住宅建筑能量信息系统综合评价模型研究.doc

住宅建筑能量信息系统综合评价模型研究美国劳伦斯伯克利国家研究室 陈淑琴 东华大学 沈恒根湖南大学 李念平，关军摘要：建筑能源使用效率的提高取决于对建筑耗能过程、建筑能耗特点及其相关影响因素的全面了解，因此在对建筑能耗进行科学评价的过程中，也必须将所有相关因素考虑进去。本文首先提出了“住宅建筑能量信息系统”的概念，即一个完整的住宅建筑能量信息系统应包括住宅建筑概况，住户基本资料，住户能耗设备性能及运行情况，室内热环境状况，能耗量，建筑物的外部条件以及建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益等几个方面。根据这一定义，建立了住宅建筑能量系统的评价指标，并跟据数量化理论建立了城市住宅建筑能量信息系统评价的数学模型，并对五大建筑气候区划下各城市住宅建筑能量信息系统进行评价。评价结果表明：各城市冬季住宅建筑能量信息系统的优劣顺序依次为乌鲁木齐西安昆明长沙重庆香港。6大城市的冬季住宅建筑能量信息系统可以划分为三个等级：香港等级最低，重庆、长沙处于中等，西安、乌鲁木齐和昆明等级最高。关键词：住宅建筑能源信息系统 综合评价 数量化理论III1. 引言阻碍建筑能耗效率提高的一个重要原因就是对建筑耗能过程、能耗特点、影响因素等相关信息缺乏全面了解。当获取了建筑能耗所有相关信息之后，对建筑能耗进行科学的综合评价是提高其节能潜力的一种重要途径。国内一些学者对住宅建筑能耗评价进行过一些研究。文献1在回顾国际上对住宅建筑能耗研究工作的基础上分析了住宅建筑能耗的特点，指出在研究的初始阶段可以使用单位建筑面积能耗等指标作为住宅建筑能耗的评价指标。我国建筑节能的相关标准也将建筑能耗量或采暖空调能耗量作为建筑节能的重要评价指标，并进一步规定了对建筑能耗有重要影响的建筑围护结构性能指标值及空调设备能耗比。但这些工作仅仅从建筑能耗量、围护结构及空调设备来考虑建筑节能过程2。此外，绿色奥运建筑评估体系和中国生态住宅技术评估体系是目前国内较有影响的两大建筑评估体系3,4。绿色奥运建筑评估体系从能源消耗、水资源、材料等几个方面对建筑可持续性进行综合评价。在对能源消耗进行评价时，考虑了建筑围护结构性能、采暖空调设备的性能、建筑全年耗热/耗冷量和照明能耗量、可再生能源利用等四个方面3。中国生态住宅技术评估体系从小区微环境、室内环境质量(室内热环境和空气质量)、能源等方面进行评价4。两大评估体系评价的目标都是针对建筑可持续性，而不是仅仅针对建筑能耗进行评价。同时，这两大评估体系的评估内容也没有涉及到能源市场特点、城市基础设施、社会经济效益等外部因素。此外，这两大评估体系中的定性指标的量化标准需人为制定，这样定性指标的量化易受打分者感情的控制，量化常凭经验进行，量化的结果有时很难做到客观、可靠3,4。本文主要针对建筑能耗这一目标建立了综合评价模型，从住宅建筑概况、住户基本资料、住户能耗设备性能及运行情况、室内热环境状况、能耗量、建筑物的外部条件（气候、能源市场、经济水平等）以及建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益等几方面全面确定城市住宅建筑能量信息系统的评价指标。不仅从“微观”的角度建筑自身进行评价，也从“宏观”城市条件的角度进行考虑，同时还兼顾了建筑、社会和环境三者之间的相互作用。利用数量化理论建立数学评价模型，将定性指标引入模型，并运用多元分析方法通过计算将定性数据定量化，从而不需要专家主观打分来量化定性数据，克服了评分法或指数法的不足5。2. “住宅建筑能量信息系统”的提出住宅建筑能源消耗是一个相当复杂的过程，全面揭示住宅建筑能耗特征以及耗能过程的内在规律尤为重要。