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(shè)計(jì)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(xué)研究院，北京 100013)

1 引言

隨著近幾十年國內(nèi)外對建筑節(jié)能的日益重視，節(jié)能型建筑越多的出現(xiàn)，老舊的建筑如何改造已達(dá)到節(jié)能減排的要求，節(jié)能建筑能否達(dá)到前期設(shè)計(jì)的節(jié)能效果。相應(yīng)的對建筑節(jié)能進(jìn)行評估的建筑能效基準(zhǔn)比軟件也越來越多的出現(xiàn)，如國外的BLAST、DOE－2、EnergyPlus;國內(nèi)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(nèi)的建筑能效基準(zhǔn)比對方面的工作開展做簡單對比分析。

2 項(xiàng)目背景

根據(jù)美國Lawrence Berkeley 國家實(shí)驗(yàn)室的“Class of 1999，2000，and 2001”基于對4 000 棟建筑物的調(diào)查研究表明:建筑物中，技術(shù)并不是提高能源利用效率的主要因素;很多建筑制冷設(shè)備的設(shè)計(jì)容量超出實(shí)際需求50%－200%;60%的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力超出實(shí)際需求60%;在良好設(shè)計(jì)的建筑物中，由于安裝不當(dāng)、維護(hù)不到位而導(dǎo)致的建筑物能效過低的現(xiàn)象非常明顯。調(diào)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(jù)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(jìn)行比較的具體衡量標(biāo)準(zhǔn)，并為市場提供滿足特定目標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)的工具成為了美國環(huán)保局(EPA)的關(guān)注核心。

于是，EPA 決定開發(fā)一個能夠?qū)ㄖ锬苄нM(jìn)行對比的標(biāo)準(zhǔn)和工具，并讓大批建筑能夠方便地應(yīng)用這一工具，同時對高于能效標(biāo)準(zhǔn)或顯著提高能源利用效率的建筑給予認(rèn)證。該標(biāo)準(zhǔn)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(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)建筑物能源利用效率的高低進(jìn)行相對打分排名，并作為是否給予認(rèn)證的依據(jù)。該工具可以鼓勵物業(yè)管理人員對建筑物定期進(jìn)行能效監(jiān)測，對所管理物業(yè)的能源使用量和費(fèi)用支出特點(diǎn)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(fèi)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(jìn)行月度或年度能效對比，可使物業(yè)管理人員建立起能效基準(zhǔn)、設(shè)定節(jié)能目標(biāo)、衡量節(jié)能成果，為向建筑物業(yè)主和高層管理匯報(bào)節(jié)能成果提供依據(jù)。

3 基本情況

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

圖1:節(jié)省費(fèi)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(jīng)對超過7 億m2的建筑進(jìn)行了測評，共有30 000 多座商用建筑進(jìn)行了評測，其中3 200 多座建筑(總面積達(dá)0.6 億m2)獲得了認(rèn)證，很多建筑通過反復(fù)使用此工具來檢測自身的節(jié)能效果。2007 年，通過“能源之星”建筑比對工具，全美節(jié)省能源費(fèi)用160 億美元，同時減少污染排放量相當(dāng)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(huán)保署氣候變化減排項(xiàng)目目標(biāo)的1/3。根據(jù)預(yù)測，今后10 年中，使用此工具的節(jié)能減排成效有望翻番。

“能源之星”建筑能效基準(zhǔn)比對工具通過輸入建筑面積、運(yùn)行時間等數(shù)據(jù)，可比較分析該建筑與數(shù)據(jù)庫中類似建筑物的能效，它以百分制來計(jì)算能源利用效率得分。將建筑單位面積能耗數(shù)據(jù)劃分為1～100 分來進(jìn)行衡量，對單位面積能耗情況進(jìn)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(shù)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(biāo)志認(rèn)證，標(biāo)志本樓有值得學(xué)習(xí)的建筑節(jié)能手段，得分在50－75 則表示改進(jìn)運(yùn)營與維護(hù)將對建筑物產(chǎn)生節(jié)能效果;得分在0－50，則表示該樓具備很大的節(jié)能潛力，可以通過設(shè)備更換或者加強(qiáng)管理達(dá)到很大的節(jié)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?jǐn)?shù)、用能密度與建筑物數(shù)量的關(guān)系曲線

