美國“能源之星”建筑能效比對工具介紹

李淑蕓 李 鑫 魏 征

(1.山西陽泉市建筑設計院，陽泉 045000;2.建研科技股份有限公司，北京 100013;3.中國建筑科學研究院，北京 100013)

1 引言

隨著近幾十年國內外對建筑節能的日益重視，節能型建筑越多的出現，老舊的建筑如何改造已達到節能減排的要求，節能建筑能否達到前期設計的節能效果。相應的對建筑節能進行評估的建筑能效基準比軟件也越來越多的出現，如國外的BLAST、DOE－2、EnergyPlus;國內的PBECA、CHEC、DEST。本文以下對美國的“能源之星”Energy Star做概要論述，并針對國內的建筑能效基準比對方面的工作開展做簡單對比分析。

2 項目背景

根據美國Lawrence Berkeley 國家實驗室的“Class of 1999，2000，and 2001”基于對4 000 棟建筑物的調查研究表明:建筑物中，技術并不是提高能源利用效率的主要因素;很多建筑制冷設備的設計容量超出實際需求50%－200%;60%的風機系統設計能力超出實際需求60%;在良好設計的建筑物中，由于安裝不當、維護不到位而導致的建筑物能效過低的現象非常明顯。調查還得出:如果取消天氣、人員等因素對建筑物能耗的影響，根據單位面積能耗將建筑物按照0－100 分排列，得分在75 分以上的建筑中，39% 的樓齡在25 年以下;得分在25－74 分之間的建筑中，42%的樓齡在25 年以下;得分在0－24 分之間的建筑中，35%的建筑樓齡在25 年以下。

如何從用戶端借助市場的力量提高建筑物能源利用效率，為市場提供特定建筑與其他同類建筑進行比較的具體衡量標準，并為市場提供滿足特定目標的衡量標準的工具成為了美國環保局(EPA)的關注核心。

于是，EPA 決定開發一個能夠對建筑物能效進行對比的標準和工具，并讓大批建筑能夠方便地應用這一工具，同時對高于能效標準或顯著提高能源利用效率的建筑給予認證。該標準以采集到的同類建筑(相同空間類型、不同布局)的能耗等相關數據為基礎，依據建筑物能源利用效率的高低進行相對打分排名，并作為是否給予認證的依據。該工具可以鼓勵物業管理人員對建筑物定期進行能效監測，對所管理物業的能源使用量和費用支出特點有一個全面的了解，盡早確定能效問題所在，以便及時解決這些問題，避免浪費資金或降低舒適度。該工具還可以方便單座建筑或整個建筑群進行月度或年度能效對比，可使物業管理人員建立起能效基準、設定節能目標、衡量節能成果，為向建筑物業主和高層管理匯報節能成果提供依據。

3 基本情況

“能源之星”建筑能效基準比對工具(Energy Star Benchmarking Tool)是美國環保局推出的建筑能效評價工具(軟件)。樓宇物業管理人員通過手動輸入該樓能耗、建筑面積、運行時間、工作人員數量等數據，可就該建筑單位面積能耗與數據庫中類似建筑物的能耗進行比較分析，并給出以百分制顯示的結果。

圖1:節省費用(單位:10 億美元)

圖2 等量減少排放(單位:1 百萬輛)

圖3 逐年使用與累積使用工具的建筑面積曲線

迄今為止，“能源之星”已經對超過7 億m2的建筑進行了測評，共有30 000 多座商用建筑進行了評測，其中3 200 多座建筑(總面積達0.6 億m2)獲得了認證，很多建筑通過反復使用此工具來檢測自身的節能效果。2007 年，通過“能源之星”建筑比對工具，全美節省能源費用160 億美元，同時減少污染排放量相當于2 700 萬輛汽車的尾氣排放量，減少的溫室氣體排放量占美國環保署氣候變化減排項目目標的1/3。根據預測，今后10 年中，使用此工具的節能減排成效有望翻番。

