宁波市典型公共机构建筑电耗限额标准化研究

2021-12-29毛艳辉王金晶王超群王瑞超

宁波工程学院学报 2021年4期

毛艳辉,王金晶,王超群,王瑞超

（1.宁波工程学院建筑与交通工程学院,浙江宁波 315211;2.嘉兴燃气集团股份有限公司,浙江嘉兴 314000;3.西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院,陕西西安 710311）

0 引言

《中国建筑能耗研究报告2020》[1]统计显示，我国建筑运行阶段的碳排放占全国能源碳排放的21.9%，比2019年[2]及以前的能耗持续增长，显示了2030年碳达峰目标[3]约束下降低建筑能耗的必要性。目前我国的建筑能耗控制依托国家和省级的限额标准进行管理，即基于建筑能耗统计样本数据确定基准值，对超出基准值的建筑通过惩罚性电价约束其用电力度。建筑用电限额标准有利于建筑物使用者通过比对实际用电量与限额基准值，评估建筑物在行业中的能效水平，完成自我诊断。

建筑能耗与城市所处气候区域及经济发展密切相关，夏季炎热和冬季寒冷地区，制冷和供暖负荷高会增加建筑能耗；经济水平不同的城市，受建筑用能设备数量和功率、建筑环境舒适度营造需求、建筑用能设备工作时长等因素影响，建筑能耗存在明显区别。重庆、上海同处于夏热冬冷气候分区，建筑用电限额标准也有较大不同：重庆市《机关办公建筑能耗限额标准》DBJ50/T 326—2019规定机关办公建筑电耗基准值为53 kWh/(m2·a)，而上海市《机关办公建筑合理用能指南》DB31/T 550—2015为110 kWh/(m2·a)，是重庆的两倍；上海与浙江省气候相同，浙江省宁波与上海经济发展水平接近，但浙江省《行政机关单位综合能耗、电定额及计算方法》DB33/T 736—2016中，省级机关办公建筑电耗标准为90 kWh/(m2·a)，市级机关办公建筑电耗标准为60 kWh/(m2·a)，既不能体现宁波等经济发达地区市级机关建筑的高能耗特点，也放宽了省内欠发达地区能耗标准，反而会导致全省建筑能耗总量的增加。同济大学[4]对杭州市酒店、商业办公、商场三类建筑的能耗分析表明，现行浙江省建筑能耗标准的节能力度“有待加强”。此外，由于公共机构建筑的用能费用部分或全部由财政资金承担，以及公共机构建筑具有提供公共服务的属性，其人员用能行为与非公共机构建筑存在明显差异，而现有文献中还没有对浙江省经济发达地区公共机构建筑用能特点的相关研究，本文基于宁波市机关办公和医院建筑能耗数据开展的限额分析，将进一步完善浙江省公共建筑能耗标准体系。

1 研究思路

1.1 能耗数据来源

电力是建筑的主要能源种类，参考北京[5-6]等地以电耗进行限额管理的做法，文中以建筑电耗为分析元素。因公共机构对数据调研配合度较高，收集反馈的有效样本主要为宁波市机关办公和医疗卫生建筑，分别为65组和28组，信息包含建筑面积、用电量、用电范围等，故采用宁波市机关办公建筑和医院建筑作为研究对象。受不少机关单位合署办公的影响，宁波市机关办公建筑的总量难以统计，已统计到65组的单位数据已涵盖了各区县市主要行政机关。根据宁波市公众健康服务平台公开的信息，宁波市二、三级医院总数51家，本次统计到28组医院数据，已超过半数，样本数据具有代表性。

1.2 数据处理方法

建筑能耗限额[7]主要有两种方法：一是统计定额法，通过采集大量数据并经过统计分析得出建筑能耗限额值。优点是有大量样本数据，结果较为合理，但数据不易获得且质量参差不齐。二是技术定额法，通过选定标杆建筑，再经过技术测量得出其能耗值，并对同类建筑进行约束。缺点是难以保证标杆建筑对所有建筑能耗的代表性。本文采用统计定额法，在保证数据质量的前提下进行分析，并参照《民用建筑能耗标准》GB/T 51161—2016限额思路，形成电耗约束值指标（为实现建筑使用功能所允许消耗的建筑能耗指标上限值）。

为确保数据分析的合理性，先对数据进行预处理，剔除异常值，以避免统计过程中可能存在的误差对整体分布造成影响，使能耗标准偏高或过低，然后将各类型公共建筑的数据按一定规律进行聚类分析，确定建筑能耗的分类依据，再将分析后的能耗数据进行正态分布检验，若检验后样本与理论差异不大，则可运用限额水平法进行能耗限额标准计算。

