寧波市典型公共機(jī)構(gòu)建筑電耗限額標(biāo)準(zhǔn)化研究

毛艷輝,王金晶,王超群,王瑞超

（1.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.嘉興燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,浙江 嘉興 314000;3.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710311）

0 引言

《中國建筑能耗研究報(bào)告2020》[1]統(tǒng)計(jì)顯示，我國建筑運(yùn)行階段的碳排放占全國能源碳排放的21.9%，比2019年[2]及以前的能耗持續(xù)增長，顯示了2030年碳達(dá)峰目標(biāo)[3]約束下降低建筑能耗的必要性。目前我國的建筑能耗控制依托國家和省級的限額標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，即基于建筑能耗統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)確定基準(zhǔn)值，對超出基準(zhǔn)值的建筑通過懲罰性電價(jià)約束其用電力度。建筑用電限額標(biāo)準(zhǔn)有利于建筑物使用者通過比對實(shí)際用電量與限額基準(zhǔn)值，評估建筑物在行業(yè)中的能效水平，完成自我診斷。

建筑能耗與城市所處氣候區(qū)域及經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，夏季炎熱和冬季寒冷地區(qū)，制冷和供暖負(fù)荷高會增加建筑能耗；經(jīng)濟(jì)水平不同的城市，受建筑用能設(shè)備數(shù)量和功率、建筑環(huán)境舒適度營造需求、建筑用能設(shè)備工作時(shí)長等因素影響，建筑能耗存在明顯區(qū)別。重慶、上海同處于夏熱冬冷氣候分區(qū)，建筑用電限額標(biāo)準(zhǔn)也有較大不同：重慶市《機(jī)關(guān)辦公建筑能耗限額標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T 326—2019規(guī)定機(jī)關(guān)辦公建筑電耗基準(zhǔn)值為53 kWh/(m2·a)，而上海市《機(jī)關(guān)辦公建筑合理用能指南》DB31/T 550—2015為110 kWh/(m2·a)，是重慶的兩倍；上海與浙江省氣候相同，浙江省寧波與上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平接近，但浙江省《行政機(jī)關(guān)單位綜合能耗、電定額及計(jì)算方法》DB33/T 736—2016中，省級機(jī)關(guān)辦公建筑電耗標(biāo)準(zhǔn)為90 kWh/(m2·a)，市級機(jī)關(guān)辦公建筑電耗標(biāo)準(zhǔn)為60 kWh/(m2·a)，既不能體現(xiàn)寧波等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)市級機(jī)關(guān)建筑的高能耗特點(diǎn)，也放寬了省內(nèi)欠發(fā)達(dá)地區(qū)能耗標(biāo)準(zhǔn)，反而會導(dǎo)致全省建筑能耗總量的增加。同濟(jì)大學(xué)[4]對杭州市酒店、商業(yè)辦公、商場三類建筑的能耗分析表明，現(xiàn)行浙江省建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能力度“有待加強(qiáng)”。此外，由于公共機(jī)構(gòu)建筑的用能費(fèi)用部分或全部由財(cái)政資金承擔(dān)，以及公共機(jī)構(gòu)建筑具有提供公共服務(wù)的屬性，其人員用能行為與非公共機(jī)構(gòu)建筑存在明顯差異，而現(xiàn)有文獻(xiàn)中還沒有對浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)公共機(jī)構(gòu)建筑用能特點(diǎn)的相關(guān)研究，本文基于寧波市機(jī)關(guān)辦公和醫(yī)院建筑能耗數(shù)據(jù)開展的限額分析，將進(jìn)一步完善浙江省公共建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 研究思路

