基于統計數據編制的公共建筑能耗定額

摘 要

摘要：通過比較單位建筑面積年能耗與人均年能耗，選用后者作為編制公共建筑能耗定額的基礎。基于統計數據編制公共建筑能耗定額的方法包括參數估計法、回歸分析法、定額水平法，定
摘要：通過比較單位建筑面積年能耗與人均年能耗，選用后者作為編制公共建筑能耗定額的基礎。基于統計數據編制公共建筑能耗定額的方法包括參數估計法、回歸分析法、定額水平法，定額水平法具有普遍性。不同能耗定額編制方法代表了不同的定額水平，定額水平的確定須謹慎選擇，因為它是公共建筑能耗是否合理的界定依據。
關鍵詞：公共建筑；建筑節能；能耗指標；能耗定額
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
    得益于各級政府的重視，我國的節能減排工作取得了明顯的成效，建筑領域的節能工作正逐步走向常態化，各部門也對建筑節能進行了大量研究和實踐[1～9]。但是建筑節能領域存在片面追求節能率、高技術的現象，嚴重影響了建筑節能的健康發展。建筑節能工作的成效應以建筑消耗掉的能源作為依據，而建筑能耗定額的引入將會使得人們更加關注實實在在的能源賬單，從而打破人們對節能率、高技術的盲目追求，開始以科學務實的態度進行技術甄別，將建筑節能工作引入正常發展的軌道。本文對基于統計數據的公共建筑能耗定額編制的理論和方法進行探討。
2 建筑能耗指標的選取
    統計數據來源于廣東省某市的公共建筑，樣本建筑共51幢，能耗數據為2007年全年數據。樣本建筑均采用電驅動空調，燃氣只限于炊事用，因此將建筑年耗電量視為建筑全年能耗，能耗單位采用kW·h。目前，常用的公共建筑能耗指標有人均年能耗、單位建筑面積年能耗，而且后者的使用更加廣泛，究竟哪個指標更合理，下面基于統計數據進行詳細分析。
   ① 相關統計數據分析
基于統計數據得到51幢樣本建筑的人均建筑面積、人均年能耗、單位建筑面積年能耗，為便于分析，對這3項數據進行了歸一化處理。將51幢公共建筑按歸一化處理后的人均建筑面積由大到小進行編號，三者的關系曲線見圖1。由圖1可知，隨著人均建筑面積的增加，人均年能耗呈現上升的趨勢，而單位建筑面積年能耗呈現下降的趨勢。
 
   ② 建筑能耗指標合理性分析
   若以單位建筑面積年能耗作為建筑能耗指標，隨著人均建筑面積的增加，建筑能耗會被逐漸稀釋，從而導致單位建筑面積年能耗下降，但此時人均年能耗卻在攀升。結果就是：建筑能效高的建筑是人均年能耗高而單位建筑面積年能耗低的建筑，這顯然是不公平的。
   建筑能耗是人類活動的產物，但是單位建筑面積年能耗卻選用建筑面積這個物理參數進行判斷，這顯然不合理。人均年能耗則不同，它選用了服務人數這個帶有社會價值判斷的指標進行建筑能耗判斷，具有明顯的內在合理性，這個合理性也說明了這樣一個事實：即合理的人均建筑面積是建筑能耗合理必然的內在要求，不合理的人均建筑面積必然會導致不合理的建筑能耗。
3 基于統計數據編制的能耗定額
3.1 能耗定額的編制方法
   多數人認為統計數據容易失真，掩蓋了實際使用中存在的能源浪費，因此特別強調統計資料的真實性，這只有通過規范統計方法與提高統計工作水平來解決。計劃定額是在假設統計數據真實的基礎上，根據實際能耗的統計特性編制的適應性定額，它只分析實際能耗的規律，不對實際能耗的真實性進行判斷。基于建筑實際能耗編制的能耗定額，比較容易被大家接受和認可，這是其顯著的優點。但是受到統計數據質量的影響，統計數據的失真會嚴重影響能耗定額的質量，這又是其不可回避的缺陷。基于統計數據編制公共建筑能耗定額的方法包括參數估計法、回歸分析法、定額水平法。
3.2 參數估計法
    參數估計法是利用抽樣統計的方法得到樣本建筑的能耗數據，然后通過對樣本建筑參數的計算來估計總體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
平均值法也可稱為簡單算術平均法，是以樣本建筑的人均年能耗的簡單算術平均數作為能耗定額的方法，計算式為：
 
