英国公共建筑能效评估方法

英国公共建筑能效评估方法湖南大学土木工程学院文精卫杨昌智摘要：欧盟于2002年通过了关于建筑能耗的法律性文件——《建筑能效指令2002/91/EC》，以达到降低欧盟建筑整体能耗同时减少温室气体排放的目标。为此，为了使本国满足要求，欧盟各国对制定建筑能耗统一计算方法和建筑能效证书过程中的技术问题进行了大量研究。英国是欧盟内率先实施能效证书的国家之一，其颁发的证书包括能效证书和环境影响(CO2)证书，体现了建筑能耗和建筑能耗对环境的影响。这里介绍了英国在制定能效证书过程中对公共建筑进行能效评估的一些思路和方法，包括能耗目标设定、计算评估和运行评估以及评估软件等。关键词：建筑能效证书能效评估计算评估运行评估评估软件ThemethodologyofenergyperformanceratingonpublicbuildinginBritainCollegeofCivilEngineering，HunanUniversityJingweiWenChangZhiYangAbstract:TheEuropeanUnionpassedajuristicdocument—Directive2002/91/EContheenergyperformanceofbuilding（EPBD），whichaimsatdecreasinggreenhousegasesletaswellasdepressingthewholebuildingenergyconsumptionoftheEuropeanUnion.Therefore,countriesoftheEuropeanUniondoabundantstudiesontechnicalproblemsofestablishingauniformcalculationmethodologyofbuildingenergyconsumptionandenergyperformancecertificatetosatisfythisdocument,andtheBritainisoneofcountriestakingtheleadinactualizingthebuildingenergyperformancecertificate,ofwhichtheissuedcertificatesincludeenergyperformancecertificateandenvironmentalimpact(CO2)certificate,incarnatebuildingenergyconsumptionanditsimpactonenvironment.Thispaperintroducedsomethoughtsandmethodsonevaluatingenergyperformanceofpublicbuildingwhenestablishingenergyperformancecertificates,whichincludeenergytargetsetting,calculatedenergyrating,operationalratingandratingsoftware.Keywords：energyperformancecertificateenergyperformanceratingcalculatedenergyratingoperationalratingratingsoftware0引言2002年，欧洲议会和欧盟理事会通过的关于建筑能耗的法律性文件——《建筑能效指令2002/91/EC》（Directive2002/91/EContheenergyperformanceofbuilding(EPBD)）明确提出，要求各国发展建筑整体能耗的统一计算方法，为新建建筑和既有建筑能耗进行评估并颁发能效证书等[1]。相关文章介绍了欧盟建筑能效证书编制的思路和方法，德国能源护照的推广发行过程及其相关内容[1][2]，使我们对能效证书产生过程有了一定了解，但是对于建筑能效评估的具体方法还不清楚，例如，如何确定能耗基准，如何对建筑本身性能和能源管理进行评估。本文介绍了英国评估建筑能效而采取的方法，最后简单介绍针对公共建筑评估开发的软件。1计算工具（thecalculationtool）选择指令明确要求各成员国有国家计算方法（nationalcalculationmethodology）用于制定建筑能效标准和建筑能效证书程序。英国已经提出了针对居住建筑能效等级的标准评估程序（theStandardAssessmentProcedure，简称SAP）[3],正在集中精力发展其他建筑形式的计算方法和程序。评估方法的核心就是计算工具，它有两个主要目的：帮助设定能效标准；计算建筑能效（新建、翻新），然后与法定能效基准比较。提出了选用合适计算方法的关键标准在于：1它必须能考虑EPBD附件中设定的参数。2它必须能够应用到公共建筑。3它必须能够包括所有形式和大小的公共建筑。4它必须展示良好的重复性即不同的使用者在评估相同的设计方案时必须得到相同的结果。5技术上必须是过硬的，结果必须是可信的，使用这个工具能够区别不同的设计方案优劣，并且能容易综合其他新的技术，比如可再生能源。6它必须有很强的适应性，能够把欧洲建筑能耗标准体系中提出的计算方法考虑进去，并且随着经验的积累，计算工具能够升级。7它应该是方便检查的。为了便于检查，输入数据和计算过程能够审核。