1.1 能耗數(shù)據(jù)來源

電力是建筑的主要能源種類，參考北京[5-6]等地以電耗進(jìn)行限額管理的做法，文中以建筑電耗為分析元素。因公共機(jī)構(gòu)對數(shù)據(jù)調(diào)研配合度較高，收集反饋的有效樣本主要為寧波市機(jī)關(guān)辦公和醫(yī)療衛(wèi)生建筑，分別為65組和28組，信息包含建筑面積、用電量、用電范圍等，故采用寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑和醫(yī)院建筑作為研究對象。受不少機(jī)關(guān)單位合署辦公的影響，寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑的總量難以統(tǒng)計(jì)，已統(tǒng)計(jì)到65組的單位數(shù)據(jù)已涵蓋了各區(qū)縣市主要行政機(jī)關(guān)。根據(jù)寧波市公眾健康服務(wù)平臺公開的信息，寧波市二、三級醫(yī)院總數(shù)51家，本次統(tǒng)計(jì)到28組醫(yī)院數(shù)據(jù)，已超過半數(shù)，樣本數(shù)據(jù)具有代表性。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

建筑能耗限額[7]主要有兩種方法：一是統(tǒng)計(jì)定額法，通過采集大量數(shù)據(jù)并經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得出建筑能耗限額值。優(yōu)點(diǎn)是有大量樣本數(shù)據(jù)，結(jié)果較為合理，但數(shù)據(jù)不易獲得且質(zhì)量參差不齊。二是技術(shù)定額法，通過選定標(biāo)桿建筑，再經(jīng)過技術(shù)測量得出其能耗值，并對同類建筑進(jìn)行約束。缺點(diǎn)是難以保證標(biāo)桿建筑對所有建筑能耗的代表性。本文采用統(tǒng)計(jì)定額法，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下進(jìn)行分析，并參照《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161—2016限額思路，形成電耗約束值指標(biāo)（為實(shí)現(xiàn)建筑使用功能所允許消耗的建筑能耗指標(biāo)上限值）。

為確保數(shù)據(jù)分析的合理性，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常值，以避免統(tǒng)計(jì)過程中可能存在的誤差對整體分布造成影響，使能耗標(biāo)準(zhǔn)偏高或過低，然后將各類型公共建筑的數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進(jìn)行聚類分析，確定建筑能耗的分類依據(jù)，再將分析后的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)后樣本與理論差異不大，則可運(yùn)用限額水平法進(jìn)行能耗限額標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

2 數(shù)據(jù)分析過程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行箱線圖分析可以客觀得到偏離整體較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，并將其剔除。圖1是寧波市機(jī)關(guān)辦公和醫(yī)院建筑用電數(shù)據(jù)箱線圖。寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑用電數(shù)據(jù)存在異常值277.26 kWh/(m2·a)，超過了本批次寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑的正常用電區(qū)間范圍，對數(shù)據(jù)源頭追溯，結(jié)合該部門的能源審計(jì)報(bào)告，是由于該建筑的信息機(jī)房用電未與其他辦公用電單獨(dú)計(jì)量，導(dǎo)致用電量劇增，應(yīng)將其剔除。寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑箱線圖的上邊緣值為122.28 kWh/(m2·a)，下邊緣值為24.57 kWh/(m2·a)；寧波市醫(yī)院建筑電耗不存在異常值，上邊緣值為156.55 kWh/(m2·a)，下邊緣值為49.11 kWh/(m2·a)。寧波市醫(yī)院建筑的年平均用電量總體高于寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑，與醫(yī)院建筑用電設(shè)施（包含辦公所需的醫(yī)療設(shè)備用電），以及全年無休等實(shí)際因素有關(guān)，符合正常的用電規(guī)律。

圖1 兩類寧波市公共機(jī)構(gòu)建筑電耗原始數(shù)據(jù)箱線圖

2.2 聚類分析

聚類分析是通過對數(shù)據(jù)分類，使同一類數(shù)據(jù)的性質(zhì)相似，存在差異的數(shù)據(jù)分為不同類別。常用的聚類分析方法有直接聚類法、最短距離聚類法和最遠(yuǎn)距離聚類法。由于最遠(yuǎn)距離放大了類間距離，最短距離縮小了類間距離，故本次研究采用介于兩者之間的中間距離，即以平方Euclidean距離為度量標(biāo)準(zhǔn)的組間平均連接法，對寧波兩類公共機(jī)構(gòu)建筑的電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 寧波市醫(yī)院建筑

