中国可持续能源项目 能 源 基 金 会 项目资助号G-1009-13372 中国建筑能耗基准工具研究 The Development of building energy perance benchmarking tools in China 中国建筑科学研究院 2011 年 10 月 摘要 摘 要 建筑能耗基准是判定和分析能源利用效率水平高低的重要依据。与欧美发达 国家相比， 我国建筑能耗基准方面的工作基础较差， 未建立完善的数据采集制度， 建筑能耗及建筑基本情况等基础数据严重匮乏。为获取建筑能耗数据，国内各级 政府机构、科研院所近年来开展了大量的工作，目前已经取得一定成果。部分持 有或管理多个建筑的大型房地产开发商和物业管理公司， 逐渐认识到建筑基础数 据的重要性，连续多年开展数据采集整理工作。与此同时，国内多个学者开展了 关于建筑能耗数据分析的工作，提出我国建筑能耗的一些特点及存在的问题。但 如何建立建筑能耗基准工具，用来判断建筑能源利用效率水平的高低，到目前为 止在国内一直没有得到很好的解决。 本文以酒店建筑为例，对建立我国公共建筑能耗基准工具的方法进行研究， 计划主要完成以下几项工作 1、对欧美发达国家几种典型的建筑能耗基准工具的原理、特点和应用进行 介绍和比较，对优缺点进行分析。 2、对我国公共建筑能耗数据统计工作进行汇总，以不同气候区域为单位， 汇总并分析我国学者已完成关于数据统计及分析工作的成果， 得到全国范围内公 共建筑能耗特点的共性问题，作为建立公共建筑能耗基准工具的数据依据。 3、对多种数学统计方法进行分类整理，分析其优缺点，结合我国公共建筑 能耗数据的特点，选取适合的统计工具。 4、以酒店建筑为例，详细介绍数据样本筛选、自变量选择、模型建立、模 型验证、评价方法等关键技术问题的解决过程，并基本建立我国酒店建筑能耗基 准工具的模型基础和评价方法。 5、采取多个一元模型的选择，对多元回归模型进行改进，建立性能更优秀 的模型。 关键词公共建筑，建筑能耗基准，多变量分析，多元线性回归分析 ABSTRACT ABSTRACT Building energy consumption benchmark is important for determining and analyzing the energy efficiency. Compared with the developed countries in Europe and America, the work foundation of building energy consumption benchmark is bad in China, such as, no comprehensive data acquisition system, shortage of building energy consumption and basic fundamental data. For the purpose of acquisition of building energy consumption data, the domestic government, scientific research institutes have made some achievements in recent years. Some of the large real estate developers and property management companies gradually realize the importance of building basic data, and begin to collect data for s several years. Meanwhile, many domestic scholars make some data analysis about the characteristics and existing problems of buildings in China. However, it has not been solved properly so far how to establish the benchmark tools to determine the level of building energy efficiency. In this paper, it will take the hotel building for example to complete the following several works for establishing the benchmark tool of public buildings in China. 1. Make a comparison and analysis of the advantages and disadvantages of principles, characteristics and applications between several typical energy consumption benchmark tools in developed countries of Europe and America. 2. Summarize the statistical analysis work of public building energy consumption data in China; Based on the summarization of public building energy consumption characteristics all over the China, support some useful data for establishing public building energy consumption benchmark tools. 3. Classifying mathematical statistical , analyzing the advantages and disadvantages, combined with the characteristics of public building energy consumption data, select appropriate statistical tools. 4. Take hotel buildings for example, introduce the process of setup the data filters, selecting independent variables, establishing a model, uating model and technology of how to solve the key problems. Finally, establish hotel building energy consumption benchmark tool model and uation basically. 