上海市建筑科学研究院 卜震 张蓓红 蒋友娣 夏婵 张文宇
摘 要：公共建筑节能改造项目的节能效果除了多项节能措施本身，还受室外气候、建筑使用状况、建筑功能变化以及运行管理等诸多因素影响，对其进行正确的量化分析是建筑综合节能改造项目的技术难点之一。本文针对我国在推进公共建筑综合节能改造中实际项目遇到的技术问题，提出了适用于我国公共建筑综合节能改造项目节能效果量化和修正的思路、方法和注意要点，并结合实际工程案例对比分析了开展节能量修正的必要性。
关键词：节能量；节能率；拟合修正；综合节能改造
基金项目： 上海市科学技术委员会科研计划项目（16DZ1202400）。
0 前言
目前我国主要以实现定量化的建筑整体节能率目标的方式推进城市既有公共建筑综合节能改造，“十二五”期间，在11个城市实施了公共建筑节能改造重点城市项目，完成改造面积4864万m2，作为首批示范城市，深圳、重庆、天津、上海的改造项目的节能率均达到20%以上（采用的核定方法和指标有所差异）。其中，核心技术问题是科学合理地量化节能效果。但是，我国各地区开展综合节能效果量化经验不足，目前所依据的技术方法并不统一，例如首批四个示范城市就分别出台了适用于本地区的节能量核定办法。
节能量化效果包括计算节能量和节能率，其中主要技术难点之一在于基准能耗的确定以及调整，尤其对于公共建筑综合节能改造项目，一般情况下多项节能措施的边界难以完全隔离清晰，并且节能效果还受室外气候、建筑使用状况、建筑功能变化以及运行管理等诸多因素影响，因此对综合改造项目的节能措施效果量化分析一直是主要技术难点之一。即如何将非节能措施因素导致的能耗变化从直观的节能量前后对比中合理扣除，而对节能量的调整同样会影响节能率的计算结果。
针对上述问题，本文在回顾目前国内外节能效果量化方法的基础上，提出了适用于我国公共建筑综合节能改造项目的节能效果量化思路，并探讨了几个典型的建筑能耗影响因素的修正方法，并结合实际工程案例对比分析了开展节能量修正的必要性。
1 节能效果量化
1.1 国外节能效果量化方法
国际上节能效果量化的主要依据多采用《国际节能效果测量和验证规程》（IPMVP），该规程给出了4种通用的节能量验证方法[1]，具体包括：
方法A：隔离改造部分，测量部分关键参数。通过现场测量部分关键参数确定节能量；
方法B：隔离改造部分，测量所有参数。通过现场测量所有关键参数确定节能量；
方法C：测量整体耗能设施。通过测量耗能设施整体或部分来确定节能量，需进行长期监测；
方法D：经校准的模拟。
其中方法A和方法B主要针对单项节能改造项目，方法C适用于综合节能改造项目，鉴于目前国内能耗模拟水平差异很大，方法D尚不适合在国内广泛采用。另外，虽然IPMVP给出了改造项目节能效果量化的通用性原则，但尚缺乏针对具体节能改造项目的节能计算方法及应用，需要结合我国公共建筑运行和改造情况参考使用。
1.2 国内节能效果量化方法
国内改造项目的节能量计算依据包括国家发展改革委、财政部于2008年印发的《节能项目节能量审核指南》、中国标准化研究院联合中国节能协会等单位2012年发布的《节能量测量与验证技术通则》及其典型节能改造项目节能量测量和验证技术标准（如《节能量测量和验证技术要求 中央空调系统》、《节能量测量和验证技术要求 照明系统》等）。
这一系列标准采用的原则与IPMVP的基本相同，但其中涉及的能耗校准、回归模型等方法仍比较原则和笼统，可操作性有待提高。另外，上海市结合改造示范城市工作经验，近年来布了《节能技术改造及合同能源管理项目节能量审核与计算方法》、《上海市公共建筑节能改造重点城市示范项目节能量审核办法（试行）》等，但这些标准仍存在节能量修正不全面的问题。
2 节能效果量化与修正
2.1 量化与修正思路
节能效果仅体现采用节能措施产生的能耗变化，因此应是基于节能措施的“有无对比”进行量化，而非基于时间概念上的“前后对比”。
目前国内公共建筑尚缺少全面细致的能耗计量设施，但一般情况下都有较为齐全的月度电力和燃气缴费账单，从工程应用角度，采用基于月度账单的分析方法是目前量化节能措施效果的最为主要且可靠的技术途径（简称“账单法”）。另一方面，公共建筑节能改造项目的节能效果除与节能措施密切相关外，还与室外天气、建筑使用频率和运行管理等主要能耗影响因素相关。因此，当影响用能系统或设备能耗的室外空气温度、建筑使用频率等主要影响因素或建筑部分功能发生较大变化时，不能简单通过对比改造前后的能耗账单得出节能量，需要对能耗账单进行修正，剔除非节能措施造成的能耗变化。理论上，可以用核定期工况条件修正基准期能耗（改造前），也可以用基准期工况条件修正核定期能耗（改造后），甚至用某规定工况对基准期能耗和核定期能耗都进行修正（类似于新建建筑节能评估）。但通常情况下，针对既有公共建筑一般多采用修正基准期能耗的方式。
