馬 坤， 田玉卓， 翟恩明

(1.石家莊鐵道大學機械工程學院，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中心，河北 石家莊 050031)

0 引言

目前我國公共建筑總量約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大的節(jié)能潛力?！睹裼媒ㄖ?jié)能條例》強調對大型公共建筑實行用能定額管理制度。第34條明確規(guī)定，縣級以上地方人民政府建設主管部門應當對本行政區(qū)域內供熱單位的能源消耗情況進行調查統(tǒng)計和分析，并制定供熱單位能源消耗指標;對超過能源消耗指標的，應當要求供熱單位制定相應的改進措施，并監(jiān)督實施。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標準，它有具體的作用對象，例如建筑的擁有者，一個學校，一個城市，一個熱電廠等。其目的是降低作用對象的能耗，其作用方式是對作用對象的能耗懲罰與獎勵。合理的能耗定額值必須能夠鼓勵能耗的降低，抑制能耗的增加。能耗定額是降低能耗的重要手段，是國家進行能耗管理的基礎，是國家能源政策制定及節(jié)能計劃實施的重要依據(jù)。

1.2 能耗定額的編制方法

目前我國制定能耗定額的方法有兩種:基于實測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于公共建筑，首先根據(jù)建筑實際狀況，利用建筑能耗模擬軟件計算建筑的能源消耗量，其次根據(jù)建筑實際分項計量數(shù)據(jù)，驗證能耗模型和輸入?yún)?shù)的準確性，最后修改設計和運行不合理之處，重新計算建筑能耗，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，而且其計算復雜。

(2)基于實測分析的方法對于公建及相同功能的建筑，對同一用能指標進行統(tǒng)計，求出樣本的統(tǒng)計平均值和標準差，通常認為各項用能指標服從正態(tài)分布。當對大量樣本進行統(tǒng)計分析后，根據(jù)平均值和標準差制定用能定額。這種方法不適用于所有建筑，沒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，對熱電廠下一年的供熱能耗進行了預測，同時考慮實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，同時該方法沒有考慮到熱電廠的差異。結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與管理方法?；驹?，根據(jù)實際運行管理系統(tǒng)的變量一般為隨機變量的特點，采用隨機的方法解決系統(tǒng)的問題，抓住關鍵變量作為定額的工作量，建立工作量同系統(tǒng)效益關系的模型，計算效益的價值。而管理者只要能把工作量、定額、效益和獎勵正確地掛起鉤來，配合有效的思想政治工作，就會大大激發(fā)被管理者的積極性，大幅度地提高系統(tǒng)的運行效率［3］。

彈性定額理論的應用，可以再現(xiàn)追隨跟蹤實際發(fā)生的工作量的變化趨勢，可以很好的適應系統(tǒng)內部或系統(tǒng)外部的運行環(huán)境的變化。即使初始定額值制定的不夠精確，但只要運行一段時間后，彈性定額可以很快的將定額拉到合理的位置。所以，彈性定額對于初始值及歷史數(shù)據(jù)的要求并不嚴格，這一點，對開始建立的隨機運行系統(tǒng)來說，有著特殊意義。目前我國的能耗統(tǒng)計工作處于起步階段，能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫還尚未完全建立，能耗數(shù)據(jù)特別是逐年的能耗數(shù)據(jù)相對缺乏，將彈性定額理論應用于能耗定額的制定工作是個很好的選擇。

3 能耗定額模型

結合彈性定額理論以及能耗定額工作的特點，提出能耗定額理論模型

式中，Dt為能耗定額值，kg/m2;dt為浮動定額，kg/m2;H為定額上限值，kg/m2，當計算出的浮動定額值dt高于這個上限值H時，定額不再向上浮動，定額按H取值，即Dt=H;L為定額下限值，kg/m2，當計算出的浮動定額值dt低于下限值L時，定額不再向下浮動，定額按L取值，即Dt=H;Q為系統(tǒng)的工作量，kg/m2;n為移動平均的項數(shù);η為調整系數(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)實際情況確定，kg/m2(每平方米標準煤的數(shù)量)可以是熱電廠的定額單位，而對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