2 数据分析过程

2.1 数据预处理

对电耗数据进行箱线图分析可以客观得到偏离整体较远的数据，并将其剔除。图1是宁波市机关办公和医院建筑用电数据箱线图。宁波市机关办公建筑用电数据存在异常值277.26 kWh/(m2·a)，超过了本批次宁波市机关办公建筑的正常用电区间范围，对数据源头追溯，结合该部门的能源审计报告，是由于该建筑的信息机房用电未与其他办公用电单独计量，导致用电量剧增，应将其剔除。宁波市机关办公建筑箱线图的上边缘值为122.28 kWh/(m2·a)，下边缘值为24.57 kWh/(m2·a)；宁波市医院建筑电耗不存在异常值，上边缘值为156.55 kWh/(m2·a)，下边缘值为49.11 kWh/(m2·a)。宁波市医院建筑的年平均用电量总体高于宁波市机关办公建筑，与医院建筑用电设施（包含办公所需的医疗设备用电），以及全年无休等实际因素有关，符合正常的用电规律。

图1 两类宁波市公共机构建筑电耗原始数据箱线图

2.2 聚类分析

聚类分析是通过对数据分类，使同一类数据的性质相似，存在差异的数据分为不同类别。常用的聚类分析方法有直接聚类法、最短距离聚类法和最远距离聚类法。由于最远距离放大了类间距离，最短距离缩小了类间距离，故本次研究采用介于两者之间的中间距离，即以平方Euclidean距离为度量标准的组间平均连接法，对宁波两类公共机构建筑的电耗数据进行分析。

2.2.1 宁波市医院建筑

对28个项目的电耗数据编号并进行聚类分析，结合现有建筑能耗标准体系按医院级别分类的方法，将第1号至15号编排为三级医院，第16号至28号编排为二级医院，以便于根据序号查看聚类分析结果。图2为宁波市医院建筑聚类分析树状图，可知宁波市医院建筑分为2类，每个类别的样本数分别为13个和15个，13个样本数的一组数据中，10个为二级医院，二级医院比例76.9%，15个样本数的一组数据中，12个为三级医院，三级医院比例80%，可以认为宁波市医院建筑用电按照医院级别分类的方法是合理的。

图2 医院建筑电耗聚类分析树状图（1～15为三级医院，16~28为二级医院）

2.2.2 宁波市机关办公建筑

对剔除异常数据后的64个宁波市机关办公建筑电耗数据进行聚类分析，为方便按编号查找对应的分析结果，根据浙江省《行政机关单位综合能耗、电耗定额及计算方法》DB33/T 736—2016，将机关办公分为省级机关和市级机关的分类方法，将1号至22号编排为市级机关，将23号至64号编排为区（县）机关。聚类分析结果如树状图3（a）所示，64个宁波市机关办公建筑的电耗数据被分为两类，一类为16个数据，其中市级机关有13个，占比81.25%；另一类包含48个建筑数据，区（县）级机关39个，占比81.25%，表明宁波市机关办公建筑用电特点与行政级别存在对应关系。

建筑面积大于20 000 m2的大型公共建筑在《大型公共建筑能耗监测系统工程技术规范》DG/TJ 08—2068—2017等规范中，是重点用能管理对象，为进一步辨析建筑体量与建筑能耗的关系，按照建筑面积从大到小进行编号并再次聚类分析，其中第1号至第21号均大于20 000 m2，其余为小于20 000 m2的建筑。图3（b）聚类分析结果显示数据被分为两类，第一类的16个数据中有15个建筑面积大于20 000 m2，占比93.7%；第二类48个项目数据中有40个小于20 000 m2，占比83%，表明宁波市机关办公建筑的用电特点与总建筑面积也存在关联。

图3 宁波市机关办公建筑电耗聚类分析树状图（a）按行政级别分类：1～22为市级机关，23~64为县级机关；（b）按建筑面积分类：1～21为大于20 000 m2，22～64为小于20 000 m2

2.3 正态分布检验

为了判断样本所代表的背景总体与理论正态分布是否存在显著差异，对宁波市机关办公建筑和医院建筑用电数据进行K-S假设检验，假设其服从正态分布，设定显著性水平为0.05，含义为服从正态分布的假设正确时，被拒绝的概率是5%。通过对宁波市机关办公建筑用电分别按照行政级别和建筑面积、宁波市医院建筑用电按照医院等级进行单样本K-S假设检验，结果汇总于表1，可知各类建筑单位面积电耗数据的渐进显著性均大于0.05，即接受原假设，各分类数据均服从正态分布，具备按照限额水平法划分能耗等级的数理统计基础。表1中，均值为样本数量的算术平均值，标准差表征了样本数据的离散程度，标准差大，则各样本值与平均值偏离较远。第25、50、75百分位数，表示样本数值累计频次分别达到25%、50%、75%，如第25百分位数，即有25%的数据小于表1中的该数值。表1结果表明，宁波市机关办公建筑按照面积分类，或按照行政机关级别分类都具有合理性，分别在上海市《大型公共建筑能耗监测系统工程技术规范》DG/TJ 08—2068—2017、浙江省《行政机关单位综合能耗、电耗定额及计算方法》DB33/T 736—2016中都有应用，但宁波市机关办公建筑面积大于20 000 m2的电耗数据渐进显著性为0.253，在各分类数据中处于最低水平，同时为便于与浙江省建筑能耗标准比较，下文按照行政区域级别进行限额分析。

