基于總量控制的公共建筑能耗定額方法研究

李永安, ?；? 董修珍, 劉學(xué)來, 楚廣明, 王強(qiáng)

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)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(xué)來, 楚廣明, 王強(qiáng)

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

隨著社會(huì)的發(fā)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(huán)境污染的問題日益嚴(yán)峻。基于公共建筑能耗定額方法的研究對實(shí)現(xiàn)建筑用能量化管理，推進(jìn)節(jié)能減排具有重要促進(jìn)作用。文章依據(jù)總量控制的原理和目標(biāo)對建筑能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到了統(tǒng)計(jì)定額，并通過與DeST建筑能耗模擬軟件模擬出的技術(shù)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(tǒng)計(jì)定額； DeST； 技術(shù)定額

0　引言

能源緊缺和環(huán)境污染是當(dāng)前世界各國面臨的重大問題，日益受到關(guān)注。而建筑節(jié)能是我國能源政策的重要組成部分之一[1]。工業(yè)、交通和建筑等三類構(gòu)成了社會(huì)能源消耗主體。隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑能耗尤其是公共建筑能耗比重已呈現(xiàn)出快速增長態(tài)勢[2-3]。2008年，住建部與財(cái)政部在《關(guān)于加強(qiáng)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實(shí)施意見》中指出，將對用能標(biāo)準(zhǔn)、能耗定額和超加價(jià)、節(jié)能服務(wù)等制度進(jìn)行研究制定，并在國內(nèi)逐步推行開來[4-5]。國家“十二五規(guī)劃”對建筑節(jié)能提出了更高的要求，而實(shí)現(xiàn)該要求的根本在于政府首先應(yīng)該制定一套完整、系統(tǒng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系。即確定建筑能耗定額值作為約束值以實(shí)現(xiàn)建筑能耗總量控制的目標(biāo)，對建筑節(jié)能的導(dǎo)向由過程管理轉(zhuǎn)變?yōu)樾Ч芾怼?/p>

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(jìn)行能耗調(diào)查。早在1976年，英國就率先開展了NDBS(Non-Domestic Building Stock)項(xiàng)目，對其國家境內(nèi)已有的和新建的工業(yè)建筑及商業(yè)建筑進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)調(diào)查工作，建立了詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫，在此時(shí)期，美國也開始對建筑進(jìn)行能源審計(jì)，同時(shí)日本、印度、韓國也進(jìn)行建筑能耗統(tǒng)計(jì)[6-8]。隨后每個(gè)國家都根據(jù)已經(jīng)進(jìn)行的能耗調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作研究出了適合自己國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候條件的節(jié)能規(guī)范和綠色建筑評價(jià)體系，其中較為成熟的有美國的ASHRAE90.1—2001、德國新建筑節(jié)能規(guī)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(diào)能耗定額》[12]標(biāo)準(zhǔn)是基于總量控制目標(biāo)而制定的。但近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的局限性也愈加明顯，為進(jìn)一步完善山東省的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系，為我省完成節(jié)能減排目標(biāo)提供技術(shù)保障，對原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，將照明、電梯等的能耗考慮進(jìn)去，同時(shí)納入了新的技術(shù)和方法，制定了能耗新標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)可以制定出能耗數(shù)量明確、能耗基準(zhǔn)線清晰的重點(diǎn)公共建筑能耗定額，實(shí)現(xiàn)建筑用能量化管理，激勵(lì)業(yè)主采取各種措施進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能改造，推進(jìn)行為節(jié)能。因此，從總量控制的角度規(guī)范公共建筑實(shí)際運(yùn)行能耗、制定能耗定額標(biāo)準(zhǔn)對于減少建筑能耗、促進(jìn)建筑節(jié)能改造、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)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(jié)能發(fā)展的必由之路，能夠保障對建筑能源使用進(jìn)行有效的監(jiān)管。建筑能耗定額標(biāo)準(zhǔn)的制定是一種社會(huì)公共性的政策，它不單純是技術(shù)性問題，更多的涉及到社會(huì)性問題，所以，在制定指標(biāo)的過程中必須要遵循下列原則[13]。

1.1合理性原則

指標(biāo)的制定必須要合理，要基于實(shí)際的能耗數(shù)據(jù)，與實(shí)際情況相結(jié)合確定水平，不至于使指標(biāo)過高或過低，能貼切現(xiàn)實(shí)，更能反映真實(shí)情況，這才體現(xiàn)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(guī)模的建筑其建筑能耗均有差別，按照建筑的規(guī)模、用途以及用能情況進(jìn)行分類并分別制定不同的指標(biāo)更能體現(xiàn)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(jìn)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(shí)效性原則