一個城市，一棟建筑，一個小區(qū)等可以看作是一個系統(tǒng)。對于一棟建筑，這個系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，包括電氣系統(tǒng)，暖通空調系統(tǒng)，給排水系統(tǒng)等等。各個子系統(tǒng)都為創(chuàng)造出一個合適的人工環(huán)境而服務，所有的建筑都含有幾近相同的子系統(tǒng)，可以說各個建筑是相似的。同時從另一個角度去看，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方面。在進行能耗定額時，應當考慮到這兩個方面，考慮到建筑的相似性，對能耗進行定額時，應當采用相同的考核指標，使用相同的能耗定額模型?？紤]到建筑的不可比性，進行能耗定額時，不同熱工性能的建筑應當有不同的定額標準，對于不同的建筑，不應當使用相同的定額值。同樣，對于供熱單位的的能耗定額也要考慮到這兩個方面。

4.2 模型參量分析

(1)Q。Q可以是能源指標，也可以是能源消耗性指標，可以是單項指標，也可以是復合指標，進行能耗定額時，可以根據(jù)要求來確定Q的計算公式，對于衡量公共建筑的能耗，建議采用能耗總指標這一單項指標。

(2)Dt。Dt可以是整棟建筑物的能源總指標，也可以是能源消耗指標包括電器系統(tǒng)消耗指標，暖通空調系統(tǒng)消耗指標和其他系統(tǒng)能耗指標，同時也可以是一個小區(qū)，一個城市的能耗。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，選定前若干時期的能耗數(shù)值加以平均，用平均數(shù)作為下期的預測值，屬于時間序列理論中的移動平均法。圖1是我國幾種典型的能耗變化趨勢圖，實線是統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出的能耗趨勢曲線，虛線是用公式(2)求解得出的定額曲線。

圖1 能耗變化趨勢及定額曲線

從圖1中可以看出，移動平均法做出的能耗定額曲線有以下三個特征:①能夠很好的跟蹤能耗變化的趨勢。②定額曲線滯后于趨勢曲線。直觀看，趨勢曲線向右平移一定距離形成定額曲線。而分析定額曲線，當能耗上升時，定額曲線在能耗趨勢曲線下方，當能耗下降時，定額曲線在能耗趨勢曲線的上方。根據(jù)能耗值與定額值的差值進行獎勵，即能耗值低于定額值的數(shù)量越多，獎勵越多，因此滯后效應與管理原則十分吻合。它正好鼓勵了能耗的降低，抑制了能耗的增加。當能耗處于上升趨勢時期，定額值在其下方，也就是說業(yè)主得不到獎勵，當能耗處于下降趨勢時期，定額值在其上方，也就是說業(yè)主會得到獎勵。這與能耗定額的初衷，即鼓勵能耗的降低，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，首先，如果能耗成直線增加，根據(jù)移動平均法確定的定額曲線也會是一條和能耗直線平行的遞增直線。也就是說，無論能耗怎樣增加，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。所以需要確定一個定額值的上限，當定額小于上限時，用移動平均法算出的定額。當定額高于上限時，用上限作為定額值，這樣，當能耗高于定額上限時，高出的越多，懲罰也就越大，這樣是合理的。其次，H的確定，可以為國家的節(jié)能減排政策提供一個很好的控制線，例如政策規(guī)定，5年內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，以第一年的能耗值的70%為終點作一條直線，作為定額的上限值，如圖2中直線A。同時上限也可以是水平直線，也就是建筑物的能耗已經(jīng)完全達到標準，同時也可以是如圖2中的曲線B，曲線B說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，如果能耗趨勢線是條遞減的直線，那么根據(jù)移動平均法確定的定額曲線會是一條與之平行的遞減直線。也就是說，無論能耗怎樣減小，定額值與能耗值之間的差值是不變的，這樣對于那些大力降低能耗的業(yè)主是不公平的，可能會打消業(yè)主降低能耗的積極性，所以就需要設定一個定額下限。當用移動平均法確定的定額高于定額下限時，就用移動平均法確定的定額值，當其低于定額下限時，就用定額下限作為定額值。當業(yè)主的能耗低于下限值時，其能耗減低的越多獎勵越大，這樣是合理的。L反應的是一個國家節(jié)能技術的平均水平，是條技術水平線，有了這條線，就會鼓勵業(yè)主采用先進的節(jié)能技術和合理的管理運行手段來降低能耗，使之更多的低于定額下限值，這樣的話會獲得更多的獎勵。