對28個(gè)項(xiàng)目的電耗數(shù)據(jù)編號并進(jìn)行聚類分析，結(jié)合現(xiàn)有建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)體系按醫(yī)院級別分類的方法，將第1號至15號編排為三級醫(yī)院，第16號至28號編排為二級醫(yī)院，以便于根據(jù)序號查看聚類分析結(jié)果。圖2為寧波市醫(yī)院建筑聚類分析樹狀圖，可知寧波市醫(yī)院建筑分為2類，每個(gè)類別的樣本數(shù)分別為13個(gè)和15個(gè)，13個(gè)樣本數(shù)的一組數(shù)據(jù)中，10個(gè)為二級醫(yī)院，二級醫(yī)院比例76.9%，15個(gè)樣本數(shù)的一組數(shù)據(jù)中，12個(gè)為三級醫(yī)院，三級醫(yī)院比例80%，可以認(rèn)為寧波市醫(yī)院建筑用電按照醫(yī)院級別分類的方法是合理的。

圖2 醫(yī)院建筑電耗聚類分析樹狀圖（1～15為三級醫(yī)院，16~28為二級醫(yī)院）

2.2.2 寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑

對剔除異常數(shù)據(jù)后的64個(gè)寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，為方便按編號查找對應(yīng)的分析結(jié)果，根據(jù)浙江省《行政機(jī)關(guān)單位綜合能耗、電耗定額及計(jì)算方法》DB33/T 736—2016，將機(jī)關(guān)辦公分為省級機(jī)關(guān)和市級機(jī)關(guān)的分類方法，將1號至22號編排為市級機(jī)關(guān)，將23號至64號編排為區(qū)（縣）機(jī)關(guān)。聚類分析結(jié)果如樹狀圖3（a）所示，64個(gè)寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑的電耗數(shù)據(jù)被分為兩類，一類為16個(gè)數(shù)據(jù)，其中市級機(jī)關(guān)有13個(gè)，占比81.25%；另一類包含48個(gè)建筑數(shù)據(jù)，區(qū)（縣）級機(jī)關(guān)39個(gè)，占比81.25%，表明寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑用電特點(diǎn)與行政級別存在對應(yīng)關(guān)系。

建筑面積大于20 000 m2的大型公共建筑在《大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》DG/TJ 08—2068—2017等規(guī)范中，是重點(diǎn)用能管理對象，為進(jìn)一步辨析建筑體量與建筑能耗的關(guān)系，按照建筑面積從大到小進(jìn)行編號并再次聚類分析，其中第1號至第21號均大于20 000 m2，其余為小于20 000 m2的建筑。圖3（b）聚類分析結(jié)果顯示數(shù)據(jù)被分為兩類，第一類的16個(gè)數(shù)據(jù)中有15個(gè)建筑面積大于20 000 m2，占比93.7%；第二類48個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)中有40個(gè)小于20 000 m2，占比83%，表明寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑的用電特點(diǎn)與總建筑面積也存在關(guān)聯(lián)。

圖3 寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑電耗聚類分析樹狀圖（a）按行政級別分類：1～22為市級機(jī)關(guān)，23~64為縣級機(jī)關(guān)；（b）按建筑面積分類：1～21為大于20 000 m2，22～64為小于20 000 m2

2.3 正態(tài)分布檢驗(yàn)