5. Improve multiple regression model by choosing some unary model and establish more outstanding model. Keywords public buildings， building energy consumption benchmarks， Multivariate Statistical Analysis，Multivariate linear regression analysis 目录 目 录 ABSTRACT “““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 第一章 绪论““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.1 课题研究的背景和意义““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.2 国内建筑能耗基准研究现状““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.2.1 通过模拟计算方法建立建筑能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.2.2 采用多元拟合回归技术建立建筑能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.2.3 采用其他统计方法研究建筑能耗定额““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.3 国外建筑能耗基准研究现状““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.3.1 美国能耗基准研究现状““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 1.3.2 与 ENERGY STAR Benchmarking Tools类似的其他工具介绍““““““““““““““ 1.3.3 英国能耗基准研究现状““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.3.4 德国能耗基准研究现状““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.4 课题研究任务““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 第二章 公共建筑能耗基准模型的建立方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 2.1 我国公共建筑能耗分析研究现状调查“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 2.1.1 我国公共建筑能耗分析研究数据汇总““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 2.1.2 我国公共建筑能耗分析研究结论汇总““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 2.2 公共建筑能耗基准模型建立思路的提出““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 第三章 数学统计方法的介绍及模型选定““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 3.1 统计学的基本概念“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.1.1 统计学的研究对象““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.1.2 统计学研究对象的特点““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.1.3 统计的功能““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.2 统计学的基本分析方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.2.1 单变量分析法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.2.2 多变量分析法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.2.3 统计学工具的选择方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 3.3 统计方法的对比和选择““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.3.1 建筑基准模型的基本功能““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.3.2 在单变量分析法和多变量分析法分类之间选择““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.3.3 在多变量分析法分类中选择合适的分析方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.4 回归分析法的原理“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.4.1 线性回归“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.4.2 非线性回归““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 3.4.3 回归方法的计算流程““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.5 本章小结““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 第四章 酒店建筑能耗基准模型的建立““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.1 数据来源及基本情况“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.1.1 