基于彈性定額理論的建筑能耗定額方法研究

馬 坤， 田玉卓， 翟恩明

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.石家莊市粉煤灰綜合利用和墻體改革服務(wù)中心，河北 石家莊 050031)

0 引言

目前我國(guó)公共建筑總量約53億m2，占城鎮(zhèn)建筑總量的36%，而且隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，高能耗的大型公共建筑在公建中的比例迅速增加，公共建筑建筑具有相當(dāng)大的節(jié)能潛力?！睹裼媒ㄖ?jié)能條例》強(qiáng)調(diào)對(duì)大型公共建筑實(shí)行用能定額管理制度。第34條明確規(guī)定，縣級(jí)以上地方人民政府建設(shè)主管部門(mén)應(yīng)當(dāng)對(duì)本行政區(qū)域內(nèi)供熱單位的能源消耗情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)和分析，并制定供熱單位能源消耗指標(biāo);對(duì)超過(guò)能源消耗指標(biāo)的，應(yīng)當(dāng)要求供熱單位制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，并監(jiān)督實(shí)施。本文著眼于制定合理的公共建筑能耗定額和供熱能耗定額，在滿足能源需求的條件下，將能耗降低到合理的水平。筆者將彈性定額理論應(yīng)用于建筑能耗定額中，提出了基于彈性定額理論的能耗定額模型，以便能耗定額的制定工作更加合理。

1 能耗定額的意義及制定方法

1.1 能耗定額的意義

能耗定額是人為制定的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它有具體的作用對(duì)象，例如建筑的擁有者，一個(gè)學(xué)校，一個(gè)城市，一個(gè)熱電廠等。其目的是降低作用對(duì)象的能耗，其作用方式是對(duì)作用對(duì)象的能耗懲罰與獎(jiǎng)勵(lì)。合理的能耗定額值必須能夠鼓勵(lì)能耗的降低，抑制能耗的增加。能耗定額是降低能耗的重要手段，是國(guó)家進(jìn)行能耗管理的基礎(chǔ)，是國(guó)家能源政策制定及節(jié)能計(jì)劃實(shí)施的重要依據(jù)。

1.2 能耗定額的編制方法

目前我國(guó)制定能耗定額的方法有兩種:基于實(shí)測(cè)分析的方法和基于模擬分析的方法［1］。

(1)基于模擬分析的方法對(duì)于公共建筑，首先根據(jù)建筑實(shí)際狀況，利用建筑能耗模擬軟件計(jì)算建筑的能源消耗量，其次根據(jù)建筑實(shí)際分項(xiàng)計(jì)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證能耗模型和輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，最后修改設(shè)計(jì)和運(yùn)行不合理之處，重新計(jì)算建筑能耗，根據(jù)能耗制定能耗定額。這種方法基于軟件，但軟件模擬的能耗，即使加入修正，也不一定能和實(shí)際建筑能耗吻合。即使某一建筑吻合程度較好，并不能保證另外其他建筑的吻合。所以基于軟件的能耗定額可能有其不合理性，而且其計(jì)算復(fù)雜。

(2)基于實(shí)測(cè)分析的方法對(duì)于公建及相同功能的建筑，對(duì)同一用能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求出樣本的統(tǒng)計(jì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通常認(rèn)為各項(xiàng)用能指標(biāo)服從正態(tài)分布。當(dāng)對(duì)大量樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，根據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差制定用能定額。這種方法不適用于所有建筑，沒(méi)有考慮建筑間熱工性能的差異。

郝斌等研究者，利用灰色理論方法，對(duì)熱電廠下一年的供熱能耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)，同時(shí)考慮實(shí)際值與理論值的差距，利用聚類分析方法確定了各城市的供熱能耗定額值［2］。這種方法，可能出現(xiàn)某城市大力降低能耗，而供熱能耗定額值，仍低于本城市能耗值的狀況，同時(shí)該方法沒(méi)有考慮到熱電廠的差異。結(jié)合彈性定額理論和能耗定額的制定，提出了基于彈性定額理論的能耗定額方法。