L值的確定可以采用如下方法:首先確定一個能耗水平，根據(jù)國家的政策或節(jié)能規(guī)范確定，這個能耗水平一定是可以滿足國家節(jié)能指標要求的。其次，對給定的一棟樓，其能耗狀況是完全確定的，據(jù)此可以應用能耗模擬軟件，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)實測的第一年的值乘以這個比值得到。也可以直接用第一年的能耗值乘以一個系數(shù)直接得到定額下限值。假設國家規(guī)定五年內公共

建筑降低能耗30%，那么規(guī)定一個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，獲得的獎勵越多。

(6)η。當確定定額上限時，是以國家政策規(guī)定的節(jié)能計劃的第一年作為定額曲線的起點，由于每棟建筑采用的節(jié)能技術不盡相同，對于已經(jīng)采用了先進節(jié)能技術的業(yè)主來說是不公平的。引入η，對于節(jié)能好的業(yè)主，η＞1，對于節(jié)能差的業(yè)主，η＜1。

從圖3中可以看出，對于節(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)主能夠得到獎勵。反之對于節(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)主就得不到獎勵或者獲得懲罰。η值的確定:對于當前建筑的節(jié)能技術和管理運行方式進行評估分類，然后根據(jù)建筑采用的技術和管理運行方式，采用德爾菲法來確定。

圖2 定額上限曲線

(7)n。n值是移動平均的項數(shù)，n值越大，定額曲線越滯后，曲線越平滑。n值的確定:以當前時刻為起點，越往前的數(shù)據(jù)對定額工作影響越小，所以n值不應該取的太大。同時從圖中可以看出，n值取的越大，定額值與能耗值的差值越大，也就是說，獎勵或懲罰越大，國家的獎勵懲罰制度也會影響n值的確定。對于能源總指標，建議n=2～4。

4.3 模型的管理特性

(1)模型具有極大的適應性，不僅可以對整個建筑進行定額，也可以對建筑的各個子系統(tǒng)進行定額，而且也可以上升到宏觀層面的定額管理。理論上，只要有詳實的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可以進行定額工作。

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

(3)模型的算法是公開的，透明的，簡單的。這樣的話，管理者可以為每棟建筑計算下一年的定額值，業(yè)主也可以根據(jù)模型進行計算。整個定額過程是公開的，透明的，有益于管理。

(4)模型的預測性，模型采用的移動平均法，是時間序列理論中的一種預測方法，所以算出的定額值，其實是對下一年能耗值的預測。

圖3 不同η值的定額上限對比

5 應用分析

這里采用郝斌等文章中的的調查數(shù)據(jù)，選取其中的三個城市(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”期間單位國內生產(chǎn)總值能耗降低20%左右的總體要求，以5 a為1個周期、實際供熱能耗降低20%確定定額上限，同時，定額下限設為第一年能耗的20%。也就是說，節(jié)能低于20%的越多，獎勵越大。該例中，假設每個城市的節(jié)能百分比相同，但是實際定額時應當考慮到每個城市的能耗狀況的不同。基于彈性定額理論的能耗定額見表1，其中括號中的數(shù)據(jù)為郝斌等文章中的定額值。定額結果不同主要是因為定額上下限的引入限制了定額值的范圍以及應用移動平均法確定定額范圍內的定額值。

表1 供熱能耗值及定額值 kg/m2

6 結語

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，而且簡單，明了，能夠很好的抑制能耗的上升，鼓勵能耗的降低，同時模型易于政策的調控。

基于彈性定額理論的能耗定額模型，需要詳實的逐年能耗數(shù)據(jù)。建立能耗數(shù)據(jù)庫，存儲建筑的信息，分項能耗，逐年能耗等，是當前首要的工作。能耗定額工作，不單純的是一個理論問題，實踐才是檢驗定額是否合理的唯一標準。

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

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

［3］高振宇.彈性定額管理方法概論［M］.北京:學苑出版社，1989.