“能源之星”建筑能效基準比對工具通過輸入建筑面積、運行時間等數據，可比較分析該建筑與數據庫中類似建筑物的能效，它以百分制來計算能源利用效率得分。將建筑單位面積能耗數據劃分為1～100 分來進行衡量，對單位面積能耗情況進行相對比較，得分約高，則表明該樓能效越高，以50 分為平均線，25 分～75 分得分的建筑占總數的大部分。例如，在美國，使用此工具評價建筑得分超過75 分，則給與“Energy Star”標志認證，標志本樓有值得學習的建筑節能手段，得分在50－75 則表示改進運營與維護將對建筑物產生節能效果;得分在0－50，則表示該樓具備很大的節能潛力，可以通過設備更換或者加強管理達到很大的節能效果。將各地建筑的單位面積能耗按照比例作出如圖4 所示曲線，單位面積能耗越低，得分越高。

圖4 分數、用能密度與建筑物數量的關系曲線

針對不同的建筑類型，“能源之星”建立對應的數學回歸模型。“能源之星”的建筑物能耗來源主要為:電費帳單、普查(如:美國商用建筑物能耗情況普查)、協會(如:美國保健與醫院協會)、能源信息提供者(如:美國“大盒子”式商店、倉庫)。其中，辦公建筑，商場，醫療建筑的回歸模型是在美國商用建筑能耗調查(CBECS)的基礎上建立的。“能源之星”使用的CBECS 數據庫目每四年一次對全美范圍內約6 000 棟建筑能耗的情況進行搜集，數據調查主要采用電話調查和網上在線調查方式。

通過對近三十年氣象平均水平、運營時長、租戶密度和插頭負載等因素對建筑能耗進行標準化，并按照單位面積能耗使用多元線性回歸模型對數據庫數據樣本進行篩選，對樣本進行擬合分析。完成模型參數的擬合后，根據能耗情況進行排序，按百分制計算，形成標準打分表格用于對用戶建筑物進行最終打分。

建筑物物業或用戶可以將建筑物基礎信息和能源消耗信息輸入“能源之星”網站基準比對頁面的“Portfolio Manager”中，利用Excel 模版上傳Portfolio Manager 中的建筑物數據，通過“能源之星”服務和產品供應商，將評分系統與用戶所有建筑物的能源信息和帳單處理系統自動結合，并得出相應分數。

由于“能源之星”可以簡單、快速的為租戶提供建筑能耗信息、可同時適用于大量建筑(數百座以上)，并且易于獲得、更新、無需專業人士協助即可展開評測，因此得到了使用者的一致性好評。如美國Food Lion 公司曾積極對旗下各連鎖店開展能效評測，但對1 200 家連鎖店每月一次評分甚至每年進行一次并非一件易事。Food Lion 將此“能源之星”評測工作外包給Advantage IQ，目前Food Lion 能夠基于其所有連鎖店的能耗情況，獲取每一連鎖店每月的評級分數。“能源之星”評分系統已成為持續進行用能管理的有效工具，來幫助Food Lion 設定用能目標和投資目標。自2001 以來，Food Lion 節省了直接能源開支近1.05 億美元，Food Lion 和Advantage IQ 均被授予了“能源之星年度最佳合作伙伴”稱號。

4 技術路線

考慮到項目的實用性，即能迅速、有效地復制到全國各地不同建筑中進行應用，“能源之星”項目開發整個過程包括以下關鍵階段:

· 既有建筑(電費數據)的搜集;

· 實時跟蹤多座建筑的能源使用情況;

· 建立整體基準;

· 設定目標和工作重心;

· 監測評估進程;

· 記錄結果;

· 自動導入能源帳單數據。

4.1 基本方法

確定評分系統以全國能耗數據劃分為1～100分來進行衡量，對能耗情況進行相對比較。

4.2 數據庫的要求

正確選擇目標數據對于評分算法的開發對數據庫提出要求:數據樣本數應足夠多(數百座以上);在應用于大量建筑時，數據可更新;為了方便評分系統在市場中的應用，應保證數據易于獲得，數據的更新無需專業人士協助;評分系統公正、客觀，對于不同入住率的建筑，能修正后在同一基準上進行比較。

