我國(guó)城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度定量分析與預(yù)測(cè)

何正旭, 高　浪

(清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 四川成都 610041)

建筑是我國(guó)三大終端能源消費(fèi)主體之一(工業(yè)之后)[1]，我國(guó)建筑部門(mén)的能耗約占全社會(huì)終端能耗的三分之一，而發(fā)達(dá)國(guó)家的這一數(shù)據(jù)高達(dá)40 %。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)建筑能耗仍將隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而持續(xù)增長(zhǎng)，建筑節(jié)能減排不僅緩解我國(guó)能源供需矛盾的關(guān)鍵所在，也是確保2030年碳排放達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵之一。1997年國(guó)務(wù)院頒布《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》將節(jié)約資源確立為我國(guó)的基本國(guó)策，正式將建筑節(jié)能和公共機(jī)構(gòu)節(jié)能作為節(jié)能減排的工作重點(diǎn)。此后，發(fā)改委、住建部、國(guó)管局、工信部、經(jīng)信委等機(jī)構(gòu)陸續(xù)展開(kāi)一系列節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)工作，節(jié)能建筑(設(shè)計(jì)和建造達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑)面積快速增長(zhǎng)。

建筑能耗強(qiáng)度，也即單位面積的能源消費(fèi)量，是衡量建筑節(jié)能政策實(shí)際成效的重要指標(biāo)。目前有大量研究工作集中在建筑能耗統(tǒng)計(jì)方法、建筑能耗總量及其占全社會(huì)能源消費(fèi)總量的比例變化趨勢(shì)分析[1-7、10]。部分研究基于住建部統(tǒng)計(jì)的大型公共建筑和國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑能耗數(shù)據(jù)，開(kāi)展了年度能耗水平、能源構(gòu)成、地區(qū)對(duì)比和建筑類(lèi)型對(duì)比分析[8]。有關(guān)建筑節(jié)能政策的成效研究較少，對(duì)建筑節(jié)能工作的評(píng)價(jià)較為單一[9]。本文基于《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告》和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的建筑節(jié)能數(shù)據(jù)開(kāi)展研究；首先回顧了過(guò)去十五年的建筑節(jié)能政策的歷程，介紹節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)的演變過(guò)程；然后分析城鎮(zhèn)居住建筑非采暖部分能耗強(qiáng)度的變化，提出有限能效基準(zhǔn)，用來(lái)衡量建筑節(jié)能成效；最后提出一種數(shù)學(xué)解析法來(lái)預(yù)測(cè)2020年城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度。

1　建筑能耗數(shù)據(jù)來(lái)源

廣義的建筑能耗包括建材生產(chǎn)能耗、建筑物建造和拆除過(guò)程中的能耗以及運(yùn)行階段的能耗，而狹義層面的建筑能耗指建筑在運(yùn)行階段的能耗。本文討論狹義層面的建筑能耗。由于目前建筑在運(yùn)行階段的能耗缺乏直接統(tǒng)計(jì)渠道，目前研究大都在已有統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)[2-5]、能源平衡表數(shù)據(jù)[1、6]、或抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上[7]，通過(guò)數(shù)學(xué)換算獲取建筑能耗數(shù)據(jù)。前兩種方法都以現(xiàn)行能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果大同小異，差異主要源于建筑能耗的邊界定義不同。相比之下，抽樣調(diào)查法的計(jì)算結(jié)果差異較大[6]，因?yàn)槭艿綐颖玖?、樣本代表性和?shù)據(jù)質(zhì)量等因素的影響；此外抽樣調(diào)查法存在地域局限性[10]，無(wú)法用于衡量全國(guó)范圍的建筑能耗。中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)自2016年起，借鑒多種數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒和能源平衡表數(shù)據(jù)計(jì)算了2001～2015年全國(guó)建筑(非采暖部分)能耗強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并在《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告》中公開(kāi)發(fā)布。該數(shù)據(jù)具有較好的代表性和權(quán)威性，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的建筑節(jié)能數(shù)據(jù)(年度建筑節(jié)能與綠色建筑工作進(jìn)展情況報(bào)告)開(kāi)展研究。

