基于统计数据编制的公共建筑能耗定额

摘 要

摘要：通过比较单位建筑面积年能耗与人均年能耗，选用后者作为编制公共建筑能耗定额的基础。基于统计数据编制公共建筑能耗定额的方法包括参数估计法、回归分析法、定额水平法，定
摘要：通过比较单位建筑面积年能耗与人均年能耗，选用后者作为编制公共建筑能耗定额的基础。基于统计数据编制公共建筑能耗定额的方法包括参数估计法、回归分析法、定额水平法，定额水平法具有普遍性。不同能耗定额编制方法代表了不同的定额水平，定额水平的确定须谨慎选择，因为它是公共建筑能耗是否合理的界定依据。
关键词：公共建筑；建筑节能；能耗指标；能耗定额
Establishment of Energy Consumption Quota for Public Buildings Based on Statistical Data
ZHOU Zhi-yong，FU Xiang-zhao，LIU Jun-yue，HE Hua
Abstract：After comparing annual energy consumption per unit floor area with that Per capita，the latter is selected as a basis for establishment of energy consumption quota for public buildings. The methods for establishment of energy consumption quota for public buildings based on statistical data include parameter evaluation method，regression analysis method and quota level method，among which the quota level method is more universal than the others. Each of the methods means different quota level， so it should be cautious to choose a quota for energy consumption which would give a baseline for appropriate energy consumption.
Key words：public building；building energy saving；energy consumption index；energy consumption quota
1 概述
    得益于各级政府的重视，我国的节能减排工作取得了明显的成效，建筑领域的节能工作正逐步走向常态化，各部门也对建筑节能进行了大量研究和实践[1～9]。但是建筑节能领域存在片面追求节能率、高技术的现象，严重影响了建筑节能的健康发展。建筑节能工作的成效应以建筑消耗掉的能源作为依据，而建筑能耗定额的引入将会使得人们更加关注实实在在的能源账单，从而打破人们对节能率、高技术的盲目追求，开始以科学务实的态度进行技术甄别，将建筑节能工作引入正常发展的轨道。本文对基于统计数据的公共建筑能耗定额编制的理论和方法进行探讨。
2 建筑能耗指标的选取
    统计数据来源于广东省某市的公共建筑，样本建筑共51幢，能耗数据为2007年全年数据。样本建筑均采用电驱动空调，燃气只限于炊事用，因此将建筑年耗电量视为建筑全年能耗，能耗单位采用kW·h。目前，常用的公共建筑能耗指标有人均年能耗、单位建筑面积年能耗，而且后者的使用更加广泛，究竟哪个指标更合理，下面基于统计数据进行详细分析。
   ① 相关统计数据分析
基于统计数据得到51幢样本建筑的人均建筑面积、人均年能耗、单位建筑面积年能耗，为便于分析，对这3项数据进行了归一化处理。将51幢公共建筑按归一化处理后的人均建筑面积由大到小进行编号，三者的关系曲线见图1。由图1可知，随着人均建筑面积的增加，人均年能耗呈现上升的趋势，而单位建筑面积年能耗呈现下降的趋势。
 
   ② 建筑能耗指标合理性分析
   若以单位建筑面积年能耗作为建筑能耗指标，随着人均建筑面积的增加，建筑能耗会被逐渐稀释，从而导致单位建筑面积年能耗下降，但此时人均年能耗却在攀升。结果就是：建筑能效高的建筑是人均年能耗高而单位建筑面积年能耗低的建筑，这显然是不公平的。
   建筑能耗是人类活动的产物，但是单位建筑面积年能耗却选用建筑面积这个物理参数进行判断，这显然不合理。人均年能耗则不同，它选用了服务人数这个带有社会价值判断的指标进行建筑能耗判断，具有明显的内在合理性，这个合理性也说明了这样一个事实：即合理的人均建筑面积是建筑能耗合理必然的内在要求，不合理的人均建筑面积必然会导致不合理的建筑能耗。
3 基于统计数据编制的能耗定额
3.1 能耗定额的编制方法
   多数人认为统计数据容易失真，掩盖了实际使用中存在的能源浪费，因此特别强调统计资料的真实性，这只有通过规范统计方法与提高统计工作水平来解决。计划定额是在假设统计数据真实的基础上，根据实际能耗的统计特性编制的适应性定额，它只分析实际能耗的规律，不对实际能耗的真实性进行判断。基于建筑实际能耗编制的能耗定额，比较容易被大家接受和认可，这是其显著的优点。但是受到统计数据质量的影响，统计数据的失真会严重影响能耗定额的质量，这又是其不可回避的缺陷。基于统计数据编制公共建筑能耗定额的方法包括参数估计法、回归分析法、定额水平法。
3.2 参数估计法
    参数估计法是利用抽样统计的方法得到样本建筑的能耗数据，然后通过对样本建筑参数的计算来估计总体建筑能耗水平的方法，常用的方法有平均值法、二次平均法。
   ① 平均值法
平均值法也可称为简单算术平均法，是以样本建筑的人均年能耗的简单算术平均数作为能耗定额的方法，计算式为：
 