為了進一步擴大數據庫樣本的范圍，應考慮使用盡量多的數據來源方式:能源公司的電費賬單;政府發起的能耗普查;各大協會獲得的數據等。

4.3 能耗普查

能耗數據普查具有關鍵性作用，且難度較大，即使該任務是來源于政府部分，也很難得到有效執行。數據庫需要數據具有一定代表性，因此應覆蓋具有代表性氣候特點的城市。數據庫的數據應相對全面，因此應能從建筑中獲得相關盡量完整的數據和參數。

4.4 能效評分系統

首先需要考慮天氣、氣候、運營時長、租戶密度和插頭負載等變量，標準化建筑物能源消耗數據，以確保不同運行方式和特點的建筑能處于同一基準下進行能效的比對。在完成數據庫的數據擬合后，得到了評分系統的確切參數，將評定結果與全國其它同類建筑進行對比。評分系統的適用范圍包括中小學校、寫字樓、法院、倉儲、超市、學生宿舍、急救病護和兒童醫院、醫療機構、零售商店、廢水處理廠等場合。應在評分完成后，為建筑提供認證機會，諸如:“能源之星標志”、“挑戰”、“能源之星帶頭人”、“節能環保設計先鋒獎”等宣傳性活動。

評分系統使用的數據分析方法是最小二乘法回歸分析。當然，在數學分析中，還有其他很多數據分析方法可以使用，包括數據包絡分析、隨機前沿面回歸分析等，但最小二乘法回歸分析簡單、有效、可靠和容易理解其物理含義，對于評分系統的數據分析，是足夠的。

4.5 所需數據

所需要的數據應為對于大多數建筑運行人員來說，是簡單且容易得到的。評分系統需要的數據分為以下幾類:

· 建筑基本信息:地址;郵編(用于標準化氣候條件);

· 能耗:不同種類能源連續12 個月的能耗數據;

· 建筑類型數據(以寫字樓為例進行說明):建筑面積;租住情況;電腦數量運營時長;

4.6 建筑類型

建筑類型應覆蓋但不限于以下大型和中型公共建筑:醫院、零售商店、寫字樓、酒店、廢水處理廠、金融中心、倉庫、宿舍、超市和學校。

5 我國在建筑能效基準比對方面開展的工作

近年來，國內專業人士致力于建筑節能領域的工作，取得了一系列成果。但建筑的形式多種多樣，影響建筑能耗的因素也非常復雜，對于某一特定建筑，能耗水平在什么樣的水平可以定義為低能耗建筑，這是一個亟待解決的問題。只有確立了不同類型建筑的能耗基準，才能作為對建筑節能改造、實施節能措施、采用節能運行模式等方式的節能效果評定的基礎。沒有這個基礎，僅通過對單棟建筑進行軟件模擬或能耗測評，都無法精確表達單棟建筑的能耗相對于同類建筑的能效水平。

目前國內并沒有切實可行的建筑能耗基準，僅有部分科研機構或高校根據小范圍內搜集的建筑能耗數據進行分析。2009 年，中國建筑科學研究院根據北京市67 棟建筑能耗審計報告中38 棟辦公建筑的能耗情況進行了能效比對分析，同濟大學根據上海95 棟建筑商業建筑能耗數據庫中的77 棟建筑進行了分析，并得出了初步結果。就初步結果來看，目前存在問題如下:第一，數據樣本數量過少，結果可信性有待確認;第二，能耗基準評定方法復雜，對數字的篩選、分析專業性過強，在數據量更大的基礎上如何建立自動篩選機制影響未來的建筑能效比對;第三，如何綜合考慮氣象、建筑類型、建筑特點等因素，將單一城市的單一類型的建筑擴展到全國范圍的所有城市，建立各種不同類型建筑的回歸方程有一定難度。

6 結論

通過以上的對比分析，建議我國在開發建筑物能效基準比對工具時要多渠道擴大建筑物能效基礎數據庫，更大范圍采集的建筑能耗數據，并確定適合我國的建筑物能效比對的基礎數據。要能夠根據不同建筑類型劃分的回歸方程，建立基于互聯網的中國建筑能效基準比對工具。

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