朱青松 馬琦

長沙市城市建設科學研究院

0 引言

2020 年9 月，國家領導人在聯(lián)合國大會上提出“碳達峰”和“碳中和”的遠景目標。2021 年3 月黨中央將碳達峰和碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，并且明確“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，要求建筑領域要重點提升節(jié)能標準，加大節(jié)能力度。

由于人口的快速增長，對舒適環(huán)境的要求以及生活水平的提高，建筑能耗急劇增加。目前，我國建筑全過程能耗占全國能耗總量比重超過40%，建筑全過程碳排放量全國占總碳排放量的50%以上[1]。建筑節(jié)能是解決各國能源問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。公共建筑能耗在建筑能耗中占有較大的比重，公共建筑每平方米總能耗是我國住宅建筑的2 倍以上[1]。因此，相關(guān)學者針對公共建筑進行能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對用能特點、能耗影響因素和能耗定額等方面進行了研究和分析[3-10]。長沙市處于夏熱冬冷地區(qū)，既要考慮夏季制冷又要兼顧冬季采暖，了解長沙市公共建筑能耗現(xiàn)狀，對發(fā)掘公共建筑節(jié)能潛力具有重要意義。

長沙市從2010 年開始建設公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系，在全市推動建筑能耗監(jiān)測工作，經(jīng)過十年積累，收集了大量公共建筑能耗數(shù)據(jù)，本文以近四年監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，通過大數(shù)據(jù)分析，研究的主要目的如下：1）分析長沙市公共建筑能耗現(xiàn)狀。2）分析比較不同功能公共建筑的能源消耗水平和特點。3）探討長沙市節(jié)能改造現(xiàn)狀，提出下一步節(jié)能減排建議，為公共建筑實現(xiàn)“碳中和”目標提供方向。

1 研究方法

1.1 長沙市公共建筑能耗監(jiān)測平臺

長沙市是我國首批國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設示范城市，更是最早一批建成建筑能耗監(jiān)測平臺的示范城市。長沙市于2010 年和2017 年分別出臺了加強公共建筑節(jié)能監(jiān)管工作的政策文件，得°C于政策的有效執(zhí)行，能耗監(jiān)測平臺自2010 建成至今，監(jiān)測的公共建筑每年都在持續(xù)增長，近四年監(jiān)測公共建筑增長情況如圖1 所示。

圖1 近四年長沙市公共建筑能耗監(jiān)測增長情況

截止到2020 年12 月，長沙市累計監(jiān)測公共建筑320 棟，監(jiān)測建筑面積2391.8 萬m2。其中國家機關(guān)建筑24 棟，監(jiān)測建筑面積69.5 萬m2；大型公共建筑296棟，監(jiān)測建筑面積2322.3 萬m2。

1.2 長沙市公共建筑能耗數(shù)據(jù)采集方法

監(jiān)測平臺將公共建筑按照功能劃分國家機關(guān)辦公建筑，商業(yè)辦公建筑，商場建筑，賓館飯店建筑，文化教育建筑，醫(yī)療衛(wèi)生建筑，綜合建筑以及其他建筑八大類。

長沙市公共建筑能耗監(jiān)管平臺將信息技術(shù)與節(jié)能監(jiān)管體系相結(jié)合，實現(xiàn)對公共建筑能耗的實時監(jiān)測和管理。為提高監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)質(zhì)量，針對能耗監(jiān)測平臺運行過程中普遍存在的失真數(shù)據(jù)（包含突變數(shù)據(jù)和0 數(shù)據(jù)），采用格拉布斯（Grubbs）檢驗法對其進行離群數(shù)據(jù)篩除整理。

選取檢出水平α=0.01，則置信概率P=1-α=0.99；查格拉布斯臨界值表得到臨界值G100=3.600。若計算值Gi 大于臨界值G100，則判斷測量值為異常值。對于所剔除的異常值數(shù)據(jù)，采用插值法補充。將單位面積能耗按上述參數(shù)進行離群處理后，具體監(jiān)測建筑信息如圖2 和圖3 所示，單位面積能耗如表1 所示。