2　節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)逐步提高

我國(guó)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程可以歸納為三個(gè)階段：

(1)1986～1995年為第一個(gè)階段，首先提出了建筑節(jié)能30 %的目標(biāo)，即采暖居住建筑物能耗水平在1980年標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上節(jié)能30 %，頒布了《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》(1986)，然而該標(biāo)準(zhǔn)僅為試行標(biāo)準(zhǔn)，且氣候區(qū)域僅包含嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，試行對(duì)象僅限采暖居住建筑，實(shí)施情況并不理想。

(2)1996～2010年為第二個(gè)階段，提出在第一個(gè)階段的基礎(chǔ)上再節(jié)能30 %，實(shí)施節(jié)能50 %節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，修訂《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》且要求強(qiáng)制性執(zhí)行。2001年到2005年又相繼頒布《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，初步建立覆蓋全國(guó)范圍的節(jié)能50 %的標(biāo)準(zhǔn)體系，部分地區(qū)率先啟動(dòng)建筑節(jié)能65 %的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)2011～2015全面第三個(gè)階段，提出在第二個(gè)階段的基礎(chǔ)上再節(jié)能30 %，實(shí)施節(jié)能65 %的目標(biāo)，大規(guī)模修訂城鎮(zhèn)新建民用建筑標(biāo)準(zhǔn)，并于2015年全部完成修訂并頒布實(shí)施，其中北京、天津、河北、山東、新疆等地開(kāi)始在城鎮(zhèn)新建居住建筑中實(shí)施節(jié)能75 %強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

建筑節(jié)能走完第二個(gè)階段耗時(shí)約十五年，其中前十年進(jìn)展緩慢，截止2000年我國(guó)節(jié)能建筑面積僅1.8×108m2，發(fā)改委在2004年11月頒布的《節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃》中提及2003年以前“節(jié)能50 %的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行率不到5 %”。情況在2004年有所好轉(zhuǎn)(圖1)，設(shè)計(jì)階段和施工階段執(zhí)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)比例分別達(dá)到50 %和23 %，2005年仍然較低。因此，1996～2005年仍被歸為建筑的“高能耗時(shí)期”(圖1)。

圖1　民用建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行比例及節(jié)能建筑比例(數(shù)據(jù)來(lái)源：住建部公布的年度建筑節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)檢查情況通報(bào))

“十一五”期間，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行比例實(shí)現(xiàn)大幅提升，施工階段的執(zhí)行比例從24.4 %提升至95.4 %，并在“十二五”期間達(dá)到100 %。城鎮(zhèn)節(jié)能建筑占既有民用建筑的比例從2009年的16.1 %快速上升至2016年的47.2 %，節(jié)能建筑對(duì)總體建筑能耗的影響也隨之增加。

3.城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度量化分析

3.1　城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖2顯示了城鎮(zhèn)居住建筑(非采暖部分)能耗強(qiáng)度在2001～2015年的變化趨勢(shì)，首先對(duì)2001～2005年(“高能耗時(shí)期”)的城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度進(jìn)行趨勢(shì)擬合，趨勢(shì)線(xiàn)如藍(lán)色虛線(xiàn)所示。該趨勢(shì)線(xiàn)代表了非節(jié)能建筑呈現(xiàn)出的能效變化趨勢(shì)，本文稱(chēng)之為“有限能效基準(zhǔn)”?？梢钥闯?，有限能效基準(zhǔn)的能耗水平較高，且得益于技術(shù)進(jìn)步，其呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)，年均下降約0.16 kgce/m2a。隨著節(jié)能建筑的比例大幅上升，城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度實(shí)際值開(kāi)始偏離有限能效基準(zhǔn)，偏離的幅度表征了建筑節(jié)能的成效。