表1 K-S假设检验汇总

对表1中符合正态分布的宁波市公共机构建筑电耗数据采用式（1）的限额水平法[8]划分约束性控制指标，以保证大多数建筑的合理用电，对正态分布的峰谷用户采取限额管理。

式中：

R—建筑电耗数据的限额值，kWh/(m2.a)；

X—建筑电耗数据的统计样本均值，kWh/(m2.a)；

σ—建筑电耗数据的统计样本标准差，kWh/(m2.a)；

Zα—（1-α）对应标准正态分布概率密度值，α为限额水平，α=0.2时，Zα=0.842。

本文对限额水平的取值，参考了《民用建筑能耗标准》GB/T 51161—2016的建议值α的取值范围为0.15～0.35，本文取为0.2，即认为80%的建筑用电合理。以宁波市市级机关办公建筑为例，用电限额约束性指标计算方法为：

同理可得两类典型宁波市公共机构建筑用电限额约束值如表2。

表2 宁波市两类公共机构建筑电耗约束值

3 讨论及建议

为判断宁波市机关办公建筑和医院建筑电耗水平与其他城市的差异，将前文数据与浙江省《行政机关单位综合能耗、电耗定额及计算方法》DB33/T 736—2015，以及《民用建筑能耗标准》GB/T 51161—2016中的同类建筑电耗进行了比较，结果列于表3、表4。

从表3可知，宁波市市级、县级机关办公建筑的约束值分别为88.54 kWh/(m2·a)、73.45 kWh/(m2·a)，比浙江省市级、县级机关办公建筑用电的限额水平60 kWh/(m2·a)和50 kWh/(m2·a)分别高了47.6%和46.9%。结合省内各地区生产总值[9]，以2019年为例，杭州和宁波市分别约1.5万亿元和1.2万亿元，温州和绍兴分别为0.6万亿和0.5万亿，衢州、丽水、舟山均在0.1亿元左右，所以，省内均等的数据统计方法拉低了全省的建筑电耗限额标准，不能体现经济发达地区的实际建筑电耗水平。相比国家标准，宁波作为夏热冬冷地区城市，在相同气候分区城市群如上海、南京、苏州、重庆、合肥等城市中，宁波经济相对发达，但宁波市机关办公建筑的电耗尚处于自然通风与机械通风的中间水平，表明宁波市行政机关建筑的用能合理性。

表3 机关办公建筑电耗限额在不同标准中比较

表4为宁波市医院建筑用电与浙江省平均水平比较，由于医院建筑本身数量较少，增加了样本分析的难度，在《民用建筑能耗标准》GB/T 51161—2016中没有医院建筑的限额标准。表4显示出宁波市二级医院建筑与三级医院建筑用电的约束值相近，还略高于三级医院。根据统计数据及表1的计算结果，宁波市三级医院单位面积电耗区间为60 kWh/（m2·a）至136.22 kWh/（m2·a），标准差为22.94 kWh/（m2·a），宁波市二级医院单位电耗区间为49.11 kWh/（m2·a）至156.55 kWh/（m2·a），标准差为37.35 kWh/（m2·a），标准差较大，表明二级医院电耗数据更分散，单个样本数据远离平均值，追溯原始建筑参数，发现主要是二级医院较多分布在县域内，就近原则使二级医院有一定的就诊规模，形成了接近于宁波市市域三级医院的能耗峰值，印证了我国建筑能耗“城乡二元分布”的双峰值特征[10]。

表4 医院建筑电耗限额在不同标准中比较

相对比浙江省三级医院建筑用电限额155 kWh/（m2·a），宁波市三级医院建筑用电限额水平118.38 kWh/（m2·a）量，电耗明显较低，推测是宁波市三级医院主要为宁波市就诊人群，浙江省三级医院面向全省，就诊人数差异导致了市级与省级医院的能耗差异。此外，宁波市二级医院用电限额119.33 kWh/（m2·a）远高于浙江省二级医院平均用电水平60 kWh/（m2·a），推测是省内经济相对不发达城市的二级医院医疗水平和就诊人数限制，拉低了浙江省二级医院建筑用电水平，同时受宁波市二级医院电耗数据离散程度大的影响，抬高了宁波市二级医院建筑用电水平，有待于调研更加完善的宁波市医院建筑辅助信息校核限额标准。

从降低建筑能耗、减少建筑碳排放的角度，对宁波市公共机构建筑的用能管理及后续研究有如下建议：

（1）宁波市机关办公建筑有待于更加严格（如限额水平取0.3）的建筑电耗标准，并可从建筑面积和行政级别两个角度提高对机关办公建筑用电的约束力；

（2）宁波作为经济发达城市，应当利用经济资源优势，增加建筑低碳运行中的科技研发投入，承担与城市国内生产总值（GDP）对等的节能责任。

（3）有待于通过对宁波市医院建筑病床数、就诊人数的信息采集，进一步挖掘医院建筑双峰值特征的驱动因素。