為了判斷樣本所代表的背景總體與理論正態(tài)分布是否存在顯著差異，對寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑和醫(yī)院建筑用電數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S假設(shè)檢驗(yàn)，假設(shè)其服從正態(tài)分布，設(shè)定顯著性水平為0.05，含義為服從正態(tài)分布的假設(shè)正確時(shí)，被拒絕的概率是5%。通過對寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑用電分別按照行政級別和建筑面積、寧波市醫(yī)院建筑用電按照醫(yī)院等級進(jìn)行單樣本K-S假設(shè)檢驗(yàn)，結(jié)果匯總于表1，可知各類建筑單位面積電耗數(shù)據(jù)的漸進(jìn)顯著性均大于0.05，即接受原假設(shè)，各分類數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，具備按照限額水平法劃分能耗等級的數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。表1中，均值為樣本數(shù)量的算術(shù)平均值，標(biāo)準(zhǔn)差表征了樣本數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差大，則各樣本值與平均值偏離較遠(yuǎn)。第25、50、75百分位數(shù)，表示樣本數(shù)值累計(jì)頻次分別達(dá)到25%、50%、75%，如第25百分位數(shù)，即有25%的數(shù)據(jù)小于表1中的該數(shù)值。表1結(jié)果表明，寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑按照面積分類，或按照行政機(jī)關(guān)級別分類都具有合理性，分別在上海市《大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》DG/TJ 08—2068—2017、浙江省《行政機(jī)關(guān)單位綜合能耗、電耗定額及計(jì)算方法》DB33/T 736—2016中都有應(yīng)用，但寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑面積大于20 000 m2的電耗數(shù)據(jù)漸進(jìn)顯著性為0.253，在各分類數(shù)據(jù)中處于最低水平，同時(shí)為便于與浙江省建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)比較，下文按照行政區(qū)域級別進(jìn)行限額分析。

表1 K-S假設(shè)檢驗(yàn)匯總

對表1中符合正態(tài)分布的寧波市公共機(jī)構(gòu)建筑電耗數(shù)據(jù)采用式（1）的限額水平法[8]劃分約束性控制指標(biāo)，以保證大多數(shù)建筑的合理用電，對正態(tài)分布的峰谷用戶采取限額管理。

式中：

R—建筑電耗數(shù)據(jù)的限額值，kWh/(m2.a)；

X—建筑電耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)樣本均值，kWh/(m2.a)；

σ—建筑電耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)樣本標(biāo)準(zhǔn)差，kWh/(m2.a)；

Zα—（1-α）對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度值，α為限額水平，α=0.2時(shí)，Zα=0.842。

本文對限額水平的取值，參考了《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161—2016的建議值α的取值范圍為0.15～0.35，本文取為0.2，即認(rèn)為80%的建筑用電合理。以寧波市市級機(jī)關(guān)辦公建筑為例，用電限額約束性指標(biāo)計(jì)算方法為：

同理可得兩類典型寧波市公共機(jī)構(gòu)建筑用電限額約束值如表2。

表2 寧波市兩類公共機(jī)構(gòu)建筑電耗約束值

3 討論及建議

為判斷寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑和醫(yī)院建筑電耗水平與其他城市的差異，將前文數(shù)據(jù)與浙江省《行政機(jī)關(guān)單位綜合能耗、電耗定額及計(jì)算方法》DB33/T 736—2015，以及《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161—2016中的同類建筑電耗進(jìn)行了比較，結(jié)果列于表3、表4。

從表3可知，寧波市市級、縣級機(jī)關(guān)辦公建筑的約束值分別為88.54 kWh/(m2·a)、73.45 kWh/(m2·a)，比浙江省市級、縣級機(jī)關(guān)辦公建筑用電的限額水平60 kWh/(m2·a)和50 kWh/(m2·a)分別高了47.6%和46.9%。結(jié)合省內(nèi)各地區(qū)生產(chǎn)總值[9]，以2019年為例，杭州和寧波市分別約1.5萬億元和1.2萬億元，溫州和紹興分別為0.6萬億和0.5萬億，衢州、麗水、舟山均在0.1億元左右，所以，省內(nèi)均等的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法拉低了全省的建筑電耗限額標(biāo)準(zhǔn)，不能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的實(shí)際建筑電耗水平。相比國家標(biāo)準(zhǔn)，寧波作為夏熱冬冷地區(qū)城市，在相同氣候分區(qū)城市群如上海、南京、蘇州、重慶、合肥等城市中，寧波經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，但寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑的電耗尚處于自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的中間水平，表明寧波市行政機(jī)關(guān)建筑的用能合理性。