針對不同的建筑類型，“能源之星”建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)回歸模型?！澳茉粗恰钡慕ㄖ锬芎膩碓粗饕獮?電費(fèi)帳單、普查(如:美國商用建筑物能耗情況普查)、協(xié)會(如:美國保健與醫(yī)院協(xié)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(yī)療建筑的回歸模型是在美國商用建筑能耗調(diào)查(CBECS)的基礎(chǔ)上建立的?！澳茉粗恰笔褂玫腃BECS 數(shù)據(jù)庫目每四年一次對全美范圍內(nèi)約6 000 棟建筑能耗的情況進(jìn)行搜集，數(shù)據(jù)調(diào)查主要采用電話調(diào)查和網(wǎng)上在線調(diào)查方式。

通過對近三十年氣象平均水平、運(yùn)營時長、租戶密度和插頭負(fù)載等因素對建筑能耗進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并按照單位面積能耗使用多元線性回歸模型對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行篩選，對樣本進(jìn)行擬合分析。完成模型參數(shù)的擬合后，根據(jù)能耗情況進(jìn)行排序，按百分制計(jì)算，形成標(biāo)準(zhǔn)打分表格用于對用戶建筑物進(jìn)行最終打分。

建筑物物業(yè)或用戶可以將建筑物基礎(chǔ)信息和能源消耗信息輸入“能源之星”網(wǎng)站基準(zhǔn)比對頁面的“Portfolio Manager”中，利用Excel 模版上傳Portfolio Manager 中的建筑物數(shù)據(jù)，通過“能源之星”服務(wù)和產(chǎn)品供應(yīng)商，將評分系統(tǒng)與用戶所有建筑物的能源信息和帳單處理系統(tǒng)自動結(jié)合，并得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。

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(shù)百座以上)，并且易于獲得、更新、無需專業(yè)人士協(xié)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(jìn)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?jǐn)?shù)?！澳茉粗恰痹u分系統(tǒng)已成為持續(xù)進(jìn)行用能管理的有效工具，來幫助Food Lion 設(shè)定用能目標(biāo)和投資目標(biāo)。自2001 以來，F(xiàn)ood Lion 節(jié)省了直接能源開支近1.05 億美元，F(xiàn)ood 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(shù)路線

考慮到項(xiàng)目的實(shí)用性，即能迅速、有效地復(fù)制到全國各地不同建筑中進(jìn)行應(yīng)用，“能源之星”項(xiàng)目開發(fā)整個過程包括以下關(guān)鍵階段:

· 既有建筑(電費(fèi)數(shù)據(jù))的搜集;

· 實(shí)時跟蹤多座建筑的能源使用情況;

· 建立整體基準(zhǔn);

· 設(shè)定目標(biāo)和工作重心;

· 監(jiān)測評估進(jìn)程;

· 記錄結(jié)果;

· 自動導(dǎo)入能源帳單數(shù)據(jù)。

4.1 基本方法

確定評分系統(tǒng)以全國能耗數(shù)據(jù)劃分為1～100分來進(jìn)行衡量，對能耗情況進(jìn)行相對比較。

4.2 數(shù)據(jù)庫的要求

正確選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)對于評分算法的開發(fā)對數(shù)據(jù)庫提出要求:數(shù)據(jù)樣本數(shù)應(yīng)足夠多(數(shù)百座以上);在應(yīng)用于大量建筑時，數(shù)據(jù)可更新;為了方便評分系統(tǒng)在市場中的應(yīng)用，應(yīng)保證數(shù)據(jù)易于獲得，數(shù)據(jù)的更新無需專業(yè)人士協(xié)助;評分系統(tǒng)公正、客觀，對于不同入住率的建筑，能修正后在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行比較。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫樣本的范圍，應(yīng)考慮使用盡量多的數(shù)據(jù)來源方式:能源公司的電費(fèi)賬單;政府發(fā)起的能耗普查;各大協(xié)會獲得的數(shù)據(jù)等。

4.3 能耗普查

能耗數(shù)據(jù)普查具有關(guān)鍵性作用，且難度較大，即使該任務(wù)是來源于政府部分，也很難得到有效執(zhí)行。數(shù)據(jù)庫需要數(shù)據(jù)具有一定代表性，因此應(yīng)覆蓋具有代表性氣候特點(diǎn)的城市。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)應(yīng)相對全面，因此應(yīng)能從建筑中獲得相關(guān)盡量完整的數(shù)據(jù)和參數(shù)。

4.4 能效評分系統(tǒng)

