基于總量控制的公共建筑能耗定額方法研究

李永安, 牛慧, 董修珍, 劉學來, 楚廣明, 王強

(山東建筑大學 熱能工程學院,山東 濟南 250101)

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基于總量控制的公共建筑能耗定額方法研究

李永安, 牛慧, 董修珍, 劉學來, 楚廣明, 王強

(山東建筑大學 熱能工程學院,山東 濟南 250101)

隨著社會的發展和人民生活水平的提高，建筑能耗的比重也隨之增加, 能源緊缺和環境污染的問題日益嚴峻。基于公共建筑能耗定額方法的研究對實現建筑用能量化管理，推進節能減排具有重要促進作用。文章依據總量控制的原理和目標對建筑能耗進行統計分析,得到了統計定額，并通過與DeST建筑能耗模擬軟件模擬出的技術定額相印證的方法確定了最終的公共建筑能耗定額值，探索了確定建筑能耗定額的方法路線。

公共建筑；統計定額； DeST； 技術定額

0　引言

能源緊缺和環境污染是當前世界各國面臨的重大問題，日益受到關注。而建筑節能是我國能源政策的重要組成部分之一[1]。工業、交通和建筑等三類構成了社會能源消耗主體。隨著社會的發展，建筑能耗尤其是公共建筑能耗比重已呈現出快速增長態勢[2-3]。2008年，住建部與財政部在《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見》中指出，將對用能標準、能耗定額和超加價、節能服務等制度進行研究制定，并在國內逐步推行開來[4-5]。國家“十二五規劃”對建筑節能提出了更高的要求，而實現該要求的根本在于政府首先應該制定一套完整、系統的節能標準體系。即確定建筑能耗定額值作為約束值以實現建筑能耗總量控制的目標，對建筑節能的導向由過程管理轉變為效果管理。

確定建筑能耗定額的前提是掌握建筑能耗水平，既對建筑進行能耗調查。早在1976年，英國就率先開展了NDBS(Non-Domestic Building Stock)項目，對其國家境內已有的和新建的工業建筑及商業建筑進行了全面的統計調查工作，建立了詳細的數據庫，在此時期，美國也開始對建筑進行能源審計，同時日本、印度、韓國也進行建筑能耗統計[6-8]。隨后每個國家都根據已經進行的能耗調查統計工作研究出了適合自己國家經濟發展和氣候條件的節能規范和綠色建筑評價體系，其中較為成熟的有美國的ASHRAE90.1—2001、德國新建筑節能規范EnEV、美國的LEED、加拿大等國的GBTool和日本的CASBEE等[9-11]。

2007年頒布的DB 37/935—2007《公共建筑采暖空調能耗定額》[12]標準是基于總量控制目標而制定的。但近年來，隨著國內經濟的發展，照明、電梯、炊事等消耗的能量占建筑能耗的比例逐漸增大，該標準的局限性也愈加明顯，為進一步完善山東省的節能標準體系，為我省完成節能減排目標提供技術保障，對原標準進行修訂，將照明、電梯等的能耗考慮進去，同時納入了新的技術和方法，制定了能耗新標準。新的標準可以制定出能耗數量明確、能耗基準線清晰的重點公共建筑能耗定額，實現建筑用能量化管理，激勵業主采取各種措施進行建筑節能設計、建筑節能改造，推進行為節能。因此，從總量控制的角度規范公共建筑實際運行能耗、制定能耗定額標準對于減少建筑能耗、促進建筑節能改造、實現節能減排目標具有重要的意義。

1　能耗定額制定的原則

建筑能耗定額的制定是我國建筑節能發展的必由之路，能夠保障對建筑能源使用進行有效的監管。建筑能耗定額標準的制定是一種社會公共性的政策，它不單純是技術性問題，更多的涉及到社會性問題，所以，在制定指標的過程中必須要遵循下列原則[13]。

1.1合理性原則

指標的制定必須要合理，要基于實際的能耗數據，與實際情況相結合確定水平，不至于使指標過高或過低，能貼切現實，更能反映真實情況，這才體現合理性。

1.2公平性原則

公共建筑的類別很多,不同功能、不同規模的建筑其建筑能耗均有差別，按照建筑的規模、用途以及用能情況進行分類并分別制定不同的指標更能體現公平性。另外，建筑能耗定額制度是借助政府對建筑的能源使用進行管理和分配的一種手段，所以，公平性是能耗定額制定必不可少的原則。

1.3時效性原則

能耗定額指標要根據某時期和某地區的經濟發展水平來制定。生活水平的不斷提高，大型公共建筑的崛起，均會導致公共建筑能耗的大幅度提升。但隨著節能新技術和新產品在建筑中的應用及管理措施的實施，都會使公共建筑具有更佳的節能效果。因此，隨著社會經濟技術水平的發展，公共建筑的能耗定額指標也要不斷完善，真正體現能耗定額指標的制定意義。