2 彈性定額理論

彈性定額理論是一種新型的管理技術(shù)與管理方法?；驹?，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行管理系統(tǒng)的變量一般為隨機(jī)變量的特點(diǎn)，采用隨機(jī)的方法解決系統(tǒng)的問(wèn)題，抓住關(guān)鍵變量作為定額的工作量，建立工作量同系統(tǒng)效益關(guān)系的模型，計(jì)算效益的價(jià)值。而管理者只要能把工作量、定額、效益和獎(jiǎng)勵(lì)正確地掛起鉤來(lái)，配合有效的思想政治工作，就會(huì)大大激發(fā)被管理者的積極性，大幅度地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率［3］。

彈性定額理論的應(yīng)用，可以再現(xiàn)追隨跟蹤實(shí)際發(fā)生的工作量的變化趨勢(shì)，可以很好的適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)外部的運(yùn)行環(huán)境的變化。即使初始定額值制定的不夠精確，但只要運(yùn)行一段時(shí)間后，彈性定額可以很快的將定額拉到合理的位置。所以，彈性定額對(duì)于初始值及歷史數(shù)據(jù)的要求并不嚴(yán)格，這一點(diǎn)，對(duì)開(kāi)始建立的隨機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有著特殊意義。目前我國(guó)的能耗統(tǒng)計(jì)工作處于起步階段，能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)還尚未完全建立，能耗數(shù)據(jù)特別是逐年的能耗數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，將彈性定額理論應(yīng)用于能耗定額的制定工作是個(gè)很好的選擇。

3 能耗定額模型

結(jié)合彈性定額理論以及能耗定額工作的特點(diǎn)，提出能耗定額理論模型

式中，Dt為能耗定額值，kg/m2;dt為浮動(dòng)定額，kg/m2;H為定額上限值，kg/m2，當(dāng)計(jì)算出的浮動(dòng)定額值dt高于這個(gè)上限值H時(shí)，定額不再向上浮動(dòng)，定額按H取值，即Dt=H;L為定額下限值，kg/m2，當(dāng)計(jì)算出的浮動(dòng)定額值dt低于下限值L時(shí)，定額不再向下浮動(dòng)，定額按L取值，即Dt=H;Q為系統(tǒng)的工作量，kg/m2;n為移動(dòng)平均的項(xiàng)數(shù);η為調(diào)整系數(shù)。

式中(1)中η和n的量綱為1，其余的參數(shù)其單位要根據(jù)實(shí)際情況確定，kg/m2(每平方米標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量)可以是熱電廠的定額單位，而對(duì)于公建單位可以采用GJ/m2。

4 模型分析

4.1 系統(tǒng)的不可比性和相似性

一個(gè)城市，一棟建筑，一個(gè)小區(qū)等可以看作是一個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于一棟建筑，這個(gè)系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，包括電氣系統(tǒng)，暖通空調(diào)系統(tǒng)，給排水系統(tǒng)等等。各個(gè)子系統(tǒng)都為創(chuàng)造出一個(gè)合適的人工環(huán)境而服務(wù)，所有的建筑都含有幾近相同的子系統(tǒng)，可以說(shuō)各個(gè)建筑是相似的。同時(shí)從另一個(gè)角度去看，系統(tǒng)之間又存在著差異。即使建筑存在相同的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間也存在著差異，這就是建筑的不可比性，建筑的相似性和不可比性是同一事物的兩個(gè)方面。在進(jìn)行能耗定額時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到這兩個(gè)方面，考慮到建筑的相似性，對(duì)能耗進(jìn)行定額時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用相同的考核指標(biāo)，使用相同的能耗定額模型?？紤]到建筑的不可比性，進(jìn)行能耗定額時(shí)，不同熱工性能的建筑應(yīng)當(dāng)有不同的定額標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同的建筑，不應(yīng)當(dāng)使用相同的定額值。同樣，對(duì)于供熱單位的的能耗定額也要考慮到這兩個(gè)方面。

