王 旭， 王 強(qiáng)， 劉 芳， 閆桂煥， 王宗偉， 馮 然

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省碳中和技術(shù)創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250101；3.山東省科學(xué)院生態(tài)研究所，山東濟(jì)南250103；4.山東省三益工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東濟(jì)南250101；5.山東高速工程咨詢集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250003)

1 概述

隨著高速公路建設(shè)里程的快速增加，服務(wù)區(qū)也在數(shù)量上實(shí)現(xiàn)了新突破[1]。目前，我國高速公路服務(wù)區(qū)(簡稱高速服務(wù)區(qū))建筑絕大部分存在能源消耗偏高、環(huán)境影響偏大、使用功能亟待提升等問題，加強(qiáng)建筑節(jié)能工作迫在眉睫。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在能耗影響因素分析以及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐等方面[2-5]。這些研究成果雖然有效推動了高速服務(wù)區(qū)建筑節(jié)能工作的開展，但以能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的高速服務(wù)區(qū)建筑能耗定額研究比較少。因此，確定科學(xué)合理的能耗定額對于高速服務(wù)區(qū)建筑節(jié)能工作具有重要意義。

電力是高速服務(wù)區(qū)建筑的主要能源，而作為供暖熱源的燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t消耗的燃煤、天然氣數(shù)據(jù)不易采集，因此筆者在進(jìn)行調(diào)研時，著重對用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集整理，本文的能耗特指電耗。本文結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)，對山東省高速服務(wù)區(qū)建筑能耗特性進(jìn)行分析，研究合理的能耗定額編制方法。

2 能耗特征分析

2.1 研究對象

根據(jù)服務(wù)區(qū)建筑等級、服務(wù)水平、配套設(shè)施完善度等，本次調(diào)研的山東省高速服務(wù)區(qū)可分為4類[6]。

第1類高速服務(wù)區(qū)。設(shè)置在交通量大的干線高速公路上，具有服務(wù)主導(dǎo)地位，功能完善，規(guī)模較大，是為車輛、駕乘人員、旅客提供綜合服務(wù)、休閑的區(qū)域中心服務(wù)區(qū)。樣本數(shù)25。

第2類高速服務(wù)區(qū)。設(shè)置在交通量較大的干線高速公路上，居次要地位，功能較全，規(guī)模適中，是為車輛、駕乘人員、旅客提供服務(wù)的服務(wù)區(qū)。樣本數(shù)41。

第3類高速服務(wù)區(qū)。功能較全，規(guī)模適中，是為車輛、駕乘人員、旅客提供服務(wù)的服務(wù)區(qū)。樣本數(shù)21。

第4類高速服務(wù)區(qū)。功能簡單，規(guī)模較小，是滿足車輛、駕乘人員、旅客基本服務(wù)需求的服務(wù)區(qū)和停車區(qū)。樣本數(shù)32。

本次調(diào)研的119個高速服務(wù)區(qū)約占全省高速服務(wù)區(qū)總數(shù)的80%，可一定程度上反映山東省不同等級高速服務(wù)區(qū)建筑能耗情況。調(diào)研時間為2020年10月至2022年3月，調(diào)研近1～2 a的能耗數(shù)據(jù)。調(diào)研內(nèi)容包括建筑基本信息、建筑能耗?；拘畔⒅饕獮榻ㄖ娣e、建筑高度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式等。建筑能耗主要為建筑分項(xiàng)用電量、總用電量，分項(xiàng)用電量包括空調(diào)系統(tǒng)、照明裝置、動力設(shè)備、生活熱水裝置、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等用電量。