数据基本情况““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.1.2 HDD 和 CDD的基础数据来源和计算““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.2 回归分析使用软件的介绍““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.3 试验性拟合回归分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.3.1 拟合过程和结果““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““,, 4.3.2 拟合结果分析““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““,* 4.3.3 小结““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““,* 4.4 多元线性拟合回归分析的技术路线“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.5 样本的筛选““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.5.1 样本筛选的意义““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.5.2 样本筛选标准的制定““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““,’ 4.6 自变量的筛选““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.6.1 散点图分析法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.6.2 相关性分析法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.7 中心化的意义和实现方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.7.1 中心化的意义““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 4.7.2 中心化的方法““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 4.8 建立电耗基准模型“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 4.9 建立总能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““** 4.9.1 一次能源的转化计算““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““**目录 4.9.2 拟合的结果及分析““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““** 4.10 本章小结““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 第五章 多元线性回归模型的改进““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.1 改进的非线性多元回归模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.2 改进模型的分析和建立““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.3 酒店建筑能耗基准模型的计算公式“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.3.1 五星级酒店建筑能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 5.3.2 四星级酒店建筑能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 5.3.3 三星级酒店建筑能耗基准模型““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 5.3.4 汇总““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““, 第六章 评价方法的建立““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 6.1 建筑能耗评价工具的建立““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 6.2 应用举例“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 6.3 建筑能耗评价工具的应用““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 第七章 结论与展望““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’, 7.1 结论“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’, 7.2 创新点““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’, 7.3 展望“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 参考文献“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’*第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 中国的建筑节能事业从上世纪 80 年代开始研究，至今已走过了 30 个年头。 由于全球的能源价格飞涨和气候变暖的大趋势， 致使我国的建筑节能工作进入了 快速发展的“黄金十年”。这期间，从国家到地方，从政府到企业，逐渐加大对建 筑节能的重视，积极开展各项技术研究和政策研究，并努力在各城市、各项目中 大力推广。 “中国式”的经济发展速度在近十年已经震撼了全世界，中国建筑节能 的快速发展同样吸引了全世界的目光。有国外学者声称，目前中国关于地源热泵 系统应用的研究已经走在了世界的前列。当然这只是一个例证。更多的现实是， 虽然目前我国建筑能耗水平实际远低于以美国为代表的发达国家。 