表3 機(jī)關(guān)辦公建筑電耗限額在不同標(biāo)準(zhǔn)中比較

表4為寧波市醫(yī)院建筑用電與浙江省平均水平比較，由于醫(yī)院建筑本身數(shù)量較少，增加了樣本分析的難度，在《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161—2016中沒有醫(yī)院建筑的限額標(biāo)準(zhǔn)。表4顯示出寧波市二級醫(yī)院建筑與三級醫(yī)院建筑用電的約束值相近，還略高于三級醫(yī)院。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及表1的計(jì)算結(jié)果，寧波市三級醫(yī)院單位面積電耗區(qū)間為60 kWh/（m2·a）至136.22 kWh/（m2·a），標(biāo)準(zhǔn)差為22.94 kWh/（m2·a），寧波市二級醫(yī)院單位電耗區(qū)間為49.11 kWh/（m2·a）至156.55 kWh/（m2·a），標(biāo)準(zhǔn)差為37.35 kWh/（m2·a），標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明二級醫(yī)院電耗數(shù)據(jù)更分散，單個(gè)樣本數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離平均值，追溯原始建筑參數(shù)，發(fā)現(xiàn)主要是二級醫(yī)院較多分布在縣域內(nèi)，就近原則使二級醫(yī)院有一定的就診規(guī)模，形成了接近于寧波市市域三級醫(yī)院的能耗峰值，印證了我國建筑能耗“城鄉(xiāng)二元分布”的雙峰值特征[10]。

表4 醫(yī)院建筑電耗限額在不同標(biāo)準(zhǔn)中比較

相對比浙江省三級醫(yī)院建筑用電限額155 kWh/（m2·a），寧波市三級醫(yī)院建筑用電限額水平118.38 kWh/（m2·a）量，電耗明顯較低，推測是寧波市三級醫(yī)院主要為寧波市就診人群，浙江省三級醫(yī)院面向全省，就診人數(shù)差異導(dǎo)致了市級與省級醫(yī)院的能耗差異。此外，寧波市二級醫(yī)院用電限額119.33 kWh/（m2·a）遠(yuǎn)高于浙江省二級醫(yī)院平均用電水平60 kWh/（m2·a），推測是省內(nèi)經(jīng)濟(jì)相對不發(fā)達(dá)城市的二級醫(yī)院醫(yī)療水平和就診人數(shù)限制，拉低了浙江省二級醫(yī)院建筑用電水平，同時(shí)受寧波市二級醫(yī)院電耗數(shù)據(jù)離散程度大的影響，抬高了寧波市二級醫(yī)院建筑用電水平，有待于調(diào)研更加完善的寧波市醫(yī)院建筑輔助信息校核限額標(biāo)準(zhǔn)。

從降低建筑能耗、減少建筑碳排放的角度，對寧波市公共機(jī)構(gòu)建筑的用能管理及后續(xù)研究有如下建議：

（1）寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑有待于更加嚴(yán)格（如限額水平取0.3）的建筑電耗標(biāo)準(zhǔn)，并可從建筑面積和行政級別兩個(gè)角度提高對機(jī)關(guān)辦公建筑用電的約束力；

（2）寧波作為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，應(yīng)當(dāng)利用經(jīng)濟(jì)資源優(yōu)勢，增加建筑低碳運(yùn)行中的科技研發(fā)投入，承擔(dān)與城市國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）對等的節(jié)能責(zé)任。

（3）有待于通過對寧波市醫(yī)院建筑病床數(shù)、就診人數(shù)的信息采集，進(jìn)一步挖掘醫(yī)院建筑雙峰值特征的驅(qū)動(dòng)因素。

4 結(jié)論

通過對寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑和醫(yī)院建筑的電耗數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)分析，研究得到兩類公共機(jī)構(gòu)建筑的用電特征：

（1）寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑用電能耗與用能單位的行政級別和建筑體量都有對應(yīng)關(guān)系；

（2）寧波市市級、縣級機(jī)關(guān)辦公建筑單位電耗比全省平均的市級、縣級機(jī)關(guān)建筑電耗分別高出47.6%和46.9%；與同處夏熱冬冷地區(qū)的其他長三角城市相比，寧波市機(jī)關(guān)辦公建筑電耗處于正常水平；

（3）寧波市三級醫(yī)院與二級醫(yī)院電耗水平接近，存在“城鄉(xiāng)二元分布”的雙峰值特征。