摘要：节能计算的准确性一直是判断建筑是否节能的关键。本文通过分析国内节能计算的现状，总结目前节能计算存在的问题，包括不够完善的计算机模拟软件和居住者信息数据库、气候差异的影响等。在分析现状的基础上，提出通过完善法律系统和提高公众意识、发展计算机模拟技术和完善居住者信息数据库、扩充可使用的气候信息数据库等方法来提高能耗预测的准确性。以及提出通过管理、设计及采购实现降低建筑能耗的方法。
关键词：能耗计算 节能 设计及采购
背景
近十年来，随着中国越来越重视节能，中国政府制定了一系列旨在提高能源使用效率的标准。然而，由于起步较发达国家晚将近60年[1]，中国在节能方面的工作依然处在初级阶段，仍需要投入大量的努力[2]。
1.现状
在中国，建筑设计通常被划分为三步：概念设计、初步设计和施工图设计。大部分设计工作为了符合条文规定，只有在施工图设计阶段才考虑能耗评估和节能。其中针对住宅建筑的最常用国标有三条，分别为《夏热冬冷地区住宅建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010）、《夏热冬暖地区住宅建筑节能设计标准》（JGJ 75-2003）、《严寒地区住宅建筑节能设计标准》（JGJ26-2010）。针对公共建筑的国家标准为《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）。由于这些标准涉及强制规则，建筑设计工作通常要计算能耗确保符合标准。
能耗通常是通过计算机模型和Excel表格完成。有3个常用来计算能耗的软件，分别是PBECA, Tsinghua Sware 和T-BEC。 其中PBEC 是最广泛使用的计算机模拟软件，尤其在住宅涉及领域。 计算机模拟通常是基于CAD软件，建筑的详细信息最为输入参数用于能耗计算。
在采购方面，承包商通常负责建筑材料，甲方负责昂贵仪器设施。国家标准关于建筑材料的采购是很完善的。根据《建筑节能验收规范》（GB50411-2007）,所有的材料和仪器都要通过实地验收测试。测试内容涉及材料的各方面属性，包括U值，大小和密度。
2.能耗预测的相关问题
与发达国家的法规体系统相比，中国的在节能方面的法规体系要求不够完善[3]。缺乏公共意识，多变的气候以及仅仅注重符合当前标准，使得能耗预测不够精确。
2.1缺乏动力
在中国计算能耗的主要目的是为了符合具有强制力的标准，而精确的计算能耗可能会使得方案不能满足标准，导致设计者往往缺乏动力精确的评估能耗。因此，一般建筑的能耗评估应该只有两种结果：达到国家能耗要求和没有达标[4].在中国，大部分的住宅通过PBECA模拟软件计算住宅能耗报告，但该报告最终只给出了该建筑设计达到国家标准，但并未给出能耗的具体数值。其主要原因还是因为建筑师没有动力做复杂详细的能耗评估，同时也缺乏具有强制力的法律文件要求设计者精确计算能耗。即使设计者呈现出好的能耗报表，也得不到相应的奖赏和鼓励。总之，目前的国家标准只能促使设计者呈现出达标或不达标的报表，并不能鼓励设计者做出精确详细的能耗评估。
2.2不够完善的计算机模拟软件和居住者信息数据库
对于大部分建筑尤其是住宅建筑，能明确的只有建筑是否符合能耗标准。但对于像比较复杂的公共建筑和工业建筑，需要执行更加全面详细的能耗评估。但是，对于这类建筑的年能耗评估依然存在问题。
首先，缺乏实用的计算机模拟软件。尽管有一些可用的算法和模拟工具，有些操作过于复杂，涉及太多的详细数据，有些有过于简单导致评估结果不精确[4]。更重要的是，只有在施工图设计阶段也就是整个建筑设计的最后阶段才做能耗评估，即使出现能耗评估结果未能达标，设计者因此而改变整个设计的可能性也极小。因此，与其将能源计算视为环境设计，不如将能源计算划分为确定当前设计是否节能。
其次，缺乏关于居住者对如何使用设备的偏好的信息。在公共建筑中，空间供热、制冷和照明设备占总能耗的60% - 80%左右(Cai et al, 2009)，而这些设备的使用很大程度取决于居住者。然而，对于复杂的商业建筑，目前的模拟系统是基于每年每平方米的平均能耗，而没有考虑建筑类型、居住密度和建筑特点[5]。然而每种设备的使用时间，温度和强度不同，导致预估的能耗和实际能耗有差距。
2.3气候的影响
研究表明采暖、制冷和水加热在很大程度上受加热度日(HDD)和冷却度日(CDD)的影响。由于加热和冷却负荷占总能耗的很大一部分,HDD和CDD很大程度上影响建筑的能耗。然而，尽管目前的中国的标准将整个国家气候分为5个气候区，并且甚至许多省份或市实施自己的本地标准，气候信息依然不够精确，因为中国的一些省份很大，面积跟一些欧洲国家相当，因此即使同一省份气候也不尽相同。只有采用更详细的气候信息，才能获得精确的能耗预估。在普利茅斯大学罗兰·莱文斯基的建筑上进行的实验指出，影响预测和真实能耗的最重要的因素是气候[6]。
2.4固有能量被忽略
在预测能耗时一般只考虑运行耗费的能源。然而，实际中能源包括建筑、安装设备、运输材料、处理废物和循环利用所消耗的能源[7]。建筑的生命周期分为建设、装修、施工、运输、运营、废弃物处理、物业管理、拆卸及处置9个阶段。另外，生产建筑材料本身也消耗了能源。施工阶段的能源消耗又包括人力、机器和材料本身。通常，固有能耗在总能耗的20%，而忽略固有能源导致预估的能耗比实际情况少。
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3 解决办法
3.1完善法律系统和提高公众意识