以下几个方面决定了住宅建筑能源消耗的复杂性：首先，随着能源供给的多样化与市场化，电、煤、燃气等都成为了主要能源种类，太阳能等新能源也逐渐开始使用。就能源使用用途而言，采暖空调能耗、炊事热水能耗、家用电器能耗和照明能耗构成了住宅能耗的主体 6,7。其次，影响住宅建筑能耗的因素错综复杂。建筑物朝向、围护结构性能等建筑特性直接影响能源消耗量8。建筑内能耗设备，如热水器、空调等的性能及运行状况也是影响住宅建筑能耗的重要因素 9。建筑物处于变化的环境中，季节气候的变化对建筑能耗影响很大10。同时，对室内热环境的不同要求也会产生不同的能耗量。此外，从社会宏观角度来看，住宅建筑能耗量与GDP、能源价格、能耗结构等因素有关11。最后，由建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益也是衡量建筑能耗的重要信息指标。 由上分析可见，住宅建筑用能的过程是一个涉及围护结构、空调、照明等多个子系统，并受到外部输入能源价格、气候与使用特点等多个因素影响的复杂大系统。因此对住宅建筑能源消耗进行深入研究，仅仅从某个局部或者空调、照明等某个子系统进行研究是远远不够的。只有运用系统集成的思想，充分考虑建筑耗能过程相关的各个子系统之间的关联及特点，以及建筑物和外界环境之间的影响和联系，才能科学指导建筑节能1，4。综上所述，作者提出“住宅建筑能量信息系统”的概念，即住宅建筑能量信息系统需包括以下几个方面：(1) 住宅建筑概况，如住宅建筑材料及其热工性能等。(2) 住户基本资料。(3) 住户能耗设备性能及运行，如设备数量、性能参数，运行状态等。(4) 室内热环境状况。(5) 能耗量，主要用于对住户耗能进行跟踪与评价。反映逐月、逐年电、燃气等各类能源的消耗情况，以掌握住宅建筑的能耗结构。同时还需了解采暖空调、照明、炊事等各终端能耗情况，以便于分析各类系统的节能潜力。(6) 建筑物的外部条件。这一类型的信息主要是指建筑物气象条件、供入建筑物能源的市场价格与属性、社会GDP值、城市公共基础设施的建设等。(7) 建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益。图1进一步描述了住宅建筑能量信息系统的概念及六个部分之间的相互关系。建筑物外部条件住宅建筑能源消耗建筑物内部因素住宅建筑概况住户基本资料能耗设备基本信息运行/状态信息能耗量的输出建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益住宅建筑能量信息系统图1 “住宅建筑能量信息系统”概念图3. 住宅建筑能量信息系统综合评价模型的建立3.1 综合评价指标的建立 为了进一步评价住宅建筑能量系统的优劣，必须制定相应的评价指标，使得住宅建筑能量系统的概念能够具体化。据此，住宅建筑能量信息系统的评价指标制定如下：(1) 能源消耗量：总能耗量、采暖空调能耗量。(2) 建筑内部因素： 建筑概况：建筑年代、建筑结构、窗框材料、建筑朝向、建筑面积、建筑楼层。 能耗设备信息及运行状态：采暖空调器数量、使用月数、使用日小时数、设备效率（设备能源转化效率）。 住户基本资料：人口、收入、能耗支出占收入百分比、工作日和周末人员在室小时数。 建筑室内热环境：室内温度、人体对热环境的主观评价。(3) 建筑外部条件： 气候：室外月平均温度。 能源市场：各类燃气价格。 地区经济水平：人均GDP值。 城市公共基础设施的建设：用气普及率(指报告期末使用燃气的城市人口数与城市人口总数的比率)，管道燃气普及情况(如各调查住户使用管道燃气或罐装燃气等)。(4) 生态环境效益：CO2 排放量、SOX 排放量、NOX 排放量。(5) 社会经济效益： 城镇居民全年人均水电燃料支出占全年人均消费性总支出的比例。 生活能耗占社会终端总能耗的比例。