4.2 模型參量分析

(1)Q。Q可以是能源指標(biāo)，也可以是能源消耗性指標(biāo)，可以是單項(xiàng)指標(biāo)，也可以是復(fù)合指標(biāo)，進(jìn)行能耗定額時(shí)，可以根據(jù)要求來(lái)確定Q的計(jì)算公式，對(duì)于衡量公共建筑的能耗，建議采用能耗總指標(biāo)這一單項(xiàng)指標(biāo)。

(2)Dt。Dt可以是整棟建筑物的能源總指標(biāo)，也可以是能源消耗指標(biāo)包括電器系統(tǒng)消耗指標(biāo)，暖通空調(diào)系統(tǒng)消耗指標(biāo)和其他系統(tǒng)能耗指標(biāo)，同時(shí)也可以是一個(gè)小區(qū)，一個(gè)城市的能耗。定額的單位可以是能源消耗量，也可以是單位面積的能源消耗量。

(3)dt。

由式(2)可以看出，選定前若干時(shí)期的能耗數(shù)值加以平均，用平均數(shù)作為下期的預(yù)測(cè)值，屬于時(shí)間序列理論中的移動(dòng)平均法。圖1是我國(guó)幾種典型的能耗變化趨勢(shì)圖，實(shí)線是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出的能耗趨勢(shì)曲線，虛線是用公式(2)求解得出的定額曲線。

圖1 能耗變化趨勢(shì)及定額曲線

從圖1中可以看出，移動(dòng)平均法做出的能耗定額曲線有以下三個(gè)特征:①能夠很好的跟蹤能耗變化的趨勢(shì)。②定額曲線滯后于趨勢(shì)曲線。直觀看，趨勢(shì)曲線向右平移一定距離形成定額曲線。而分析定額曲線，當(dāng)能耗上升時(shí)，定額曲線在能耗趨勢(shì)曲線下方，當(dāng)能耗下降時(shí)，定額曲線在能耗趨勢(shì)曲線的上方。根據(jù)能耗值與定額值的差值進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，即能耗值低于定額值的數(shù)量越多，獎(jiǎng)勵(lì)越多，因此滯后效應(yīng)與管理原則十分吻合。它正好鼓勵(lì)了能耗的降低，抑制了能耗的增加。當(dāng)能耗處于上升趨勢(shì)時(shí)期，定額值在其下方，也就是說(shuō)業(yè)主得不到獎(jiǎng)勵(lì)，當(dāng)能耗處于下降趨勢(shì)時(shí)期，定額值在其上方，也就是說(shuō)業(yè)主會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。這與能耗定額的初衷，即鼓勵(lì)能耗的降低，抑制能耗的增加，十分吻合。③n值的選定不同，曲線滯后的程度不同。n值選的小，滯后較弱，定額曲線能緊跟能耗趨勢(shì)曲線的變化，n值選的比較大，定額曲線的滯后大，曲線比較平滑。

(4)H。H的作用有兩個(gè)，首先，如果能耗成直線增加，根據(jù)移動(dòng)平均法確定的定額曲線也會(huì)是一條和能耗直線平行的遞增直線。也就是說(shuō)，無(wú)論能耗怎樣增加，定額值與能耗值之間的差值是不變的，那么懲罰也是不變的，這樣是不合適的。所以需要確定一個(gè)定額值的上限，當(dāng)定額小于上限時(shí)，用移動(dòng)平均法算出的定額。當(dāng)定額高于上限時(shí)，用上限作為定額值，這樣，當(dāng)能耗高于定額上限時(shí)，高出的越多，懲罰也就越大，這樣是合理的。其次，H的確定，可以為國(guó)家的節(jié)能減排政策提供一個(gè)很好的控制線，例如政策規(guī)定，5年內(nèi)要求大型公共建筑節(jié)能30%，就可以以起始年的能耗值為起點(diǎn)，以第一年的能耗值的70%為終點(diǎn)作一條直線，作為定額的上限值，如圖2中直線A。同時(shí)上限也可以是水平直線，也就是建筑物的能耗已經(jīng)完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也可以是如圖2中的曲線B，曲線B說(shuō)明五年中要求前幾年的節(jié)能幅度比較大，后幾年的節(jié)能幅度較小。