式中Qq,a——采用平均值法計算得到的能耗定額，kW·h/(人·a)
    Qav——人均年能耗平均值，kW·h/(人·a)
    n——樣本建筑的數量
    Qi——第i幢樣本建筑的人均年能耗，kW·h/(人·a)
    由統計數據可計算得到Qq,a=4226.7kW·h/(人·a)，人均年能耗的概率分布為右偏和尖峰分布。
   ② 二次平均法
首先求取人均年能耗平均值，然后對小于人均年能耗平均值的數據求平均值，最后求兩者的平均值，計算式為：
 
式中Qq,q——采用二次平均法計算得到的能耗定額，kW·h/(人·a)
    Qm——先進平均值，即小于Qav樣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的樣本建筑數量
    Qj——小于Qav的第j幢樣本建筑人均年能 耗，kW·h/(人·a)
    由統計數據可計算得到Qm=2688.6kW·h/(人·a)，最終計算得到Qq,q=3457.7kW·h/(人·a)。
3.3 回歸分析法
    回歸分析法是利用實際能耗的變化與影響之間的聯系，建立相應的回歸模型，編制能耗定額的方法。在運用回歸分析法時，各種影響因素是自變量，能耗定額是因變量。由分析可知，單位建筑面積年能耗不能合理反映建筑能耗的根本原因在于沒有考慮人均建筑面積的影響，因此引入人均建筑面積標準的概念。人均建筑面積標準采用樣本建筑人均建筑面積平均值表征，由統計數據計算求得人均建筑面積平均值為63.48m2/人，其概率分布為右偏和尖峰分布。采用回歸分析法，能耗定額的計算式為：
    Qq,r=AQ    (3)
式中Qq,r——采用回歸分析法計算得到的能耗定額，kW·h/(人·a)
    A——人均建筑面積標準，m2/人
    Q——對應人均建筑面積標準的單位建筑面積年能耗，kW·h/(m2·a)
    由圖1可知，單位建筑面積年能耗與人均建筑面積呈負相關，且變量之間并非線性關系，因此采用曲線回歸建立兩者的函數關系。將樣本建筑中變量關系明顯與負相關相悖的數據剔除后剩余22幢樣本建筑，采用統計軟件SPSS(Statistical Product and Service Solutions，統計產品與服務解決方案)進行曲線回歸，得到各種回歸形式的相關數據(見表1)。
表1 各種回歸形式的相關數據
回歸形式
判定系數
F檢驗
常數
系數1
系數2
線性函數
0.226
0.025
77.390
-0.300
—
對數函數
0.425
0.001
169.183
-28.137
—
二次曲線
0.393
0.009
108.261
-1.267
0.005
增長曲線
0.338
0.005
4.218
-0.005
—
逆函數
0.660
0.000
21.514
1532.000
—
復合函數
0.338
0.005
72.285
0.995
—
冪函數
0.532
O.000
262.111
-0.403
—
S形函數
0.689
0.000
3.498
20.034
—
邏輯函數
0.338
0.005
0.014
1.005
—
回歸曲線與各觀測點的接近程度稱為擬合優度，判定系數越高則擬合優度越高，即回歸曲線與各觀測點的擬合越好。由表1可知，逆函數和S形函數的擬合優度最好。為了便于直觀分析函數關系，選用逆函數。由表1逆函數相關數據，可得到對應人均建筑面積標準的單位建筑面積年能耗的計算式為：
 