自2006年起，《民用建筑節(jié)能條例》、《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》、節(jié)能減排工作方案、專(zhuān)項(xiàng)資金等系列政策條例和標(biāo)準(zhǔn)先后頒布，能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)、公共建筑節(jié)能改造重點(diǎn)城市、節(jié)約型校園建設(shè)試點(diǎn)、節(jié)能綜合改造示范高校、綠色建筑、節(jié)約型公共機(jī)構(gòu)、能效“領(lǐng)跑者”等示范項(xiàng)目陸續(xù)鋪開(kāi)，節(jié)能成果突飛猛進(jìn)。城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度從2005年的12.40 kgce/m2a下降至2015年的7.43 kgce/m2a，下降40.08 %；對(duì)比有限能效基準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)去十年中建筑節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)工作成效顯著，貢獻(xiàn)了69 %的降幅(圖2)。

圖2　城鎮(zhèn)居住建筑能耗變化趨勢(shì)

3.2　2020年城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度預(yù)測(cè)

按節(jié)能效果分類(lèi)，城鎮(zhèn)居住建筑分為非節(jié)能建筑和節(jié)能建筑，因此，城鎮(zhèn)居住建筑總能耗由非節(jié)能建筑的能耗E1和節(jié)能建筑的能耗E2構(gòu)成，如式(1)，

E=E1+E2

(1)

其中，E表示城鎮(zhèn)居住建筑年度能耗，kgce/ a。

建筑能耗可由式(2)計(jì)算：

E=EI·A

(2)

式中：EI表示城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度，kgce/m2a；A表示城鎮(zhèn)居住建筑的建筑面積，m2。設(shè)節(jié)能建筑占比為α(單位%)，則城鎮(zhèn)居住建筑中節(jié)能建筑面積為Aα，非節(jié)能建筑面積為A(1-α)。

于是，將式(2)代入式(1)，可得，

EI·A=EI1·A·(1-α)+EI2·A·α

(3)

式(3)進(jìn)一步化解如下：

EI=EI1·(1-α)+EI2·α

(4)

式中：EI表示城鎮(zhèn)居住建筑的能耗強(qiáng)度，EI1表示非節(jié)能型城鎮(zhèn)居住建筑的能耗強(qiáng)度，α表示城鎮(zhèn)居住建筑中節(jié)能建筑占比，α無(wú)直接統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可參照?qǐng)D 1中既有城鎮(zhèn)民用建筑中的節(jié)能建筑占比(綠色曲線(xiàn))數(shù)值，EI2表示節(jié)能型城鎮(zhèn)居住建筑的能耗強(qiáng)度。

過(guò)去十五年，城鎮(zhèn)居住建筑中非采暖部分的能源需求變化主要源于用電需求的變化?？紤]到2005年之后能效標(biāo)識(shí)體系所覆蓋的用能產(chǎn)品也應(yīng)用于非節(jié)能建筑，因此其同樣影響非節(jié)能建筑的能耗水平，能效標(biāo)識(shí)體系覆蓋用能設(shè)備絕大部分為電器，盡管隨著人民生活逐步改善，家用電器的種類(lèi)會(huì)增加，但隨著能效標(biāo)識(shí)覆蓋家用電器品類(lèi)逐步增加、能效標(biāo)準(zhǔn)逐步升級(jí)，對(duì)沖了一部分用電負(fù)荷?！吨袊?guó)建筑能耗研究報(bào)告(2016)》提出城鎮(zhèn)居住建筑單位面積的用電量在2002年以來(lái)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2007年，此后持續(xù)顯著下降，七年之間下降了20%，2013年的單位面積用電量低于2005年的水平，年均降速達(dá)3.2 %。顯著高于有限能效基準(zhǔn)線(xiàn)的年均降速(0.16 %)，表明2013年之后非節(jié)能建筑的能耗強(qiáng)度低于有限能效基準(zhǔn)線(xiàn)。