2.2 能耗特征分析

能耗數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性是進(jìn)行能耗定額研究的重要基礎(chǔ)?？紤]到能耗實(shí)際統(tǒng)計過程中存在由于工作人員操作不當(dāng)以及數(shù)據(jù)采集儀器自身故障等問題造成數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象，因此需要剔除異常數(shù)據(jù)?；谏鲜隹紤]，利用小提琴圖[7]對高速服務(wù)區(qū)建筑能耗特征進(jìn)行定性分析及異常值檢測。分析結(jié)果表明：能耗強(qiáng)度(根據(jù)年總耗電量、建筑面積計算得到的年單位建筑面積耗電量)隨著高速服務(wù)區(qū)等級提升呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。僅剔除第1類高速服務(wù)區(qū)的1組異常數(shù)據(jù)(樣本25)，其他3類高速服務(wù)區(qū)未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

筆者采用SPSS軟件，對4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中的偏度表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布的偏斜程度，峰度是表示概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)，二者數(shù)值接近于0時可認(rèn)為服從正態(tài)分布。對于樣本數(shù)小于等于2 000的樣本集，采用S-W檢驗(yàn)，以得到顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)(P值)，若P值>0.05，則可認(rèn)為樣本服從正態(tài)分布的假設(shè)成立[8-9]。

表1 4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度分布的偏度、峰度均在0附近，且P值均大于0.05，說明4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗樣本數(shù)據(jù)均近似服從正態(tài)分布。

3 能耗定額編制方法

能耗定額的編制方法分為統(tǒng)計定額法、技術(shù)定額法。統(tǒng)計定額法是以實(shí)際能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在權(quán)衡社會發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件等因素后確定建筑能耗水平，進(jìn)而利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法計算得到能耗定額，本文利用統(tǒng)計定額法中的定額水平法計算能耗定額。技術(shù)定額法雖然具有技術(shù)先進(jìn)性的特點(diǎn)[10]，但前提是需要建立與當(dāng)前大多數(shù)建筑功能、技術(shù)條件等類似的建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)模型。筆者采用技術(shù)定額法，在建筑采取節(jié)能措施的前提下，計算能耗定額先進(jìn)值，并與統(tǒng)計定額法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證統(tǒng)計定額法合理性。

3.1 定額水平法

能耗定額E的計算式為[11]：

E=Eav+Zσ

(1)

式中E——能耗定額，kW·h/(m2·a)

Eav——能耗強(qiáng)度平均值(見表1)，kW·h/(m2·a)

Z——定額水平對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度

σ——能耗強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(見表1)，kW·h/(m2·a)

文獻(xiàn)[12]提供的公共建筑定額水平對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度見表2。

表2 公共建筑定額水平對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度[12]

能耗定額分為約束值、先進(jìn)值兩類。對于公共建筑，通常選取定額水平為0.20(即滿足80%公共建筑的用能需求)時的能耗定額作為約束值，而能耗定額先進(jìn)值對應(yīng)的定額水平則選取0.70～0.85比較合理[13-15]。因此，由式(1)計算定額水平0.15～0.35、0.70～0.85條件下4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗定額(見表3)，能耗強(qiáng)度平均值、能耗強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差選自表1。

由表3可知，各類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗定額均隨定額水平增大而減小。綜合考慮山東省高速服務(wù)區(qū)建筑能耗現(xiàn)狀、運(yùn)行管理情況以及節(jié)能措施的節(jié)能效果和成本等因素，最終確定能耗定額約束值的定額水平為0.30，能耗定額先進(jìn)值的定額水平為0.80。

表3 4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗定額

3.2 技術(shù)定額法

筆者在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，利用建筑能耗模擬軟件DeST分別建立4類高速服務(wù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建筑模型[16]，計算能耗定額先進(jìn)值。

① 標(biāo)準(zhǔn)建筑模型

以第2類高速服務(wù)區(qū)建筑為例，進(jìn)行技術(shù)定額法能耗定額計算。建筑位于濟(jì)南，朝南布置，總建筑面積為3 902.79 m2，體形系數(shù)為0.12，綜合窗墻比為0.56。1層層高為5.0 m，為餐廳、超市、衛(wèi)生間等。2層層高為4.5 m，為客房、休息室，未設(shè)置電梯。第2類高速服務(wù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建筑模型見圖1。