(5)L。正如圖1(a)中看到的，如果能耗趨勢(shì)線是條遞減的直線，那么根據(jù)移動(dòng)平均法確定的定額曲線會(huì)是一條與之平行的遞減直線。也就是說(shuō)，無(wú)論能耗怎樣減小，定額值與能耗值之間的差值是不變的，這樣對(duì)于那些大力降低能耗的業(yè)主是不公平的，可能會(huì)打消業(yè)主降低能耗的積極性，所以就需要設(shè)定一個(gè)定額下限。當(dāng)用移動(dòng)平均法確定的定額高于定額下限時(shí)，就用移動(dòng)平均法確定的定額值，當(dāng)其低于定額下限時(shí)，就用定額下限作為定額值。當(dāng)業(yè)主的能耗低于下限值時(shí)，其能耗減低的越多獎(jiǎng)勵(lì)越大，這樣是合理的。L反應(yīng)的是一個(gè)國(guó)家節(jié)能技術(shù)的平均水平，是條技術(shù)水平線，有了這條線，就會(huì)鼓勵(lì)業(yè)主采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和合理的管理運(yùn)行手段來(lái)降低能耗，使之更多的低于定額下限值，這樣的話會(huì)獲得更多的獎(jiǎng)勵(lì)。

L值的確定可以采用如下方法:首先確定一個(gè)能耗水平，根據(jù)國(guó)家的政策或節(jié)能規(guī)范確定，這個(gè)能耗水平一定是可以滿足國(guó)家節(jié)能指標(biāo)要求的。其次，對(duì)給定的一棟樓，其能耗狀況是完全確定的，據(jù)此可以應(yīng)用能耗模擬軟件，確定兩種能耗水平下的能耗值。用平均能耗水平下的能耗值除以現(xiàn)有能耗狀況的能耗值獲得的比值，而定額下限值可以根據(jù)實(shí)測(cè)的第一年的值乘以這個(gè)比值得到。也可以直接用第一年的能耗值乘以一個(gè)系數(shù)直接得到定額下限值。假設(shè)國(guó)家規(guī)定五年內(nèi)公共

建筑降低能耗30%，那么規(guī)定一個(gè)能耗下限是第一年能耗值的30%，即只要節(jié)能率高于30%的越多，獲得的獎(jiǎng)勵(lì)越多。

(6)η。當(dāng)確定定額上限時(shí)，是以國(guó)家政策規(guī)定的節(jié)能計(jì)劃的第一年作為定額曲線的起點(diǎn)，由于每棟建筑采用的節(jié)能技術(shù)不盡相同，對(duì)于已經(jīng)采用了先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的業(yè)主來(lái)說(shuō)是不公平的。引入η，對(duì)于節(jié)能好的業(yè)主，η＞1，對(duì)于節(jié)能差的業(yè)主，η＜1。

從圖3中可以看出，對(duì)于節(jié)能效果好的，用η＞1的直線作為定額上限，第一年的定額值高于能耗值，那么業(yè)主能夠得到獎(jiǎng)勵(lì)。反之對(duì)于節(jié)能效果差的業(yè)主，用η＜1或η=1的直線作為定額上限，業(yè)主就得不到獎(jiǎng)勵(lì)或者獲得懲罰。η值的確定:對(duì)于當(dāng)前建筑的節(jié)能技術(shù)和管理運(yùn)行方式進(jìn)行評(píng)估分類，然后根據(jù)建筑采用的技術(shù)和管理運(yùn)行方式，采用德?tīng)柗品▉?lái)確定。