1.4可行性原則

可行性原則是任何標準制定的前提條件。如果對所有公共建筑制定同一水平能耗定額，則其對于不同功能類型的公共建筑，在執行此標準時難易程度不同，因為它們之間的能耗差別巨大，則這樣制定的標準就是不可行的。而針對不同功能類型的公共建筑進行分類再分別制定相對應的能耗定額，這樣制定出來的標準在實施的過程中才是可行的。

2　確立公共建筑能耗定額方法

制定公共建筑能耗定額標準的目的是為了通過該標準的約束采用較高水平的建筑節能技術來降低建筑能耗，節約建筑能源，提高建筑用能效率。所以，建筑能耗定額標準的制定必須兼顧技術先進性和可行性。而技術具有技術先進性優點，統計則更具現實可行性。在研究過程中，應采用統計與技術進行對比參照的方法，來確定公共建筑能耗定額，編制方法如圖 1所示。

2.1統計定額的確定

統計定額是采用一定的數理統計方法，對通過建筑調查得到的數據進行分析而確定的建筑定額值。其中調查是確定統計定額的基礎。

2.1.1調查方法

抽樣調查作為最基本的統計調查方法之一，不僅能節省人力、物力、財力，提高資料的時效性，又能推斷出比較準確的、全面的資料。還因其原理和方法以數學理論為依據，有著較高的科學性與廣泛的應用。故選用抽樣調查的方法來進行公共建筑能耗的統計調查工作較為合理。

由于不同功能的建筑，其能耗差別巨大，即使是同一類型建筑能耗也可能相差很多。抽樣方法分為很多種類，通常采用的主要有簡單隨機抽樣、分類抽樣、等距抽樣、整群抽樣和多階段抽樣等。分類抽樣是先將總體各單位按主要標志加以分類，然后再從各類中按隨機的原則抽取若干個樣本單位，由各類的樣本單位組成一個總的樣本。由于不同的建筑類型其建筑能耗差別巨大，即使是同一類型建筑能耗也可能相差數倍。所以此處采用分類抽樣的方法進行統計調查[14]。分類抽樣根據樣本在各類中分配是否與總體單位在各類的比例相等，分為等比例分類抽樣和不等比例分類抽樣兩種。各類建筑的數量差別較大，文章采用不等比例分類抽樣來進行調查。文章將所調查的公共建筑按照功能和特點分為8類，其主要建筑能耗分類指標和構成見表1。表中Ⅰ代表供暖/空調能耗,Ⅱ代表照明能耗,Ⅲ代表電器能耗,Ⅳ代表電梯能耗，Ⅴ代表二次給水水泵能耗,Ⅵ代表熱水供應能耗,Ⅶ代表炊事能耗。

在能耗調查過程中，樣本量的多少是一個關鍵因素。研究過程中發現，樣本量的多少取決于所允許調研誤差的大小、要求推斷的置信程度、能耗定額的變化程度等。樣本量的多少可按式(1)[13]確定為

(1)

式中: M為樣本量；N為總體單位數；t為檢驗統計量；P為總體成數；V為抽樣極限誤差。

表1　公共建筑的主要分類和能耗構成

2.1.2指標形式

建筑能耗定額指標形式對建筑能耗的分配方式有著直接影響，其具體體現了能耗定額標準價值取向。為了使公共建筑能耗情況描述的更佳，單位面積能耗定額指標、人均能耗定額指標、單位稅收能耗定額指標等說法在指標體系形式上被更多而廣泛的采用。

單位面積能耗定額指標是能耗分配的一種方式，其根據建筑規模進行，它的取值前提條件是要滿足建筑使用功能，建筑在一定使用對象數量下確定的取值是單位建筑面積的能源消耗值。計算方式如(2)表示為

(2)式中：EA為單位面積能耗定額指標值，kWh/(m2·a)；E為完成參考建筑使用功能所必須的能耗，kWh；A為參考建筑面積，m2。

由于建筑規模是可以有效獲取的建筑基本信息，因此單位面積能耗定額指標的可操作性強，適用范圍廣。采用單位面積能耗定額指標，可以在滿足建筑使用功能的前提下，合理限制建筑用能水平，對超出定額的部分實施超額加價，這有利于我國建筑節能事業的發展。因此，文章對描述各類公共建筑能耗定額的指標形式采用單位面積能耗定額指標。

2.1.3確定統計定額的方法

目前，根據調查數據，確定統計的方法有很多，主要有經驗法、平均值法、回歸分析法、二次平均法、水平法、統計趨勢分析法[15-16]。文章選取水平法來編制建筑能耗統計定額。