圖2 監(jiān)測建筑按棟數(shù)分布情況

從圖1、圖2 和圖3 可知，長沙市監(jiān)測的公共建筑中綜合建筑和商業(yè)辦公建筑的數(shù)量和面積占比較大，說明近些年長沙市公共建筑的建設主要集中在這兩種類型，這兩類建筑會是以后公共建筑節(jié)能的重點。

2 長沙市公共建筑能耗情況

2.1 近四年各類公共建筑能耗水平情況

通過對建筑能耗監(jiān)測平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，可以得出近四年長沙市各類型公共建筑能耗水平如表1 所示。

表1 長沙市近四年各類型公共建筑能耗情況（kWh/(m2·a)）

2.2 長沙市各類公共建筑能耗水平與上海市對比的情況

自2007 年《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設實施方案》發(fā)布以后，全國18 個省市啟動了公共能耗監(jiān)測平臺建設。根據(jù)調(diào)研，上海市的監(jiān)測平臺運行最良好，相關(guān)平臺具備較為完善的對外服務機制外，且上海市已連續(xù)四年發(fā)布公共建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告，其他省市的平臺和數(shù)據(jù)主要以輔助政府決策為主，未對外開放及開展相關(guān)服務[12]。把長沙市各類公共建筑的能耗水平與上海市2020 年度各類公共建筑的能耗水平做對比，對比情況如圖4 所示。

圖4 長沙市各類公共建筑能耗水平與上海市對比情況

由圖4 可知，長沙市各類公共建筑能耗水平遠低于上海市，一方面是因為上海市經(jīng)濟發(fā)達，公共建筑空置率比長沙市低、運行時長普遍比長沙市長。另一方面，上海市城區(qū)基本建成，監(jiān)測的公共建筑大部分為既有建筑，建筑耗能設備運行久，能效低，能耗高。而長沙市近幾年城區(qū)建設如火如荼，大部分公共建筑屬于新建建筑，建筑空置率較高，用能設備大部分采用節(jié)能性能高的設備，能效高，能耗低。

2.3 長沙市各類公共建筑能耗水平對標情況

以2020 年長沙市各類公共建筑電耗水平為基準，參照國家標準《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）和湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB43/T611-DB43/T614 系列能耗限額標準，對比分析各類公共建筑電耗水平情況如表2 所示。

由表2 可知，2020 年度長沙市監(jiān)測各類公共建筑平均能耗水平均達到了國標《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）中引導值的要求。國家機關(guān)辦公建筑和醫(yī)療衛(wèi)生建筑能耗水平未達到湖南省地方標準中達標值的要求。國標在制定過程中要統(tǒng)籌考慮各地氣候、經(jīng)濟等因素，標準值相對寬松。目前實際運行值與省標的設置參數(shù)偏差比較大，下一步，可結(jié)合實際運行情況，進行更深一步分類建筑的能耗分析，對省標的相關(guān)參數(shù)進行修訂，使之更好的符合情況，引導本地節(jié)能工作的開展。從以上能耗對標可以看出，國家機關(guān)辦公建筑和醫(yī)療衛(wèi)生建筑還具有很大的節(jié)能潛力。

表2 長沙市各類型公共建筑電耗對標分析情況（kWh/(m2·a)）

3 長沙市公共建筑分項電耗情況

3.1 公共建筑總體分項電耗占比情況

長沙市能耗監(jiān)測能源種類包括電力和自來水。在電力監(jiān)測中又可細分為照明插座用電，空調(diào)系統(tǒng)用電，動力系統(tǒng)用電，特殊用電和其他用電五類。根據(jù)長沙市能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，近四年各類公共建筑分項電耗占比情況如圖5 所示。