式中Qq,a——采用平均值法计算得到的能耗定额，kW·h/(人·a)
    Qav——人均年能耗平均值，kW·h/(人·a)
    n——样本建筑的数量
    Qi——第i幢样本建筑的人均年能耗，kW·h/(人·a)
    由统计数据可计算得到Qq,a=4226.7kW·h/(人·a)，人均年能耗的概率分布为右偏和尖峰分布。
   ② 二次平均法
首先求取人均年能耗平均值，然后对小于人均年能耗平均值的数据求平均值，最后求两者的平均值，计算式为：
 
式中Qq,q——采用二次平均法计算得到的能耗定额，kW·h/(人·a)
    Qm——先进平均值，即小于Qav样本建筑的人均年能耗的平均值，kW·h/(人·a)
    m——人均年能耗小于Qav的样本建筑数量
    Qj——小于Qav的第j幢样本建筑人均年能 耗，kW·h/(人·a)
    由统计数据可计算得到Qm=2688.6kW·h/(人·a)，最终计算得到Qq,q=3457.7kW·h/(人·a)。
3.3 回归分析法
    回归分析法是利用实际能耗的变化与影响之间的联系，建立相应的回归模型，编制能耗定额的方法。在运用回归分析法时，各种影响因素是自变量，能耗定额是因变量。由分析可知，单位建筑面积年能耗不能合理反映建筑能耗的根本原因在于没有考虑人均建筑面积的影响，因此引入人均建筑面积标准的概念。人均建筑面积标准采用样本建筑人均建筑面积平均值表征，由统计数据计算求得人均建筑面积平均值为63.48m2/人，其概率分布为右偏和尖峰分布。采用回归分析法，能耗定额的计算式为：
    Qq,r=AQ    (3)
式中Qq,r——采用回归分析法计算得到的能耗定额，kW·h/(人·a)
    A——人均建筑面积标准，m2/人
    Q——对应人均建筑面积标准的单位建筑面积年能耗，kW·h/(m2·a)
    由图1可知，单位建筑面积年能耗与人均建筑面积呈负相关，且变量之间并非线性关系，因此采用曲线回归建立两者的函数关系。将样本建筑中变量关系明显与负相关相悖的数据剔除后剩余22幢样本建筑，采用统计软件SPSS(Statistical Product and Service Solutions，统计产品与服务解决方案)进行曲线回归，得到各种回归形式的相关数据(见表1)。
表1 各种回归形式的相关数据
回归形式
判定系数
F检验
常数
系数1
系数2
线性函数
0.226
0.025
77.390
-0.300
—
对数函数
0.425
0.001
169.183
-28.137
—
二次曲线
0.393
0.009
108.261
-1.267
0.005
增长曲线
0.338
0.005
4.218
-0.005
—
逆函数
0.660
0.000
21.514
1532.000
—
复合函数
0.338
0.005
72.285
0.995
—
幂函数
0.532
O.000
262.111
-0.403
—
S形函数
0.689
0.000
3.498
20.034
—
逻辑函数
0.338
0.005
0.014
1.005
—
回归曲线与各观测点的接近程度称为拟合优度，判定系数越高则拟合优度越高，即回归曲线与各观测点的拟合越好。由表1可知，逆函数和S形函数的拟合优度最好。为了便于直观分析函数关系，选用逆函数。由表1逆函数相关数据，可得到对应人均建筑面积标准的单位建筑面积年能耗的计算式为：
 