但由于城镇化 进程的加速，我国的建筑业的发展速度惊人。同时，经济的快速发展，人民生活 水平的提高，大众对室内舒适度的要求逐渐变高，这已经引起我国建筑能耗的大 幅度提升1 。与其等到建筑领域能耗对 GDP的增长产生负面影响的时刻，不如 现在就开始做工作，积极应对建筑能耗的不断攀升。 纵观发达国家建筑节能发展的历程，都经历了“自上而下”、“从自发到引导” 的过程。关于建筑节能的一项技术或一种整合的技术体系，首先需要从国家的主 管政府部门，按照法令、法规等政策形势进行推广，辅之于经济方面的补助和技 术方面的支持。在以后相关法规颁布执行时，都会优先考虑使用那些之前大力推 广的技术和技术体系。这一段时期属于“市场培育期”，完全或部分由政府主导并 资助进行，让市场中的建筑业主、房地产开发商和科研院所切实感受到节能技术 的优点。当市场成熟后，相关技术应用将变成用户的自觉行为，节能技术所带来 的好处已经充分得到用户的认同，包括经济效益和品牌效益等。用户会自觉主动 的应用相关的建筑节能技术，积极的要求参与到节能工作中。最终实现个人用户 经济利益和全社会综合效益的双赢模式。 2000年由美国绿色建筑委员会（USGBC）颁布了非政府性的绿色建筑评价 标准 LEED， 全称“Leadership in Energy and Environmental Design”， 中文意思为“领 先的能源与环境设计”，进行多次改版和扩充，目前已更新至 LEED2009 版本， 2 扩充为六个分支，包括新建建筑（NC ）、 商 业 建 筑 室 内 设 计 CI、核心筒及外壳 CS、绿色社区ND、家庭FOR FAMILY和学校（FOR SCHOOL、医疗、零 售。经过多年的发展和市场培育，虽然 LEED 不是全球最早提出的绿色建筑评价 体系， 但目前 LEED的市场占有率居全球前列， 已在 41个不同国家和地区应用2 ， 在美国部分州和一些国家已被列入强制性标准 3 。 图1 参与 LEED 认证的既有建筑的发展 图 1 给出了在 2008 年2010 年期间，申请 LEED 认证的既有建筑的发展趋 势。有理由相信，从 LEED 制定的 2000年到 2008年第一季度之前，LEED 的发 展速度是缓慢的。但在这长达八年的时间内，美国绿色建筑委员和美国政府做出 了大量关于市场培育和市场挖掘的工作。以州为单位，将 LEED 直接写入各州的 法律，作为强制性标准进行推广。在终端用户，包括建筑业主、建筑管理者、设 计院，认识到 LEED 的有效作用和价值后，自发性选择 LEED 体系用于指导工 作。这是在建筑节能领域一个典型的成功案例。 从我国目前建筑节能领域未来发展来看， 建筑的能耗数据及能耗水平的评价， 是建筑节能工作的基础。关于数据和评价方法的需求，来自于以下几个方面的社 会需求。 第一章 绪论 3 （1）国家各级政府主管部门的需求。 建筑节能相关政策法规的制订需要数据作为有力的支持。 哪些地区建筑能耗 高，哪种类型建筑能耗高，哪类分项能耗高，解决了这些问题只意味着能够确保 节能工作的大方向是正确的，但没有基础建筑能耗数据的指导，那么节能的大方 向的正确性就很难保证。同时缺少详细建筑能耗数据，很难对建筑节能工作做出 准确的经济性分析，很难有效的判断具体工作的成效。 （2）建筑业主的需求。 首先，出于运营成本、广告宣传等商业目的，建筑业主有强烈的愿望希望降 低建筑能耗，以降低运营成本，愿意在建筑节能方面做工作，并期望收到切实的 效果。其次，在确定开展工作前，建筑业主也需要明确所管理建筑的能耗水平在 全社会中处于什么位置，属于高能耗还是属于低能耗。如果属于高能耗，那么该 建筑的节能潜力空间有多大最后一点，对于建筑业主也是最重要的。当完成相 关的节能工作并取得实际效果后，如何进行有效的宣传，确保对所在的房地产开 发商或物业运营管理公司的品牌起到提升作用。在这一点上，建筑能耗数据的支 持和能耗评价体系是至关重要的。 （3）节能技术及其系统集成商的需求。 前已述及，没有数据支持的宣传是空洞的。这也是目前国内建筑节能市场上 存在的问题。对于节能技术及其系统集成商而言，缺乏数据支持的问题也是他们 最期望解决的。 我国目前尚未形成一套完善的建筑能耗数据调研与汇总制度。 2007年以来， 为全面掌握我国建筑能耗实际状况，加强建筑节能的管理，住房和城乡建设部在 23 个城市组织试行民用建筑能耗统计工作。2010 年经国家统计局批准，同意制 发民用建筑能耗和节能信息统计报表制度，有效期 2年。目前建筑能耗数据主要 来自各级政府、各大科研院所、高校和相关企业，根据工作需要进行调研获得的 数据，其准确度、可信度参差不齐，加上能源折算方法的不统一、调研方式的不 一致，导致虽然关于数据工作，全国做了很多工作，但至今所有数据还无法汇总 进行统一计算处理。 值得注意的是，近年来，随着建筑节能工作的深入，建筑能耗数据及评价体 4 系作为建筑节能的重要基础工作，已经得到越来越多政府主管部门、科研学者、 房地产开发商和建筑节能企业的重视， 重新开始做技术数据和评价体系的基础工 作。 2006年 8月，美国环保署（EPA）与中国住房与城乡建设部（MHURD）科 技司签署合作备忘录。在备忘录中，适用于中国公共建筑能耗基准工具的建立是 主要的工作之一。 需要什么样的数据，获得数据之后如何进行有公信力的评价，评价体系将会 如何指导节能工作，本文拟对以上问题进行探讨，希望能对我国建筑能耗评价工 作的开展提供参考， 通过提供有力的数据支持， 使我国的建筑节能工作更进一步。 1.2 国内建筑能耗基准研究现状 建筑能耗基准，为各类型建筑提供建筑能耗指标或评价方法，对某一限定范 围内的建筑能源消耗水平具有较高的代表性， 通过该基准可以评价不同建筑能源 消耗水平的高低，用于指导建筑节能工作。能耗基准在建筑节能领域的很多方面 都有应用。 包括新建建筑在设计阶段的能耗评价和既有建筑在运行阶段的能耗评 价两方面。 1.2.1 通过模拟计算方法建立建筑能耗基准模型 在设计阶段应用建筑能耗基准一般使用动态能耗模拟的方法进行计算。 按照 国家强制建筑节能标准的规定，例如按照公共建筑节能设计标准 GB50189-2005 中 1.0.3 条款的规定“按本标准进行的建筑节能设计，在保证相 同的室内环境参数条件下，与未采取节能措施前相比，全年采暖、通风、空气调 节和照明的总能耗应减少 50 ”4 。以 20世纪 80年代改革开放初期建造的公共 建筑为基准建筑， 按照当时的围护结构、 暖通空调设备及系统、 照明设备的参数， 在保持与目前标准约定的室内环境参数的条件下， 计算得到的全年暖通空调和照 明能耗，作为基准能耗。按照标准规定的围护结构、暖通空调和照明参数，按照 同样的室内环境参数，计算得到的建筑能耗应为基准能耗的 50以下。新建建筑 的设计方案必须满足该标准。 国内学者在利用模拟法计算建筑能耗基准方面做了一些工作。张旭5 等通 过 BIN 法对上海地区典型居住建筑全能能耗进行计算，通过改变部分参数的方第一章 绪论 5 式计算外墙、外窗传热系数、室内