圖2 定額上限曲線

(7)n。n值是移動(dòng)平均的項(xiàng)數(shù)，n值越大，定額曲線越滯后，曲線越平滑。n值的確定:以當(dāng)前時(shí)刻為起點(diǎn)，越往前的數(shù)據(jù)對(duì)定額工作影響越小，所以n值不應(yīng)該取的太大。同時(shí)從圖中可以看出，n值取的越大，定額值與能耗值的差值越大，也就是說(shuō)，獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰越大，國(guó)家的獎(jiǎng)勵(lì)懲罰制度也會(huì)影響n值的確定。對(duì)于能源總指標(biāo)，建議n=2～4。

4.3 模型的管理特性

(1)模型具有極大的適應(yīng)性，不僅可以對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行定額，也可以對(duì)建筑的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行定額，而且也可以上升到宏觀層面的定額管理。理論上，只要有詳實(shí)的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行定額工作。

(2)模型具有縱向激勵(lì)作用，對(duì)于每棟建筑，實(shí)質(zhì)上是與自己以前的能耗進(jìn)行比較，而不是與其他的建筑進(jìn)行比較，只要能耗比以前的低就可以獲得獎(jiǎng)勵(lì)，這種縱向的激勵(lì)作用，有效的解決了不同建筑不可比的難題。

(3)模型的算法是公開(kāi)的，透明的，簡(jiǎn)單的。這樣的話，管理者可以為每棟建筑計(jì)算下一年的定額值，業(yè)主也可以根據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)定額過(guò)程是公開(kāi)的，透明的，有益于管理。

(4)模型的預(yù)測(cè)性，模型采用的移動(dòng)平均法，是時(shí)間序列理論中的一種預(yù)測(cè)方法，所以算出的定額值，其實(shí)是對(duì)下一年能耗值的預(yù)測(cè)。

圖3 不同η值的定額上限對(duì)比

5 應(yīng)用分析

這里采用郝斌等文章中的的調(diào)查數(shù)據(jù)，選取其中的三個(gè)城市(C4，C15，C16)2005—2006，2006—2007，2007—2008三年的供熱能耗值作為定額能耗數(shù)據(jù)。其中，C15的能耗高于理論能耗取η=0.9，C16與理論能耗相似取η=1，C4的能耗低于理論能耗取η=1。依照“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右的總體要求，以5 a為1個(gè)周期、實(shí)際供熱能耗降低20%確定定額上限，同時(shí)，定額下限設(shè)為第一年能耗的20%。也就是說(shuō)，節(jié)能低于20%的越多，獎(jiǎng)勵(lì)越大。該例中，假設(shè)每個(gè)城市的節(jié)能百分比相同，但是實(shí)際定額時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到每個(gè)城市的能耗狀況的不同。基于彈性定額理論的能耗定額見(jiàn)表1，其中括號(hào)中的數(shù)據(jù)為郝斌等文章中的定額值。定額結(jié)果不同主要是因?yàn)槎~上下限的引入限制了定額值的范圍以及應(yīng)用移動(dòng)平均法確定定額范圍內(nèi)的定額值。

表1 供熱能耗值及定額值 kg/m2

6 結(jié)語(yǔ)

提出了基于彈性定額理論的能耗定額模型，此模型具有廣泛的普適性，既可應(yīng)用與大型公建的用能定額，也可用于供熱單位的能耗定額，而且簡(jiǎn)單，明了，能夠很好的抑制能耗的上升，鼓勵(lì)能耗的降低，同時(shí)模型易于政策的調(diào)控。

基于彈性定額理論的能耗定額模型，需要詳實(shí)的逐年能耗數(shù)據(jù)。建立能耗數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)建筑的信息，分項(xiàng)能耗，逐年能耗等，是當(dāng)前首要的工作。能耗定額工作，不單純的是一個(gè)理論問(wèn)題，實(shí)踐才是檢驗(yàn)定額是否合理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告(2009)［R］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］郝斌，劉珊，任和，等.我國(guó)供熱能耗調(diào)查與定額方法的研究［J］.建筑科學(xué)，2009，25(12):18-23.

［3］高振宇.彈性定額管理方法概論［M］.北京:學(xué)苑出版社，1989.