   将A=63.48m2/人代入式(4)，计算得到Q=45.65kW·h/(m2·a)。将上述计算结果代入式(3)，计算得到Qq,r=2897.9kW·h/(人·a)。
3.4 定额水平法
   ① 定额水平的概念
   定额水平是指各类建筑为实现其功能，对应该消耗的能源数量要求的严格程度。定额水平是能耗定额的质量指标，可以分为绝对水平和相对水平。能耗定额数值即其绝对水平，但是这个数值本身很难说明对应该消耗能源数量要求的严格程度。能耗定额只有与实际能耗数值对比，才能说明其严格程度，因此定额水平一般指其相对水平。
    ② 基于统计数据的定额水平
    在编制能耗定额时，定额水平实际上就是人均年能耗的概率分布。若能够得到所有人均年能耗的数据，对这些数据进行合理性修正后建立其概率分布，则这样的定额水平参照系将是非常理想和完善的，但是在实际工作中这显然是不可行的。这是由于能耗定额涉及的建筑总体数量往往非常庞大，进行普查将是一项很大的工程，势必投入巨大的时间和成本，实际工作中往往只能选择抽样调查的方法。即使能够进行普查，建筑能耗的修正也将是海量的工作，因此只能用样本建筑的统计量来推断总体的参数。而且为了进一步简化工作，样本建筑的能耗数据也不作修正，直接用来计算概率分布，然后用样本数据的概率分布来表示总体的概率分布。
   ③ 定额水平表的编制
   编制定额水平表即计算样本数据的概率，然后以表格或图形的方式表示出来，以便编制定额时查找，定额水平样表见表2。
表2 定额水平样表
累积概率
对应能耗定额/
(kW·h·人-1·a-1)
累积概率
对应能耗定额/(kW·h·人-1·a-1)
0.10
1663
0.55
4477
O.15
2163
0.60
4733
0.20
2543
0.65
4997
0.25
2877
0.70
5277
0.30
3177
0.75
5577
0.35
3457
0.80
5911
0.40
3721
0.85
6291
0.45
3977
0.90
6791
0.50
4227
0.95
7517
④ 定额水平法编制流程
   选定样本建筑；收集样本建筑的能耗数据；编制定额水平表；选定适宜的定额水平；根据选定的定额水平查找定额水平表，最后确定能耗定额。
4 各种编制方法的分析
4.1 各种编制方法的定额水平值
    以定额水平表作为参照，分析由各种编制方法得到的能耗定额，可以发现不同的编制方法实际上代表了不同的定额水平值：平均值法的定额水平值为0.5；二次平均法的定额水平值为0.35，其中先进平均值的定额水平值为0.22；回归分析法的定额水平值接近0.25。
4.2 各种编制方法的实质
   ① 平均值法代表“平均合理”的定额水平。平均值法采用平均值计算能耗定额，这是其“平均”的内涵；基于平均的内涵，一般建筑都应该并且可能达到该能耗定额，这是其“合理”的内涵。
   ② 二次平均法代表“平均先进”的定额水平。采用二次平均法计算能耗定额是基于平均值与先进平均值求得，即介于“平均合理”与“先进水平”之间，这是其“平均先进”的内涵。
    ③ 回归分析法代表了“先进合理”的定额水平。采用回归分析法计算能耗定额时，设置了人均建筑面积标准，这是其“先进”的内涵，即反映了社会公平；回归结果显示，其能耗定额水平仍低于先进平均值，这是其“合理”的内涵。
4.3 各种编制方法的适用性
    ① 各种编制方法的关系
    定额水平越高则能够达到能耗定额要求的建筑数量越少，即要求越严格。与定额水平不同，定额水平值是反映定额水平的具体数值，定额水平值越高则定额水平越低，能够达到能耗定额要求的建筑数量越多，即要求越宽松。由分析可知，定额水平法是通用方法，平均值法、二次平均法和回归分析法实际上是定额水平法的特例。在该案例中，由于引入了人均建筑面积标准，回归分析法的定额水平高于二次平均法但低于先进平均值，这表明选用人均建筑面积标准的正确性。由于各类建筑的影响因素不同，因此二次平均法、回归分析法的定额水平相对关系不确定，但是二次平均法的定额水平一定高于平均值法。
    ② 决策者应选定合适的定额水平
    由分析可知，能耗定额编制方法的选择，实际上就是定额水平的选择，一旦选定了定额水平则相应的能耗定额也就确定了，而能耗定额是建筑能耗合理与否的界限，因此决策部门在选用定额水平时必须综合考虑各种影响因素。影响因素一般包括：实施能耗定额制度预期达到的目标；实现节能目标的阶段目标分解；合理建筑能耗的技术分析；社会预期的承受能力；定额水平的公平与效率权衡。
5 结论
    ① 公共建筑宜选用人均年能耗作为建筑能耗指标。
    ② 不同能耗定额编制方法代表了不同的定额水平。
    ③ 定额水平法具有普遍性。
    ④ 定额水平的确定须谨慎，因为它是建筑能耗合理与否的界定。
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(本文作者：周智勇1、2 付祥钊1 刘俊跃2 何华1 1.重庆大学城市建设与环境工程学院重庆 400045；2.深圳市建筑科学研究院有限公司 广东深圳 518049)