表2　統計定額水平樣表

研究發現，以當前的技術、經濟水平，公共建筑能耗定額水平選取的合理范圍在0.15～0.30之間，即保證社會公共建筑用能水平的通過率在70%～85%之間。

2.2公共建筑能耗技術定額的確定

對技術的編制可以分為三個階段：標準建筑建立、標準建筑分項能耗計算和建筑能耗技術定額確定。

2.2.1標準建筑的建立

技術編制的前提是建立與當前建筑接近的建筑模型作為標準建筑，標準建筑是以當前建筑發展現狀為基礎，合理界定建筑技術和使用條件而建立的。對于標準建筑來說，標準建筑具有合理性的重要條件是對影響建筑能耗的因素(諸如建筑規模、建筑設計與圍護結構、建筑服務對象的數量、建筑環境與設備系統、運行管理的操作、建筑室內環境控制要求等)進行合理的設定。

2.2.2建筑能耗計算方法

建筑能耗是以逐時變化的室外氣象數據、室內人員活動狀況、室內熱源等信息而變化的 ，故宜采用動態能耗計算方法。動態能耗計算方法是動態能耗模擬的核心，它使能耗計算準確度提高，但前提是建立復雜的傳熱方程。建筑可看作是一個熱力學系統，其由室內空氣等流體和圍護結構等固體元素組成。圍護結構受到室內各種熱擾和室外氣象條件的相互作用，圍護結構又影響室內空氣，因此圍護結構和室內空氣的傳熱計算模型共同構成建筑能耗計算模型[17]。

通過計算室內空氣和圍護結構的傳熱，室內房間空氣以及圍護結構各內表面的熱平衡方程式得以建立，對該方程組進行求解即可得到房間的冷熱負荷。采用狀態空間法來求解這些復雜的方程組，據此，清華大學江億院士帶領的課題組開發了建筑環境模擬軟件DeST，對標準建筑的分項能耗宜采用DeST軟件進行模擬計算。

2.2.3標準建筑分項能耗模擬

文章以商業建筑專用版本DeST-c為例，進行模擬計算建筑各分項能耗。其步驟如下：

(1) 建立模型

建立模型是建筑圖的簡化，其操作與AutoCAD基本一樣。建立模型主要包括以下幾個步驟：建筑建立、樓層建立、分隔墻體繪畫、房間識別、門窗添加、房間標注。最后通過建筑計算預處理，即確定建筑構圖形式。

(2) 設定參數

計算結果的準確性取決于兩個方面：一方面是在建模中正確地描述和簡化建筑，另一方面是設定參數的正確與否。這部分主要分為對建筑圍護結構(外墻、內墻、樓板、屋頂、地面、門、窗等)的定義，對房間功能的描述，通風設定以及對系統的描述。

(3) 模擬計算

模擬計算過程中，在菜單欄中選擇模擬計算中的計算項目即可，如建筑陰影計算、建筑負荷計算、建筑能耗計算和經濟性分析等。能耗的模擬要在描述圍護結構、房間功能和通風后才能得以進行。最后的計算結果可以通過Excel報表的形式來顯示。

3　結語

公共建筑分布廣泛，能源消耗種類繁多，采用能耗總量控制的方法，抓大放小，是目前制定能耗定額的一種有效方法。公共建筑能耗定額的確定必須兼顧技術先進性和現實可行性。而建筑能耗技術定額具有技術先進性的優點，統計定額則更具有現實可行性。故能耗定額宜采用統計定額與技術定額相互印證的方法來確定。

文章明確了公共建筑能耗定額方法，制定出能耗數量明確、能耗基準線清晰的公共建筑能耗定額，可對建筑用能實行量化管理，激勵業主采取多種措施進行建筑節能設計、建筑節能改造，推進行為節能，具有現實可行的意義。

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(學科責編：李雪蕾)

Research on method of energy consumption quota for public buildings based on total control

Li Yongan, Niu Hui, Dong Xiuzhen,etal.

(School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

With the development of society and the improvement of people’s living standard, the proportion of building energy consumption has increased, and energy shortage and environmental pollution problems have become increasingly severe. Based on the importance of public building energy consumption quota method, the energy consumption quota can realize energy management for buildings and encourage the owners to take all kinds of measures to carry out the construction of energy-efficient design or transformation and promote energy-saving behavior. In this paper, according to the principle of the total amount control, the statistical quota is obtained through sampling investigation and mathematical statistics of building energy consumption. The statistical quota and the technical quota with the DeST building energy consumption simulation software is compared, and the final building energy consumption quota is determined and the route of determining building energy consumption quota is explored.

public building; statistical quota; DeST; technical quota

2016-01-18

山東省墻體材料革新與建筑節能科研項目(2014QG012)

李永安(1961-)，男，教授，博士，主要從事暖通空調系統及建筑節能等方面的研究.E-mail:sdjglya@163.com

1673-7644(2016)03-0219-05

TU111.19+5

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