首先需要考慮天氣、氣候、運(yùn)營時長、租戶密度和插頭負(fù)載等變量，標(biāo)準(zhǔn)化建筑物能源消耗數(shù)據(jù)，以確保不同運(yùn)行方式和特點(diǎn)的建筑能處于同一基準(zhǔn)下進(jìn)行能效的比對。在完成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)擬合后，得到了評分系統(tǒng)的確切參數(shù)，將評定結(jié)果與全國其它同類建筑進(jìn)行對比。評分系統(tǒng)的適用范圍包括中小學(xué)校、寫字樓、法院、倉儲、超市、學(xué)生宿舍、急救病護(hù)和兒童醫(yī)院、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、零售商店、廢水處理廠等場合。應(yīng)在評分完成后，為建筑提供認(rèn)證機(jī)會，諸如:“能源之星標(biāo)志”、“挑戰(zhàn)”、“能源之星帶頭人”、“節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)先鋒獎”等宣傳性活動。

評分系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)分析方法是最小二乘法回歸分析。當(dāng)然，在數(shù)學(xué)分析中，還有其他很多數(shù)據(jù)分析方法可以使用，包括數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、隨機(jī)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(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，是足夠的。

4.5 所需數(shù)據(jù)

所需要的數(shù)據(jù)應(yīng)為對于大多數(shù)建筑運(yùn)行人員來說，是簡單且容易得到的。評分系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)分為以下幾類:

· 建筑基本信息:地址;郵編(用于標(biāo)準(zhǔn)化氣候條件);

· 能耗:不同種類能源連續(xù)12 個月的能耗數(shù)據(jù);

· 建筑類型數(shù)據(jù)(以寫字樓為例進(jìn)行說明):建筑面積;租住情況;電腦數(shù)量運(yùn)營時長;

4.6 建筑類型

建筑類型應(yīng)覆蓋但不限于以下大型和中型公共建筑:醫(yī)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(xué)校。

5 我國在建筑能效基準(zhǔn)比對方面開展的工作

近年來，國內(nèi)專業(yè)人士致力于建筑節(jié)能領(lǐng)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(fù)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(zhǔn)，才能作為對建筑節(jié)能改造、實(shí)施節(jié)能措施、采用節(jié)能運(yùn)行模式等方式的節(jié)能效果評定的基礎(chǔ)。沒有這個基礎(chǔ)，僅通過對單棟建筑進(jìn)行軟件模擬或能耗測評，都無法精確表達(dá)單棟建筑的能耗相對于同類建筑的能效水平。

目前國內(nèi)并沒有切實(shí)可行的建筑能耗基準(zhǔn)，僅有部分科研機(jī)構(gòu)或高校根據(jù)小范圍內(nèi)搜集的建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2009 年，中國建筑科學(xué)研究院根據(jù)北京市67 棟建筑能耗審計(jì)報(bào)告中38 棟辦公建筑的能耗情況進(jìn)行了能效比對分析，同濟(jì)大學(xué)根據(jù)上海95 棟建筑商業(yè)建筑能耗數(shù)據(jù)庫中的77 棟建筑進(jìn)行了分析，并得出了初步結(jié)果。就初步結(jié)果來看，目前存在問題如下:第一，數(shù)據(jù)樣本數(shù)量過少，結(jié)果可信性有待確認(rèn);第二，能耗基準(zhǔn)評定方法復(fù)雜，對數(shù)字的篩選、分析專業(yè)性過強(qiáng)，在數(shù)據(jù)量更大的基礎(chǔ)上如何建立自動篩選機(jī)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(diǎn)等因素，將單一城市的單一類型的建筑擴(kuò)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(jié)論

通過以上的對比分析，建議我國在開發(fā)建筑物能效基準(zhǔn)比對工具時要多渠道擴(kuò)大建筑物能效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，更大范圍采集的建筑能耗數(shù)據(jù)，并確定適合我國的建筑物能效比對的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。要能夠根據(jù)不同建筑類型劃分的回歸方程，建立基于互聯(lián)網(wǎng)的中國建筑能效基準(zhǔn)比對工具。

［1］薛志峰，江億.北京市大型公共建筑用能現(xiàn)狀與節(jié)能潛力分析.暖通空調(diào)，2004.

［2］蘇華，向勇，鄭澍奎，王守亮，趙天蓉.成都市民用建筑能耗調(diào)查分析.四川建筑科學(xué)研究，2010.

［3］劉曉燕，王凱.基于BIM 的建筑性能化分析實(shí)踐——綠色節(jié)能分析為例［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2015，7(1):14-19.

［4］姜騰騰.綠色建筑背景下基于BIM 技術(shù)的建筑工業(yè)化發(fā)展機(jī)制研究［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2015，7(2):56-60.