面向可再生能源社区的希腊学校建筑深度节能改造：能源、室内热舒适与生命周期环境—经济多维评估

《Buildings》：Energy, Environmental, and Economic Assessment of a Deep Energy Retrofit in a Greek School Building

　　

学校建筑具有能源密集型建筑（energy-intensive building）特征，而室内热舒适（indoor thermal comfort）和空气质量仍不充分。本研究针对学校建筑改造评估碎片化问题，将能源性能、室内热舒适以及生命周期环境与经济影响（life-cycle environmental and economic impacts）整合到统一评价框架中。通过计算多项能源、环境和经济指标，实现对替代改造策略的多维评价。研究重点为学校在可再生能源社区（renewable energy community, REC）中作为主动产消者（prosumer）的潜在角色，并识别环境效益与经济可行性之间的权衡。为此，研究人员采用两个内部开发工具——T-DEOS（能源模拟工具）和VERIFY（生命周期环境与经济评估工具），对位于希腊Kifissia的一栋学校建筑开展研究。为识别最有效改造策略，考察四种整体改造策略，涉及多种被动式建筑围护结构技术、高效能源系统和可再生能源系统，同时假设该建筑参与当地可再生能源社区。分析表明，最优改造策略可使供暖节能超过79%，并在学校使用时段使室内热舒适条件提升7.09%。建筑能源系统电气化与屋顶光伏（photovoltaic, PV）发电使自给率约为52%，自消费率近19%。最后，与现有学校状态相比，最优情景使年运行费用降低95%。

研究背景方面，学校建筑能耗较高，学生每日约三分之一时间在校，能源账单占学校年支出较大，但室内热舒适和室内空气质量仍常不达标。学校能源改造是复杂多维项目，受社会经济约束、技术专长稀缺和管理效率不足制约；缺乏综合指南和国家层面框架，使地方市政难以启动公共建筑能效升级。公立学校深度节能改造（deep energy retrofit, DER）初投资高、财务自持难，常依赖公共补贴、欧盟资助项目或私人融资，但可影响学生和社区对改造必要性及环境健康的认知。既有研究常将能源、环境与经济评估分离，评估碎片化；整体升级需被动围护结构与高效可再生驱动能源系统结合，并考虑学校作为可再生能源社区（renewable energy community, REC）主动产消者（prosumer）的潜在角色及环境效益与经济可行性权衡。因此，研究人员以希腊Kifissia的2nd Junior High School and 2nd High School of Kifissia为对象，开展深度改造的多维评估，建立统一框架并将盈余PV电力出口收益纳入生命周期经济评价，以识别竞争性目标间的权衡，推动学校改造关注点由经济性能扩展至环境效益和室内热舒适。

关键技术方法方面，研究人员采用T-DEOS（Thermal—Dynamic Energy Oriented Simulation）进行建筑动态热模拟，采用VERIFY平台开展生命周期评价（life cycle assessment, LCA）和生命周期成本（life cycle cost, LCC）分析；以Kifissia学校建筑为案例，依据建筑图纸和现场调查建模，并利用学校管理方提供的电力和天然气账单校验模型；设置四种整体改造情景并进行20年评估；将屋顶PV盈余电力按净账单方案计入经济评价；计算PMV/PPD、一次能源需求（primary energy demand, PED）、全球变暖潜势（global warming potential, GWP）、自给率、自消费率及LCC/全生命周期成本、投资回收期、净现值（net present value, NPV）、内部收益率（internal rate of return, IRR）、投资回报率（return on investment, ROI）和边际减排成本（marginal abatement cost, MAC）等指标。样本来源为希腊Kifissia的学校建筑及学校管理方和Kifissia市政提供的账单与维护费用信息。

