／：x，px，qx；(x指外墙节能率，px外墙改造投资，q)【外墙改造收益)waiehuang／1．．3／：y，PY，qY；(Y指外窗节能率，py外窗改造投资，qy外窗改造收益)wuding／1．．3／：z，pz，qz；(z指屋顶节能率，pz屋顶改造投资，qz屋顶改造收益)
link(waiqiang，waichuang，wuding)：zuiyou，p，q；endsets
data：x，Y，z，px，qx，PY，qY，pz，qz=@ole(’E：＼优选．】【ls，)．(从EXCEL表格中将数据读人程序中)enddata
@for(1ink(i，j，k)：P(i，j，k)=px(i)+py(j)+pz(k))；(总改造投资计算)
@for(1ink(i，j，k)：q(i，j，k)=qx(i)+qy(j)+qz(k))；(未考虑资金时间价值的改造收益计算)
@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))；(最优解)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))；(目标函数)
@for(1ink(i，j，k)：x(i)+y(j)+z(k)>=0．25；)；(节能率约束条件，参照建筑节能率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；)；(回收期约束)
运行结果：
Global optimal solution found．
Objective value：0．6675589E+08
Total solver iterations：0
从结果中可以看出，经计算得出全局最优解，即剩余寿命周期内最大净现值为667．56万。在最优解结果中，通过查找功能可以找到，ZUIYOU(1，3，3)=0．6675589E+08，即外墙、外窗和屋顶分别选择第1种、第3种和第3种改造措施时，既能满足节能要求，又能在相关约束条件下获得最好的经济收益。
5、结语
本文分析了既有居住建筑节能改造常用的改造措施，并运用技术经济学原理提出用于评价节能改造项目经济性的评价指标。在此基础上，提出既有居住建筑节能改造的方案优选方法，明确了基本假定、目标函数以及约束条件。优选节能改造方案的原则为：在保证居住建筑改造后的节能效果达到现行国家相关标准要求的前提下，选取经济效益最好的节能改造方案。在优选分析过程中重点关注改造实现后建筑使用时的能耗量及剩余寿命周期内的经济收益。
(审核编辑: Doris)