圖1 第2類高速服務(wù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建筑模型

標(biāo)準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表4。高速服務(wù)區(qū)建筑全天運(yùn)行，分別對房間類型、人員密度、照明裝置數(shù)量、動力設(shè)備配置及室內(nèi)設(shè)計參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定，人員在室率、照明使用率、設(shè)備使用率根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，發(fā)熱功率、運(yùn)行時間參考GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、DB 37/5155—2019《山東省公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定?？照{(diào)房間、非空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)分別見表5、6。

表4 標(biāo)準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

表5 空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)

表6 非空調(diào)房間換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)

供冷期為5～9月，冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)為5.1，設(shè)備容量滿足建筑設(shè)計冷負(fù)荷。對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全局設(shè)定后，在Energy System系統(tǒng)進(jìn)行建筑能耗模擬定義，主要用于模擬計算照明裝置、動力設(shè)備、生活熱水裝置、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)的用電量。采用制熱性能系數(shù)為3.7的空氣源熱泵制備生活熱水，每日供應(yīng)時間為24 h，供水溫度為65 ℃，人均熱水用量為160 L/d。

② 模擬計算結(jié)果

由模擬計算結(jié)果可知，第2類高速服務(wù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建筑年總能耗為43.82×104kW·h/a，能耗定額為112.28 kW·h/(m2·a)。其中，空調(diào)系統(tǒng)占36.82%，照明裝置占28.58%，生活熱水占17.50%。采用同樣方法，對其他3類高速服務(wù)區(qū)建筑的技術(shù)定額法能耗定額進(jìn)行計算，見表7。

表7 4類高速服務(wù)區(qū)建筑技術(shù)定額法能耗定額

由表3、7數(shù)據(jù)可知，由技術(shù)定額法計算得到的能耗定額先進(jìn)值與由定額水平法計算得到的能耗定額先進(jìn)值的相對誤差在±10%以內(nèi)。

4 能耗強(qiáng)度樣本分布

為驗(yàn)證定額水平合理性，分析4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布，并進(jìn)行用能水平通過率分析。用能水平通過率為能耗強(qiáng)度低于能耗定額約束值的樣本量占總樣本量的比例，用于驗(yàn)證能耗定額的選取是否合理。用能水平通過率越高，反映出選取的定額水平越合理。4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布分別見圖2～5。

圖2 第1類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布

圖3 第2類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布

圖4 第3類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布

圖5 第4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布

由圖2～5可知，第1、2、4類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布比較集中，且大多數(shù)落在能耗定額約束值與先進(jìn)值之間。第3類高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布比較分散，主要是由于地理位置、功能定位、服務(wù)水平等導(dǎo)致能耗強(qiáng)度差異比較大，加之統(tǒng)計樣本數(shù)量比較少，未能充分體現(xiàn)該類型高速服務(wù)區(qū)建筑的能耗強(qiáng)度。

第1～4類高速服務(wù)區(qū)建筑用能水平通過率分別為70.83%、73.17%、61.90%、71.88%。由用能水平通過率可知，第1、2、4類高速服務(wù)區(qū)建筑用能水平通過率均在70%以上，第3類高速服務(wù)區(qū)建筑用能水平通過率稍低，但仍在60%以上。

綜合高速服務(wù)區(qū)建筑能耗強(qiáng)度樣本分布、用能水平通過率計算結(jié)果，采用定額水平法編制高速服務(wù)區(qū)建筑能耗定額可行。對于山東省高速服務(wù)區(qū)建筑，能耗定額約束值、先進(jìn)值定額水平分別選取0.30、0.80比較合理。

5 結(jié)論

① 能耗強(qiáng)度隨著高速公路服務(wù)區(qū)等級提升呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。

② 采用定額水平法編制高速公路服務(wù)區(qū)建筑能耗定額可行。對于山東省高速公路服務(wù)區(qū)建筑，能耗定額約束值、先進(jìn)值定額水平分別選取0.30、0.80比較合理。