圖5 近四年長沙市監(jiān)測公共建筑分項電耗占比情況

以往眾多的研究成果表明，在建筑運行能耗中，供暖空調(diào)能耗比重最大，一般能占到建筑總能耗的40%～50%，由于長沙市公共建筑能耗監(jiān)測未能實現(xiàn)燃氣的實時監(jiān)測，采用直燃機組作為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)未能統(tǒng)計燃氣消耗量，空調(diào)系統(tǒng)燃氣消耗未能納入能耗分析。但是就電力消耗來看，由圖5 可知，長沙市公共建筑空調(diào)系統(tǒng)用電占公共建筑總用電的比例較低，連續(xù)四年均維持在20%左右（2020 年受疫情影響大部分商業(yè)建筑和賓館酒店建筑在1～3 月份處于停業(yè)狀態(tài)，因此全年空調(diào)耗電降低，占比減少）。照明插座系統(tǒng)用電的比例基本維持在35%～45%之間，占了公共建筑電耗的很大比例，說明長沙市公共建筑耗電系統(tǒng)節(jié)能主要還是集中在照明插座系統(tǒng)。

3.2 各類型公共建筑分項電耗占比情況

以2020 年監(jiān)測電耗數(shù)據(jù)為基準，長沙市各類型公共建筑分項電耗占比情況如圖6 所示。

圖6 長沙市各類型公共建筑分項電耗占比情況

由圖6 可知，在各類型建筑中，其他建筑照明用電占比最大，達到總用電的62.6%，說明此類建筑應重點關(guān)注照明系統(tǒng)節(jié)能管理。醫(yī)療衛(wèi)生建筑的空調(diào)用電占比最大，達到總用電的32.6%，說明在醫(yī)療衛(wèi)生建筑中，空調(diào)系統(tǒng)是節(jié)能重點。機關(guān)辦公類建筑的其他用電占比達到37.6%，說明機關(guān)辦公類建筑的監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善，還有相當一部分用電量未納入分項監(jiān)測，下一步要完善節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的建設。

4 公共建筑實現(xiàn)“碳中和”的方向

4.1 長沙市公共建筑節(jié)能改造現(xiàn)狀

自2010 年《湖南省綠色建筑評價標準》發(fā)布以來，長沙市大力推廣建筑節(jié)能技術(shù)和綠色建筑發(fā)展，提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境，針對公共建筑進行了多方位的節(jié)能改造，包含建筑用能設備、圍護結(jié)構(gòu)、能耗監(jiān)測平臺等方面。

4.1.1 建筑用能設備節(jié)能改造

1）空調(diào)系統(tǒng)：大型公共建筑普遍使用的中央空調(diào)等高能耗機電設備，一直是建筑節(jié)能的重中之重。一方面，針對空調(diào)系統(tǒng)冷水機組，采用了變頻器拖動，實現(xiàn)機組部分負荷運行狀態(tài)下的節(jié)能以及低冷卻水溫度下的節(jié)能。另一方面，針對空調(diào)末端采用了VAV 末端裝置控制優(yōu)化、新排風熱回收裝置等技術(shù)來最大限度減少空調(diào)用能。此外，推廣地源熱泵等可再生能源在建筑的應用，目前長沙市已完成528 萬m2的可再生能源建筑應用。

2）照明系統(tǒng)：大型公共建筑的照明設備（特別是在商場建筑中）不僅自身能耗較大，而且照明設備散熱形成的冷負荷可占夏季空調(diào)總冷負荷的20%以上。因此照明系統(tǒng)的節(jié)能改造潛力巨大。照明系統(tǒng)節(jié)能改造主要包括更換LED 節(jié)能燈具提高能源效率和采用照明感應控制技術(shù)減少能源浪費兩大塊。

3）動力系統(tǒng)：根據(jù)長沙市公共建筑用電調(diào)查統(tǒng)計，動力用電占建筑總用電量的15%～25%以上，僅次于空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的用電量。因此，采用了曳引系統(tǒng)對電梯系統(tǒng)進行節(jié)能改造以及變頻調(diào)速技術(shù)對水泵的節(jié)能改造。