能耗定額指標(biāo)要根據(jù)某時(shí)期和某地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)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(huì)導(dǎo)致公共建筑能耗的大幅度提升。但隨著節(jié)能新技術(shù)和新產(chǎn)品在建筑中的應(yīng)用及管理措施的實(shí)施，都會(huì)使公共建筑具有更佳的節(jié)能效果。因此，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的發(fā)展，公共建筑的能耗定額指標(biāo)也要不斷完善，真正體現(xiàn)能耗定額指標(biāo)的制定意義。

1.4可行性原則

可行性原則是任何標(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)難易程度不同，因?yàn)樗鼈冎g的能耗差別巨大，則這樣制定的標(biāo)準(zhǔn)就是不可行的。而針對不同功能類型的公共建筑進(jìn)行分類再分別制定相對應(yīng)的能耗定額，這樣制定出來的標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的目的是為了通過該標(biāo)準(zhǔn)的約束采用較高水平的建筑節(jié)能技術(shù)來降低建筑能耗，節(jié)約建筑能源，提高建筑用能效率。所以，建筑能耗定額標(biāo)準(zhǔn)的制定必須兼顧技術(shù)先進(jìn)性和可行性。而技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)性優(yōu)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)則更具現(xiàn)實(shí)可行性。在研究過程中，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)與技術(shù)進(jìn)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(tǒng)計(jì)定額的確定

統(tǒng)計(jì)定額是采用一定的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對通過建筑調(diào)查得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而確定的建筑定額值。其中調(diào)查是確定統(tǒng)計(jì)定額的基礎(chǔ)。

2.1.1調(diào)查方法

抽樣調(diào)查作為最基本的統(tǒng)計(jì)調(diào)查方法之一，不僅能節(jié)省人力、物力、財(cái)力，提高資料的時(shí)效性，又能推斷出比較準(zhǔn)確的、全面的資料。還因其原理和方法以數(shù)學(xué)理論為依據(jù)，有著較高的科學(xué)性與廣泛的應(yīng)用。故選用抽樣調(diào)查的方法來進(jìn)行公共建筑能耗的統(tǒng)計(jì)調(diào)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(jī)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(biāo)志加以分類，然后再從各類中按隨機(jī)的原則抽取若干個(gè)樣本單位，由各類的樣本單位組成一個(gè)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(shù)倍。所以此處采用分類抽樣的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查[14]。分類抽樣根據(jù)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(shù)量差別較大，文章采用不等比例分類抽樣來進(jìn)行調(diào)查。文章將所調(diào)查的公共建筑按照功能和特點(diǎn)分為8類，其主要建筑能耗分類指標(biāo)和構(gòu)成見表1。表中Ⅰ代表供暖/空調(diào)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(yīng)能耗,Ⅶ代表炊事能耗。

在能耗調(diào)查過程中，樣本量的多少是一個(gè)關(guān)鍵因素。研究過程中發(fā)現(xiàn)，樣本量的多少取決于所允許調(diào)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(shù)；t為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；P為總體成數(shù)；V為抽樣極限誤差。

表1　公共建筑的主要分類和能耗構(gòu)成

2.1.2指標(biāo)形式

建筑能耗定額指標(biāo)形式對建筑能耗的分配方式有著直接影響，其具體體現(xiàn)了能耗定額標(biāo)準(zhǔn)價(jià)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(biāo)、人均能耗定額指標(biāo)、單位稅收能耗定額指標(biāo)等說法在指標(biāo)體系形式上被更多而廣泛的采用。

單位面積能耗定額指標(biāo)是能耗分配的一種方式，其根據(jù)建筑規(guī)模進(jìn)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(shù)量下確定的取值是單位建筑面積的能源消耗值。計(jì)算方式如(2)表示為

(2)式中：EA為單位面積能耗定額指標(biāo)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(guī)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(biāo)的可操作性強(qiáng)，適用范圍廣。采用單位面積能耗定額指標(biāo)，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(shí)施超額加價(jià)，這有利于我國建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。因此，文章對描述各類公共建筑能耗定額的指標(biāo)形式采用單位面積能耗定額指標(biāo)。

2.1.3確定統(tǒng)計(jì)定額的方法

目前，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，確定統(tǒng)計(jì)的方法有很多，主要有經(jīng)驗(yàn)法、平均值法、回歸分析法、二次平均法、水平法、統(tǒng)計(jì)趨勢分析法[15-16]。文章選取水平法來編制建筑能耗統(tǒng)計(jì)定額。