另外，针对公共建筑综合节能改造项目，其节能效果全面体现需要一段较长时间，因此一般应选取改造前、后各1年为周期，基于1年的实际建筑能耗数据进行能耗对比和节能效果分析评价。
图1 改造前后节能效果量化与修正示意图
2.2 量化计算式
用节能量表示的改造项目节能效果可分别按式（1）计算。
式中：Es为节能量；Eb为基准期能耗；Er为核定期能耗；∆E为基准期拟合修正量；∆E′ 为基准期非拟合修正量。
上式中基准期拟合修正∆E仅考虑改造前后可以通过拟合等建模手段得到的由主要能耗影响因素发生变化所引起的改造前后能耗变化，而基准期非拟合修正则针对其他特殊情况（比如功能业态变化等），此时需采用其他方式得到因这些特殊情况所引起的改造前后能耗变化。
用节能率表示的改造项目节能效果可分别按式（2）计算。
式中：es为节能率（%）。
值得注意的是，当采用修正基准期能耗的方式，计算节能率时，式（2）的分母部分也需要进行修正。
2.3 拟合修正量
通过拟合回归等数学方法，可建立基准期能耗Eb与影响能耗的主要影响因素x在基准期工况条件下的能耗模型：
式中：xi为基准期工况条件下第i个需修正的影响因素数值。则对应于核定期工况的基准期能耗，即修正后的基准期能耗为（此时假设没有无特殊情况）：
上述两式相减，可得基准期拟合修正量为：
式中：xi′为核定期工况条件下第i个需修正的影响因素数值。
拟合式的选取并没有固定形式，通常采用多项式（包含线性回归），当拟合式（4）的复相关系数R2大于0.8时，可认为拟合式能够满足工程应用要求。但并不意味着考虑越多影响因素，实际拟合效果就越好，虽然增加影响因素数量有助于提高R2。因此，应当选取确实对建筑能耗有较大影响的可数量化因素，并且改造前后因素月度平均数值发生了较大变化。拟合前可预先进行影响因素和能耗的相关性分析。另外建议拟合后，用其他影响因素和能耗数据进行校验，以确保拟合式的适用性。
根据笔者项目经验，上海地区公共建筑综合节能改造项目通常考虑的可拟合能耗影响因素包括：室外天气干球温度（可用HDD18和CDD26进行量化）、建筑使用量（宾馆可用入住率、办公楼可用出租率、商业建筑可以客流量等量化表示、医疗机构建筑可用门急诊人次表示，综合建筑使用量应将不同功能区对应的使用量均考虑进去）以及建筑运行时间（如月度的日平均工作小时数）等。
2016年发布实施的《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161）给出了办公建筑、旅店建筑和商场建筑的修正系数及其计算公式[2]。上海地方标准《星级饭店建筑合理用能指南》[3]等系列标准也给出了针对上海旅店等类型公共建筑能耗对标的修正系数和修正方法。但应该说明的是，这些标准给出的系数和公式是基于大量统计分析得出的结果，应用于具体项目分析时，仅提供参考作用，不宜直接作为修正依据。
公共建筑综合节能改造的前提是不能降低建筑用能系统的服务水平和设计要求，如果节能措施牺牲了建筑环境品质而产生的节能量，均不应认可。另一方面，通过提高环境品质，如提高室内照度和温湿度要求，所增加的能耗量，基于鼓励经济运营的观点，也不应给予扣减。
2.4 非拟合修正量
针对因素无法量化或改造前后发生巨大变化等难以用回归拟合等数学方法进行修正，但又显著影响建筑能耗时，需要采用其他方法进行合理修正。最为典型的情况是改造前后公共建筑的功能业态发生了部分变化，如商场局部楼层由零售业变成了餐饮业。此类能耗修正应当在充分掌握建筑改造前后用能情况的基础上，可采用经验公式处理。
本文提出以下思路供参考。 针对综合建筑改造项目，可按下式对基准期进行非拟合能耗修正：
式中：ebh为基准期（改造前）业态下的单位面积能耗指标值，ebq为核定期（改造后）业态下的基准期单位面积能耗指标值，两者均为根据改造前后建筑功能业态分布得到的面积加权平均值。对于ebq、ebh的取值可按下列方法进行：
（1）当功能变化前、后建筑有详细能耗数据记录时，单位建筑面积能耗指标根据实际能耗指标进行计算；
（2）当功能变化前、后建筑无详细能耗数据记录时，单位建筑面积能耗指标可参考标准合理用能指南中相关业态能耗合理值进行估算，并应开展相关验证。
2.5 修正阈值探讨
如前节所述，只有当改造前、后能耗影响因素数值发生显著变化时才有必要进行能耗修正。在此根据上海地区的工程应用情况，研究提出了能耗因素的修正阈值供节能效果评价参考。分析思路是在控制建筑能耗变化率处于一定范围内的前提下，取各类建筑主要影响因素变化率的平均值作为能耗修正的阈值。