由于目前的能效评估体系仅仅给出建筑达标或不达标两种结果，使得设计者缺乏动力做出详细的能耗预估报表。同时当建筑能耗低于或高于平均水平，可以给出相应的奖赏或惩罚。另外，能耗计算不应该只在建筑设计的最后一步涉及，应该在设计的整个过程中被考虑。事实上，一些因素在后续的设计阶段中很难被改变，比如在概念设计阶段被确定的描述建筑表面积与体量之间关系的体形系数。
3.2发展计算机模拟技术和完善居住者信息数据库
为了改善能耗预估的精确性，居住者对不同类型不同区域建筑的使用信息应该被考虑，也就意味着需要一个庞大数据库记录居住者使用设备的信息。为了收集足够的数据，新建建筑物，甚至现有建筑物，都应采用分米。通过对采暖系统、制冷系统、照明系统和通风系统的电耗强度和电耗长度分别进行监测，总结出不同情况下的修正系数，有助于提高预测精度。当然，可以将一个更加先进的计算机模型软件可以与居住者的行为数据库集成，但必须确保设计人员应该更容易管理和使用。
3.3 扩充可使用的气候信息数据库
为了确保精确的建筑能耗预测，需要更加精确全面的气候信息。事实上，这些数据一直存在，问题在于对于设计师获得这些数据并不容易。为了申请这些数据，所有的建筑可以被分为两类。
第一类为住宅建筑，该类建筑数量庞大，占总建筑的60%，因而有必要建立一个更详细的当地住宅标准，其中包含更小范围的气候信息，或者提供一个列表，其中包含现有标准中更小范围的气候信息，以便建筑师在预测需要HDD和CDD的供暖和制冷负荷时参考标准。
第二类是非住宅建筑，如商业建筑、公共建筑和工业建筑。由于这些类型的建筑在建筑规模和居住者之间总是有很大的差异，所以计算机建模更适合每个案例。气候信息可以加载到建模软件中，并应用于每一个单独的建筑。
4 采购上的问题
4.1选择的材料不合适
即使是在设计阶段，设计师也会尽可能多的考虑细节，但仍然有很多细节是设计师无法触及的，因为缺乏实践经验，尤其是在中国，很多建筑师由于繁重的设计工作从来没有到过建筑实地。然而,一些微小的材料或设备,如窗框之间的胶水或灯泡可能会较大程度影响整体能效。可能因为缺乏指导或更低的成本等原因，导致购买的这些材料或设备质量差或类型不符，进而使得节能效率打折扣。
4.2高初始成本
无论是热工材料还是节能设备都比普通材料或设备贵，尤其是对于复杂的商业建筑或工业建筑。通过为业主节省电费或煤气费来收回这些投资可能需要10-20年的时间，甚至业主也不是用户，这样他们甚至不会考虑电费和煤气费问题。因此，建筑业主倾向于使用普通设备和传统技术来实现较低的初始投资，这为推广替代能源和节能设备设置了障碍。
4.3固有能源
即使材料在围护结构或施工中具有相同的性能，但不同的运输距离或表现方式会产生不同的体现能量。
5. 采购方面问题的解决办法
为了保证材料的质量和选用正确的材料和设备，不仅建筑设计单位要设立节能降耗部门，建筑施工单位也可以设立相应部门监督采购并提供技术支持。对于设计师没有考虑的细节，该部门也可以在施工阶段进行改善。为避免业主在节能设备和技术上的初期投入过高，节能咨询公司也是很好的选择。节能咨询公司负责所有节能系统的设备、技术和人力，如LED照明系统和热回收系统。作为奖励，由业主和能源公司共享从节能系统中节省的电费。
这里以中国一家节能公司的案例研究介绍这类公司是如何运作的。首先,节能公司将进行评估，以找出哪些设备是需要改进的。在安装过程中，所有的设备、技术和人力都是由节能公司提供。通过改变照明系统，降低36%用电量，节省共计376万元，业主可得其中150万元。所以节约公司能源消耗对业主和节能公司来说是一个双赢的解决方案。
结论
本研究分析了能源消费和采购预测中存在的问题及解决办法。为更精确的预测能耗，需要完善法律制度、用户偏好数据库、气候预测技术和采购过程。应该指出的是，固有能量这部分现在很难计算，但将来应该仔细考虑。
参考文献
1.翁丽芬, 张楠, 陈俊萍. 我国建筑能耗现状下的建筑节能标准解析及节能潜力. 制冷与空调(四川). 2011;25(1):10-4.
2.李爱旗, 白雪莲. 居住建筑能耗预测分析方法的研究. 建筑科学. 2007;23(8):32-5.
3.基于公建节能的中国与英美绿色建筑评价体系对比研究: 山东建筑大学; 2016.
4.Dunsdon A, Day A, Jones P. Towards a computer based framework to support the low carbon building design process. International Journal of Low-Carbon Technologies,1,4(2006-01-10). 2006;1(4):355-71.
5.北京市大型办公建筑能耗比对与评价体系研究: 北京工业大学; 2015.
6.Wilde PD. The gap between predicted and measured energy performance of buildings: A framework for investigation. Automation in Construction. 2014;41(5):40-9.
7.陆菊春, 史遥, 韩璐. 我国建筑业低碳行为绩效的动态多尺度评价研究. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版). 2017;39(3):342-7.
论文作者:陶璐
论文发表刊物:《城镇建设》2019年15期
论文发表时间:2019/11/1
标签：建筑论文; 节能论文; 居住者论文; 气候论文; 标准论文; 设备论文; 中国论文; 《城镇建设》2019年15期论文;