3.2 数学模型及其计算方法数量化理论III数量化理论和因子分析、主成分分析等方法类似，都是用于分析样品和自变量中起支配作用的主要因素或成分，并据以实现对样品或变量的分类。所不同的是因子分析和主成分分析通常采用定量变量，而数量化理论不仅可以包含定量变量，还可以包含定性变量。其基本思想为：（1）对每个变量赋予适当的数值，即变量得分，同时，每个样品也相应地赋予适当数值，即样品得分。反应标度相近的变量或样本通常有相近的得分，因此具有相近得分的变量和样本通常能够聚为一类;（2）聚为同一类的样本或变量通常在某些方面具有相同的性质；（3）得分绝对值大的变量，通常是进行样本聚类的重要指标；（4）样本得分和变量得分 具有正比例关系 12。4. 典型城市的住宅建筑能量系统综合评价4.1 评价指标值的获取 该研究选取了我国五大气候区划下的典型城市，对其住宅建筑能量信息系统进行综合评价。这些典型城市分别为严寒地区的乌鲁木齐，寒冷地区的西安，温暖地区的昆明，夏热冬冷地区的重庆和长沙，以及夏热冬暖地区的香港。为获取各评价指标的具体数值，在上述六大城市选取了典型住户进行了冬季能耗调查。上述指标中的建筑能耗量、建筑内部因素（建筑概况、能耗设备信息及运行状态、住户基本资料、建筑室内热环境）均从问卷调查中得到。由于调查难度的限制，对于能耗量这一指标，只统计了调查期前一月的住户用电量和用气量。同时由于北方城市住户采暖没有专门的热表计量，因此乌鲁木齐和西安两城市的住户冬季采暖能耗没有计入到总能耗中。对于能耗设备信息及运行情况，只统计了冬季主要能耗设备热水器及采暖器的拥有和运行情况。文献13对六城市住户冬季问卷调查的情况进行了介绍和分析，而该文对模型分析结果有重要影响的一些指标数据进行分析。对于各住户人口，香港每户4人或4人以上的住户比例达69%，而其他城市一半以上的住户为3口之家。图2分析了各城市住户的年收入情况。乌鲁木齐、西安、长沙和重庆四城市中住户年收入以24万元/年为主。昆明住户年收入中以12万元所占比例最大。而香港72%的住户年收入在10万以上，其中以1015万的年收入为主。图3分析了各城市住户冬季月能耗量。香港住户尽管冬季基本不需要采暖，但其用电量在各城市中仍最大，其户均用电量为1782MJ/户，住户用电量最大值达7200 MJ。长沙和重庆次之，其户均用电量分别为739 MJ/户和704 MJ/户。乌鲁木齐、西安和昆明的户均用电量均在500 MJ/户以下。分析各城市住户用气量发现，重庆和香港两城市的户均用气量高达1 305MJ/户和1 421MJ/户，而其他城市的户均用量差别不大，在468 MJ/户748 MJ/户之间。 a) 除香港以外的其他调查城市 b) 香港 图2 各城市住户年收入a) 用电量b) 用气量图3 各城市冬季月能耗量对于建筑物外部条件，如气候、能源市场、地区经济水平、城市公共基础设施的建设等指标的数值，以及社会经济效益的具体数值，均通过燃气公司、物价局、气象局等相关部门调研和查阅相关文献资料得到，其具体指标值如表1所示，各指标的年份以调查所得的能耗量所属月份的所在年份为准 1421。由于某些城市的“城镇居民全年人均水电燃料支出占全年人均消费性总支出的比例”这一指标值很难得到，因此用“城镇居民全年人均居住支出占全年人均消费性总支出的比例”这一指标代替。居民全年人均居住支出为全年人均水电燃料支出和全年房租支出之和。此外，由于某几个城市的生活能耗占社会终端总能耗的比例很难得到，因此下面的模型计算中去掉了这个评价指标。此外，生态环境效益中的评价指标值也可以根据住户冬季月能耗量和单位热值的能源燃烧所释放的温室气体量的乘积得到。表2列出了各单位热值的能源燃烧所释放的温室气体量 2223。