（1）核定期空调度日数CDD26与基准期空调度日数CDD26相比，变化率绝对值大于60%，或者核定期供暖度日数HDD18与基准期供暖度日数HDD18相比，变化率绝对值大于25%时，应当考虑室外天气因素的影响。上海地区2011年至2016年CDD26和HDD18的逐年变化情况如图2和图3所示。
（2）核定期建筑使用量与基准期建筑使用量相比，变化率绝对值大于12%时，应当考虑建筑使用量的影响。
（3）当核定期建筑运行时间与基准期建筑运行时间相比，变化率绝对值大于8%时，应当考虑建筑运行时间的影响。
（4）选取常见几种典型建筑，当建筑功能面积发生变化时，分析建筑功能面积变化与建筑总能耗的变化关系，并控制建筑能耗变化率在一定范围内。通过对典型建筑的案例分析，取功能面积变化率大于10%作为业态功能变化的能耗修正阈值。
（5）当能耗因素修正引起的节能量变化大于节能措施引起的节能量时，应当谨慎处理，需要分析所选取的基准期和核定期是否恰当或没有可比性。最近颁布的《公共建筑节能改造节能量核定导则》[4]中的相关规定更为严格，认为修正产生的综合节能率不能超过2%。
3 实例分析
3.1 实例说明
该建筑始建于2009年，包括多个单体建筑，主要用于办公。建筑总面积为9.6万m2，单体建筑中高度最高达60m，层数最多有12层。为了有效贯彻国家节政策，该建筑于2015年1月开始，对空调系统、热水系统、照明系统和厨房灶具陆续进行了节能改造，至2015年4月正式完工。
3.2 节能效果对比计算
该办公建筑消耗的能源种类主要为电力和天然气，主要的用能系统包括：空调系统、照明系统、电梯系统、生活热水系统、热水系统、信息机房和其他用能系统。根据改造周期时间，进行节能效果核定时，基准期选择2014年（即改造前完整年），核定期选择2015年5月~2016年4月（即改造后完整年）。
3.2.1 不考虑修正时的节能量（率）
进行节能效果核定时，如不考虑节能效果与主要影响因素的关系，根据式（1）可知，∆E和∆E′均为0，此种情况下本项目年节能量为471tce，年节能率为15%。具体计算结果如表1所示。
表1 不考虑主要影响因素时的节能效果
3.2.2 考虑修正时的节能量（率）
进行节能效果核定时，如考虑节能效果与主要影响因素的关系，首先应根据式（3）和式（4）计算得出∆E值（∆E′仍为0）。计算时，选取2012年和2013年1月~12月年能耗与主要影响因素进行建模，主要影响因素X1、X2取室外温度和就餐人数。通过分析，本酒店能耗与主要影响因素的关系如下所示：
式中：Ebi为第i月根据该月平均温度和月均就餐人数拟合得出的建筑该月的日平均用电量（kW·h），X1i为第i月室外平均温度（℃），X2i为第i月就餐人数。该相关性模型的复相关系数R2为0.89。
根据上述相关性模型，将2014年主要影响因素的数值代入预测该建筑2014年总能耗为3221tce，与实际总能耗值3059tce进行对比，结果显示两者之间偏差为5.3%，说明该相关性模型可用于预测该建筑能耗。
将核定期主要影响因素代入上述相关性模型中，即可得在核定期运行工况下的基准期年能耗，得出∆E=161tce；再根据式（1）和式（2）即可得考虑主要影响因素后的年节能量为632tce，年节能率为20%。
将本节能改造项目的两种计算结果进行对比分析，如表2所示，可知考虑主要影响因素与否核定的节能率差异较位明显，达5%。
表2 考虑主要影响因素与否的节能效果对比
4 结论
基于能耗修正的月度账单法是目前以综合节能量（率）为目标核定我国公共建筑综合节能改造效果应采用的方法。能耗修正时应注意基准期和核定期选取，在改造前后基础数据可靠完整，应优先通过回归拟合的方式建模求得能耗修正量。通过实例分析显示，是否进行能耗修正，将显著影响节能效果核定结果。
参考文献
[1] Efficiency Valuation Organization. EVO 10000-1:2007(Cn) International performance measurement and verification protocol – Concepts and options for determining energy and water savings Volume 1, 2007.
[2] GB/T 51161–2016, 民用建筑能耗标准.
[3] DB31/T551–2011, 星级饭店建筑合理用能指南.
[4] 公共建筑节能改造节能量核定导则，2017.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年1-2月刊总第18期。
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