用EIb表示有限能效基準(zhǔn)，非節(jié)能建筑能耗強(qiáng)度如式(5)所示，

EI1=EIb·β

(5)

按照上述分析，2013年之后，非節(jié)能建筑能耗強(qiáng)度應(yīng)比有限能效基準(zhǔn)值更低，因此2013年之后，修正系數(shù)β應(yīng)為0到1之間的常數(shù)。

將式(5)代入式(4)可得，

EI=EIb·β·(1-α)+EI2·α

(6)

2015年全國(guó)城鎮(zhèn)居住建筑非采暖部分能耗強(qiáng)度低至7.43 kgce/m2a，僅為2001年的55.61 %。經(jīng)前文(第3節(jié))分析，2015年末的節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)相比2001年前后的水平提升了約50 %，以2001年的城鎮(zhèn)居住建筑能耗水平(13.36 kgce/m2a)為參照基準(zhǔn)，測(cè)算出2015年的節(jié)能建筑能耗強(qiáng)度EI2, 2015約為6.68 kgce/m2a，如圖 3中綠色方形標(biāo)記所示?？紤]到2015年居住建筑中節(jié)能建筑占α2015比約為40 %(參照?qǐng)D 1既有城鎮(zhèn)民用建筑中的節(jié)能建筑占比)，有限能效基準(zhǔn)EIb為11.54 kgce/m2a(參照?qǐng)D 2有限能效基準(zhǔn)線(xiàn))。根據(jù)公式(6)可以推算出β2015為0.68；根據(jù)公式(5)可以推算出2015年的EI1, 2015約為7.85 kgce/m2a，如圖 2深灰色方形標(biāo)記所示。

2020年有望全面貫徹實(shí)施節(jié)能75 %的標(biāo)準(zhǔn)，也即在2001年前后的水平上節(jié)能65 %左右，由此測(cè)算出2020年節(jié)能建筑能耗強(qiáng)度EI2, 2020將有望低于4.67 kgce/m2a。住建部印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出了“2020年城鎮(zhèn)既有居住建筑中節(jié)能建筑占比達(dá)到60 %”的目標(biāo)，依據(jù)式(6)可以預(yù)測(cè)，2020年城鎮(zhèn)居住建筑的能耗強(qiáng)度將低于5.56 kgce/m2a(如圖2雙圈圓點(diǎn)標(biāo)記所示)，在2015年的基礎(chǔ)上下降25 %。

4　結(jié)論

近二十年來(lái)，我國(guó)建筑節(jié)能工作取得了顯著成效。全國(guó)城鎮(zhèn)新建建筑全面執(zhí)行節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，全國(guó)范圍內(nèi)建筑設(shè)計(jì)及施工階段的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制執(zhí)行率均達(dá)到100 %，既有居住建筑中的節(jié)能建筑比例大幅上升，從2009年的21.7 %快速上升至2016年的47.2 %。同時(shí)，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)從節(jié)能50 %穩(wěn)步邁向節(jié)能65 %，部分地區(qū)率先執(zhí)行節(jié)能75 %的標(biāo)準(zhǔn)，跨出了建筑節(jié)能“第四步”；能效標(biāo)識(shí)實(shí)施產(chǎn)品覆蓋范圍逐步擴(kuò)大，能效標(biāo)準(zhǔn)逐級(jí)提升；多重因素綜合作用使得節(jié)能建筑能效強(qiáng)度持續(xù)降低。

隨著節(jié)能建筑占比逐年提高、節(jié)能建筑本身的能耗強(qiáng)度逐年下降以及非節(jié)能建筑的緩慢下降，最終使得城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度在2005～2015年出現(xiàn)大幅降低，從12.40 kgce/m2a降至7.43 kgce/m2a，節(jié)能重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)工作貢獻(xiàn)了其中69 %的降幅。此外，預(yù)測(cè)2020年城鎮(zhèn)居住建筑能耗強(qiáng)度將有望低于5.56 kgce/m2a，在2015年的基礎(chǔ)上降低25 %。