表1 冬季评价模型评价指标值 (建筑外部影响因素和社会经济效益)评价指标乌鲁木齐西安重庆长沙昆明香港200320012002200220032001调查月室外平均温度()-10.30.79.5610.218.3燃气价格(元/MJ)管道煤气0.0760.0510.0680.0452.25管道天然气0.0380.0450.0310.062管道液化气0.0440.0840.1380.287罐装液化气0.0440.0840.0830.0890.238人均GDP（元）199001015063471476316352188835 (港元)用气普及率99.6360.5546.639287.0296.2城镇居民全年人均居住支出占全年人均消费性总支出的比例8.38%9.13%9.35%12.49%7.31%35%表2 各单位热值的能源燃烧所所释放的温室气体量(g/MJ)能源种类CO2 排放量NOX排放量SOX排放量电3070.0040.144煤气45.10.1060.004天然气50.30.050.001739液化石油气590.170.0014.2 评价结果分析在该评价模型中，各城市住户为分析样本，各评价指标为模型变量。通过MATLAB计算，可以得到各样本和各变量的得分。根据3.2节中数量化理论的原理（1）和（2），相近得分的样本可以划分为一类，即这些住户具有相似的住宅建筑能量信息系统。而根据原理（3），可以判定对能量信息系统等级聚类有重要影响的评价指标。表3为各城市冬季住宅建筑能量信息系统的评价因子得分表。分析各评价因子得分的大小发现，绝大部分指标得分，并不是对能量信息系统的优劣有重要影响的评价指标。根据原理（3），以为界，得分绝对值大于0.1的变量为对住宅建筑能量信息系统优劣等级判定有重要影响的评价因子。同时，进一步分析各能耗量的得分b1可知，能耗量在1000MJ/户以下的得分，而能耗量在2000MJ/户以上的得分，因此可以进一步判定，在这些有重要影响的评价因子中，如果得分，则是对判定“优质住宅能量系统”有重要影响的因子；反之则是对判定“劣质住宅能量系统”有重要影响的因子。据此，对判定“劣质住宅能量系统”有重要影响的因子有：其它建筑结构、对热环境无所谓、年收入415万、年收入15万以上、能耗量20004000MJ/户、能耗量400017000MJ/户、CO2排放量、NOX排放量、SO2排放量、居住支出占消费性总支出的比例、楼层、人口、室外月平均温度、能源价格和人均GDP。对判定“优质住宅能量系统”有重要影响的因子有：年收入2万以下、能耗量01000MJ/户和采暖器能源转化效率0.1225以上。同理，以为界，当时，对判定“劣质住宅能量系统”有重要影响的因子有：能耗量400017000MJ/户、对热环境不满意、采暖器日小时数、采暖器数目、室外月平均温度。当，对判定“优质住宅能量系统”有重要影响的因子有：能耗量01000MJ/户、采暖器能源转化效率为0(即不使用采暖器)、采暖器能源转化效率为0.1225以上和室内温度。表3 各城市冬季住宅建筑能量信息系统评价因子得分表评价指标b1b2冬季能耗量(MJ/户)110000.113-0.263100020000.0540.12720004000-0.2160.141400017000-0.5140.415室内温度-0.058-0.256冬季热环境满意度不满意0.0350.157无所谓-0.1620.088满意0.056-0.128建筑年代80年代及以前-0.095-0.01390年代及以后0.0310.004建筑结构砖混-0.003-0.015钢筋混凝土0.080.084其它-0.252-0.074建筑朝向南北0.071-0.008其它-0.0640.007楼层-0.111-0.009窗框材料铝/铁-0.031-0.034木/塑钢0.0690.075建筑面积0.0810.109采暖器数目0.0530.298采暖器日使用小时数0.0490.245采暖器能源转换效率0-0.062-0.2800.12250.056-0.0270.12250.103 -0.416人口-0.1140.033年收入2万0.108-0.05724万0.0480.065415万-0.164-0.04115万以上-0.489-0.092能耗支出/收入-0.0270.034工作日小时数-0.0640.015周末小时数-0.0930.024室外月平均温度-0.1420.163燃气价格-0.164-0.034人均GDP-0.204-0.049用气普及率-0.081-0.116管道燃气普及管道气0.010.005罐装气-0.016-0.008CO2排放量-0.1640.13NOX排放量-0.1410.07SO2排放量-0.160.121居住支出占全年人均消费性总支出的比例-0.203-0.006图4为各城市冬季住宅建筑能量信息系统评价结果。首先根据可以判断，沿轴的方向，香港住户和其他城市住户的优劣等级划分得非常明显；但是除香港以外的其他城市的住户在轴上没有明显的等级差别，却沿轴的方向呈现出明显的等级差别。因此，还需进一步结合的结果来划分各城市冬季住宅建筑能量信息系统的优劣等级。由于值和值具有线性正比关系，结合上述对变量得分的分析可知，越大，越小，则越大，越小，则住宅建筑能量信息系统的等级越高12。因此，各城市冬季住宅建筑能量信息系统的优劣顺序依次为乌鲁木齐西安昆明长沙重庆香港。根据图上各城市样本的分布，将该6大城市的住宅建筑能量信息系统进行进一步评价，可以划分为三个等级：香港等级最低，重庆、长沙在6城市中处于中等，西安、乌鲁木齐和昆明等级最高。此外香港住户的分布和其它城市住户分布相隔很远，说明香港住宅建筑能量信息系统远差于其他城市。图4 各城市冬季住宅建筑能量信息系统评价结果5. 结论本研究提出了“住宅建筑能量信息系统”的概念，即一个完整的住宅建筑能量信息系统应包括住宅建筑概况，住户基本资料，住户能耗设备性能及运行情况，室内热环境状况，能耗量，建筑物的外部条件以及 建筑耗能所产生的生态环境及社会经济效益等几个方面。根据这一定义，建立了住宅建筑能量系统的评价指标，并跟据数量化理论建立了城市住宅建筑能量信息系统评价的数学模型，并对五大建筑气候区划下各城市住宅建筑能量信息系统进行评价。评价结果表明：各城市冬季住宅建筑能量信息系统的优劣顺序依次为乌鲁木齐西安昆明长沙重庆香港。6大城市的冬季住宅建筑能量信息系统可以划分为三个等级：香港等级最低，重庆、长沙处于中等，西安、乌鲁木齐和昆明等级最高。参考文献1 李峥嵘, 钱必华. 住宅建筑能耗的特点及其评价指标的确定J. 节能技术, 2001, 19(1): 10-122 中华人民共和国建设部. 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001S. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002, 3-53 绿色奥运建筑研究课题组著. 绿色奥运建筑评估体系M. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003, 110-118, 168-182, 287-299, 322-3334 聂梅生, 秦佑国, 江亿等. 中国生态住宅技术评估手册M 北京: 中国建筑工业出版社, 2003, 9-135 罗晓明, 俞科群. 数量化理论在马瑙山矿突水危险性评价中的应用J. 采矿技术, 2004, 4(3): 26-286 Wan K. 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