表2　統(tǒng)計(jì)定額水平樣表

研究發(fā)現(xiàn)，以當(dāng)前的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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(huì)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(shù)定額的確定

對技術(shù)的編制可以分為三個(gè)階段：標(biāo)準(zhǔn)建筑建立、標(biāo)準(zhǔn)建筑分項(xiàng)能耗計(jì)算和建筑能耗技術(shù)定額確定。

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)建筑的建立

技術(shù)編制的前提是建立與當(dāng)前建筑接近的建筑模型作為標(biāo)準(zhǔn)建筑，標(biāo)準(zhǔn)建筑是以當(dāng)前建筑發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，合理界定建筑技術(shù)和使用條件而建立的。對于標(biāo)準(zhǔn)建筑來說，標(biāo)準(zhǔn)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(guī)模、建筑設(shè)計(jì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑服務(wù)對象的數(shù)量、建筑環(huán)境與設(shè)備系統(tǒng)、運(yùn)行管理的操作、建筑室內(nèi)環(huán)境控制要求等)進(jìn)行合理的設(shè)定。

2.2.2建筑能耗計(jì)算方法

建筑能耗是以逐時(shí)變化的室外氣象數(shù)據(jù)、室內(nèi)人員活動(dòng)狀況、室內(nèi)熱源等信息而變化的 ，故宜采用動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算方法。動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算方法是動(dòng)態(tài)能耗模擬的核心，它使能耗計(jì)算準(zhǔn)確度提高，但前提是建立復(fù)雜的傳熱方程。建筑可看作是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，其由室內(nèi)空氣等流體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等固體元素組成。圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到室內(nèi)各種熱擾和室外氣象條件的相互作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)又影響室內(nèi)空氣，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)空氣的傳熱計(jì)算模型共同構(gòu)成建筑能耗計(jì)算模型[17]。

通過計(jì)算室內(nèi)空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱，室內(nèi)房間空氣以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面的熱平衡方程式得以建立，對該方程組進(jìn)行求解即可得到房間的冷熱負(fù)荷。采用狀態(tài)空間法來求解這些復(fù)雜的方程組，據(jù)此，清華大學(xué)江億院士帶領(lǐng)的課題組開發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件DeST，對標(biāo)準(zhǔn)建筑的分項(xiàng)能耗宜采用DeST軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2.3標(biāo)準(zhǔn)建筑分項(xiàng)能耗模擬

文章以商業(yè)建筑專用版本DeST-c為例，進(jìn)行模擬計(jì)算建筑各分項(xiàng)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(gè)步驟：建筑建立、樓層建立、分隔墻體繪畫、房間識(shí)別、門窗添加、房間標(biāo)注。最后通過建筑計(jì)算預(yù)處理，即確定建筑構(gòu)圖形式。

(2) 設(shè)定參數(shù)

計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于兩個(gè)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(shè)定參數(shù)的正確與否。這部分主要分為對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(外墻、內(nèi)墻、樓板、屋頂、地面、門、窗等)的定義，對房間功能的描述，通風(fēng)設(shè)定以及對系統(tǒng)的描述。

(3) 模擬計(jì)算

模擬計(jì)算過程中，在菜單欄中選擇模擬計(jì)算中的計(jì)算項(xiàng)目即可，如建筑陰影計(jì)算、建筑負(fù)荷計(jì)算、建筑能耗計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析等。能耗的模擬要在描述圍護(hù)結(jié)構(gòu)、房間功能和通風(fēng)后才能得以進(jìn)行。最后的計(jì)算結(jié)果可以通過Excel報(bào)表的形式來顯示。

3　結(jié)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(shù)先進(jìn)性和現(xiàn)實(shí)可行性。而建筑能耗技術(shù)定額具有技術(shù)先進(jìn)性的優(yōu)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)定額則更具有現(xiàn)實(shí)可行性。故能耗定額宜采用統(tǒng)計(jì)定額與技術(shù)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(shù)量明確、能耗基準(zhǔn)線清晰的公共建筑能耗定額，可對建筑用能實(shí)行量化管理，激勵(lì)業(yè)主采取多種措施進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能改造，推進(jìn)行為節(jié)能，具有現(xiàn)實(shí)可行的意義。

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(學(xué)科責(zé)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(jié)能科研項(xiàng)目(2014QG012)

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

1673-7644(2016)03-0219-05

TU111.19+5

A