研究结果如下。3.1 能源与热舒适评估。3.1.1 基线情景：校验与能源评估：通过T-DEOS模拟并与账单校验，年供暖需求为78,966 kWh，最大热负荷381.4 kW，年燃料消耗92,358 kWh，天然气锅炉年效率85.5%，照明和电器年电耗27,850 kWh；模拟电耗27,851 kWh与账单26,600 kWh偏差4.6%，NMBE为?5.13%，CV(RMSE)为17.39%；模拟天然气92,358 kWh与2025年账单92,600 kWh偏差0.3%，表明年尺度精度可接受但月尺度存在差异。3.1.2 改造情景比较能源分析：通过情景模拟比较，情景1最优，供暖需求16,480 kWh，较基线降低79.13%，最大热负荷122 kW降低68.01%，热泵电耗4,120 kWh；制冷需求2,778 kWh，电耗695 kWh，最大冷负荷37 kW；情景2供暖仅降低73.51%；无机械通风热回收（mechanical ventilation with heat recovery, MVHR）使供暖需求分别增加13,493和13,830 kWh，制冷增加1,431 kWh；照明和电器电耗降低23.81%且已计入MVHR电耗994.5 kWh，总电耗26,035 kWh降低6.52%；PV发电71,115 kWh，自消费率18.82%，自给率51.73%。结论为整体改造显著降低供暖负荷，MVHR关键，过度保温可能增加制冷需求。3.1.3 室内热舒适评估：通过全年预测平均投票（predicted mean vote, PMV）和预测不满意百分比（predicted percentage of dissatisfied, PPD）计算，基线运行时段年均PPD为16.02%，情景1降至8.93%，降低7.09个百分点，热舒适明显改善。3.2 生命周期环境评估：通过20年LCA比较，情景1年一次能源需求较基线降低77.17%—78.69%，总一次能源为1,188 MWh；年GHG排放降低85.73%—92.23%；隐含GHG回收期情景1为7.37年、情景2为7年、情景3为7.65年、情景4为7.43年；情景1全生命周期总GHG最低，为336,196 kgCO₂-eq；MVHR和保温厚度对运行排放影响显著，环境最优为情景1。3.3 生命周期成本分析：通过LCC及经济指标计算，情景1年运行成本较基线降低74.51%，但20年内无情景实现投资回收；情景4总安装和运行成本最低，为509,119欧元；所有情景NPV为负（?183,136至?176,695欧元），IRR为1.45%—1.54%，ROI为?39.13%—?34.40%；情景1的MAC最低，为413.35欧元/tCO₂-eq，减排成本效率最高。

讨论部分总结：讨论指出保温材料选择需兼顾成本、热性能、防火和环境；玻纤成本较低、属Euroclass A1、隐含一次能源最低且希腊北部本地生产有利；过度保温存在热陷阱，制冷需求略增9.3%和6.9%；全厚与半厚保温在机械通风情景仅增加5.6%节能，无MVHR情景增加22.3%；MVHR在供暖季额外节能17.1%和17.51%。深改造经济不可行，需补贴；与Stavrakakis et al.、Michalak et al.等研究一致；低成本措施如吊顶保温和高效照明更经济，墙体与窗户资本密集导致负NPV和低IRR；降低初投资与最优能效和自给存在权衡。

研究结论翻译：对Kifissia的2nd Junior High School and 2nd High School进行整体能源改造可实现热性能提升，供暖节能79.1%，学校使用时段室内热舒适提高7.09个百分点。在屋顶、外墙和地面楼板增加平均厚度9 cm的保温并结合MVHR，是基础且高优先级改造措施。屋顶PV与建筑热性能改善及高效电驱动热泵结合，实现51.7%的自给率和18.8%的自消费率。情景1实现年运行一次能源需求最大降幅78.7%；考虑隐含影响后，单位总一次能源需求降低52.18%，降至1,188 kWh/m²。年运行GHG排放最大降幅为92.2%；情景1隐含排放7.37年内抵消，单位总排放降至253.2 kgCO₂-eq，较基线降低56.6%。所有改造策略均未实现经济回收，表明整体改造经济不可行；但情景1的MAC最低，为413.35欧元/tCO₂-eq，在实现生命周期GHG减排方面成本效益最高。研究可为地中海气候学校整体改造设计提供参考，并作为市政层面未来倡议指南；未来需以能耗和室内热环境监测数据验证模拟结果。