   將A=63.48m2/人代入式(4)，計算得到Q=45.65kW·h/(m2·a)。將上述計算結果代入式(3)，計算得到Qq,r=2897.9kW·h/(人·a)。
3.4 定額水平法
   ① 定額水平的概念
   定額水平是指各類建筑為實現其功能，對應該消耗的能源數量要求的嚴格程度。定額水平是能耗定額的質量指標，可以分為絕對水平和相對水平。能耗定額數值即其絕對水平，但是這個數值本身很難說明對應該消耗能源數量要求的嚴格程度。能耗定額只有與實際能耗數值對比，才能說明其嚴格程度，因此定額水平一般指其相對水平。
    ② 基于統計數據的定額水平
    在編制能耗定額時，定額水平實際上就是人均年能耗的概率分布。若能夠得到所有人均年能耗的數據，對這些數據進行合理性修正后建立其概率分布，則這樣的定額水平參照系將是非常理想和完善的，但是在實際工作中這顯然是不可行的。這是由于能耗定額涉及的建筑總體數量往往非常龐大，進行普查將是一項很大的工程，勢必投入巨大的時間和成本，實際工作中往往只能選擇抽樣調查的方法。即使能夠進行普查，建筑能耗的修正也將是海量的工作，因此只能用樣本建筑的統計量來推斷總體的參數。而且為了進一步簡化工作，樣本建筑的能耗數據也不作修正，直接用來計算概率分布，然后用樣本數據的概率分布來表示總體的概率分布。
   ③ 定額水平表的編制
   編制定額水平表即計算樣本數據的概率，然后以表格或圖形的方式表示出來，以便編制定額時查找，定額水平樣表見表2。
表2 定額水平樣表
累積概率
對應能耗定額/
(kW·h·人-1·a-1)
累積概率
對應能耗定額/(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 定額水平法編制流程
   選定樣本建筑；收集樣本建筑的能耗數據；編制定額水平表；選定適宜的定額水平；根據選定的定額水平查找定額水平表，最后確定能耗定額。
4 各種編制方法的分析
4.1 各種編制方法的定額水平值
    以定額水平表作為參照，分析由各種編制方法得到的能耗定額，可以發現不同的編制方法實際上代表了不同的定額水平值：平均值法的定額水平值為0.5；二次平均法的定額水平值為0.35，其中先進平均值的定額水平值為0.22；回歸分析法的定額水平值接近0.25。
4.2 各種編制方法的實質
   ① 平均值法代表“平均合理”的定額水平。平均值法采用平均值計算能耗定額，這是其“平均”的內涵；基于平均的內涵，一般建筑都應該并且可能達到該能耗定額，這是其“合理”的內涵。
   ② 二次平均法代表“平均先進”的定額水平。采用二次平均法計算能耗定額是基于平均值與先進平均值求得，即介于“平均合理”與“先進水平”之間，這是其“平均先進”的內涵。
    ③ 回歸分析法代表了“先進合理”的定額水平。采用回歸分析法計算能耗定額時，設置了人均建筑面積標準，這是其“先進”的內涵，即反映了社會公平；回歸結果顯示，其能耗定額水平仍低于先進平均值，這是其“合理”的內涵。
4.3 各種編制方法的適用性
    ① 各種編制方法的關系
    定額水平越高則能夠達到能耗定額要求的建筑數量越少，即要求越嚴格。與定額水平不同，定額水平值是反映定額水平的具體數值，定額水平值越高則定額水平越低，能夠達到能耗定額要求的建筑數量越多，即要求越寬松。由分析可知，定額水平法是通用方法，平均值法、二次平均法和回歸分析法實際上是定額水平法的特例。在該案例中，由于引入了人均建筑面積標準，回歸分析法的定額水平高于二次平均法但低于先進平均值，這表明選用人均建筑面積標準的正確性。由于各類建筑的影響因素不同，因此二次平均法、回歸分析法的定額水平相對關系不確定，但是二次平均法的定額水平一定高于平均值法。
    ② 決策者應選定合適的定額水平
    由分析可知，能耗定額編制方法的選擇，實際上就是定額水平的選擇，一旦選定了定額水平則相應的能耗定額也就確定了，而能耗定額是建筑能耗合理與否的界限，因此決策部門在選用定額水平時必須綜合考慮各種影響因素。影響因素一般包括：實施能耗定額制度預期達到的目標；實現節能目標的階段目標分解；合理建筑能耗的技術分析；社會預期的承受能力；定額水平的公平與效率權衡。
5 結論
    ① 公共建筑宜選用人均年能耗作為建筑能耗指標。
    ② 不同能耗定額編制方法代表了不同的定額水平。
    ③ 定額水平法具有普遍性。
    ④ 定額水平的確定須謹慎，因為它是建筑能耗合理與否的界定。
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(本文作者：周智勇1、2 付祥釗1 劉俊躍2 何華1 1.重慶大學城市建設與環境工程學院重慶 400045；2.深圳市建筑科學研究院有限公司 廣東深圳 518049)