4.1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造

長沙地區(qū)大型公共建筑外窗普遍采用普通單層玻璃，普通單層玻璃保溫隔熱性能較差，是造成冬夏季空調(diào)電耗高的主要原因之一。對此，采用的薄膜（熱反射膜）遮陽可以阻擋45%～85%的太陽直射熱量進入室內(nèi)，冬季可以減少30%以上熱量散失。

4.1.3 建筑能耗項監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能改造

全面掌握建筑能耗的實際狀況，是加強能源領域的宏觀管理和科學決策，制定用能標準和能耗定額的基礎，是開展建筑領域碳中和工作的前提條件。綠色建筑評價標準中將實施能耗分項計量作為公共建筑評價的強制性條款，分項計量系統(tǒng)能夠?qū)步ㄖ械母鞣N類型和不同功能用途的耗能項目分別計量，準確地掌握這些耗能項目的耗能量。再通過專用設備實時采集各個耗能的用能數(shù)據(jù)，利用互聯(lián)網(wǎng)、GPS 無線網(wǎng)、NB-IOT 等多種網(wǎng)絡傳輸模式傳輸?shù)绞屑墧?shù)據(jù)中心。遠端客戶可隨時通過網(wǎng)絡訪問數(shù)據(jù)中心，了解、分析相關(guān)參數(shù)，包括不同建筑之間相似系統(tǒng)和設備耗能情況的橫向比對。通過對實時數(shù)據(jù)的分析不僅可以隨時發(fā)現(xiàn)建筑中突然出現(xiàn)的用能問題，而且可以捕捉到人工難以察覺的能耗漏洞，從而提醒運營管理人員及時處理，改善用能缺陷。

4.2 長沙市公共建筑進一步節(jié)能改造建議

目前，長沙市公共建筑運行最主要的能源是外界輸入的電力。隨著建筑電氣化的全面實施，其他各類型能源消耗也將轉(zhuǎn)為電力，這將使建筑用電量進一步增加，從而使得建筑的二氧化碳間接排放增加。由于建筑的電力消耗造成的間接碳排放是建筑相關(guān)碳排放中最主要的部分，所以降低建筑運行電耗是進一步實現(xiàn)零碳或碳中和的最主要任務[13]。

鑒于建筑行業(yè)碳排放比例這么高，為了實現(xiàn)“碳中和”目標，就要全面提升建筑的能源利用效率。對于政府機關(guān)、學校、醫(yī)院、場館等公共機構(gòu)要提出更高的要求，公共機構(gòu)需要不斷提升能源利用效率，才能有效抑制用能剛性增長。對寫字樓、商場、酒店等經(jīng)營性公共建筑，要從技術(shù)節(jié)能的角度出發(fā)，大力推廣綠色建筑技術(shù)，鼓勵有條件的達到超低能耗，近零能耗和零能耗建筑標準。整個建筑的運行過程中要提升節(jié)能信息化水平，推進智慧節(jié)能，加大對數(shù)據(jù)中心機房、空調(diào)（供暖）、食堂等重點用能部位和設施設備的節(jié)能改造。從行為節(jié)能角度，加大宣傳培訓力度，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式。

5 結(jié)束

國家制定“碳達峰”和“碳中和”遠景目標是為了改善持續(xù)惡化的全球氣候，是對世界人民的一項莊嚴承若，同時也彰顯了我們的大國擔當。作為中部經(jīng)濟高地的長沙，在持續(xù)抓好經(jīng)濟社會發(fā)展的同時要兼顧生態(tài)文明建設，在“碳達峰”和“碳中和”目標實現(xiàn)中樹立中部標桿。建筑業(yè)作為高碳排放行業(yè)，應該積極響應國家政策，全面加強節(jié)能管理。長沙市公共建筑節(jié)能管理工作開展時間久，政策體系完備，標準規(guī)范健全，技術(shù)應用成熟，在實現(xiàn)“碳中和”目標上能起到立竿見影的效果。