8在输出结果的时间以及运行计算工具所需的硬件和软件上花费的代价适度。因此提出了两种主要方法来满足这些标准。一种是简单方法，还有一种就是详细模拟方法。在简单方法中，英国提出了采用简单计算工具，类似于SAP。丹麦标准NEN2917也提出了此种方法，都是基于每月热量平衡。这种方法在1，2，4，7，8方面表现很好，但是在3和5以及6上可能不太适合。而英国提出的ADL2(2002)中采用了碳排放计算方法（CarbonEmissionsCalculationMethod）能够很好解决3和5所带来的问题。在如何定义与实际设计相同形式和大小的参考建筑上，简化计算方法还需不断改进，然后用此方法模拟参考建筑，来设定实际设计建筑需要达到的能耗指标。在详细模拟方法时，需要选择一个公认的模拟软件，英国的研究者提出了采用EnergyPlus，因为它综合了DOE-2和BLAST的性能。此方法在3和4上表现很好，但是在4，7，8上还存在问题。因为模拟软件要求输入参数比较详细，在不同的细节水平上，对相同建筑设计的模拟结果有很大弹性，从而导致不同的细节水平产生不同能量需求预测，这就会使预测与固定目标值比较时出现问题。在做出选择时应考虑不同计算工具的优缺点，而且还需研究用户界面问题，使得计算工具能够迅速地和重复地使用，最后还需对选择的计算工具进行验证。2数据输入计算方法的一个重要问题就是数据输入。对于新建建筑，相对直接，因为建筑形状、构造和HVAC设备等能够从所绘图和设计说明书中获得。而对于翻新、扩建和既有建筑就会出现很多问题，因为有许多数据不能直接获得，将要一定的花费才能获得（如通过测量手段），因此需要发展相关的程序，使得通过有限的调查数据就能推断既有建筑的性能数据。活动数据（theactivitydata），对于设计和在建阶段的许多建筑而言，其准确的初始使用情况可能并不知道，而且对于所有建筑的使用模式，在中期甚至更长的时间也是不知道的。因此，为了满足英国制定的建筑规范，定义了一系列的标准活动时间表（StandardActivitySchedules）。这些将定义人员密度、使用时间、照明功率密度以及电器设备功率等，标准时间表也是计算方法中一个关键问题，需要不断发展。活动时间表不仅需要包括一般的活动区域如普通办公室、教室、体育馆等，而且还包括一些特殊区域，这些区域可能是有高负荷的房间，如商务办公室等，因此对于某些建筑中重要的特殊区域，需要设定更多的典型时间活动时间表来确保建筑效率。数据输入在评估中应用如图1所示。图1数据输入3能耗目标（energytarget）设定整个建筑能耗指标计算方法中的一个关键问题就是如何设定能耗目标。很明显，不同的建筑形式需要设定不同的能耗目标。获得此目标有两种可能方法。第一种就是以历史测量数据为依据，但是有以下困难,一是对于所有建筑类型，不能得到足够好的数据；二是通过测量数据来校准模型，对于所有的建筑类型来说将是一个艰巨的任务。第二种就是基于各种类型的标准建筑产生一个计算值。那么就需要定义标准建筑，有个问题就是目前还没有对所有的建筑进行定义。另外对于同类型建筑如办公建筑，办公室（单间，开间）、服务间（设备间）、流通区域（走廊，楼梯）等的相对比例也会随着建筑形状不同而不同，因此如何定义标准建筑是目前研究工作之一。对比两种方法，英国选择第二种方法即通过计算方法来产生建筑能耗目标，同时提出了两种不同计算方法：方法1——基于活动区域（ActivityAreas）此种方法将基于标准活动时间表，根据建筑和设备的每个要素规定来确定各种不同类型活动区域的年能耗预算。然后对建筑中的所有活动区域年能耗预算进行面积加权，就可得到建筑的能耗目标。这就需要对墙、玻璃、地板、设备效率等要素设定标准。采取此种方法的困难在于活动区域的能耗状况是由建筑的尺寸和它的位置来决定的，例如，普通办公区域会有不同能耗主要看它是否位于建筑的中心以及建筑的西南面或北面；另一个问题就是活动区域能耗目标仅用于新建建筑，而对于翻新、扩建建筑，产生整个建筑的能耗目标将是不现实的。活动区域能耗目标（Energybudgetsforactivityareas）研究也是英国目前进行区域能耗基准研究工作的一部分。此种方法如图2所示。标准活动时间表实际活动时间表分析活动时间表比较能效指标达标能耗目标输入数据计算工具设计说明调查翻新推论工具已建新建图2基于活动区域产生的能耗目标方法2——自动产生目标（auto-generationtarget），基于整个建筑。由于建筑尺寸、形状以及使用模式不同意味着对每种普通类型建筑设定单一的性能标准是困难的，因此产生一个适用所有建筑类型的相关性强的函数关系将是一个主要的任务。如果认为关键变量是尺寸、形状、服务策略以及使用方式，然后详细定义用来计算建筑能效的相关参数。尺寸和形状通过建筑几何来定义，服务策略通过HVAC形式定义，使用方式将通过建筑不同区域的活动时间表来定义。这就意味着标准计算工具能够提供函数关系，使得一个合适的能耗目标能够与尺寸、形状、服务策略和使用模式联结起来。如果此计算能够替换实际设计过程中规范所规定的建筑和HVAC标准要素，那么它将会产生适合于特定形状和使用方式的建筑的能耗目标。此种方法也适用于建筑翻新和扩建，如果计算仅将标准要素替换成所对应的翻新或扩建建筑部分要素，产生的能耗目标就能说明所保留建筑和设备的性能。方法如图3所示。图3基于整个建筑产生的能耗目标分析活动时间表能耗目标输入数据计算工具(设定标准)设计说明参考建筑要素标准建筑﹠设备标准活动时间表新建分析活动时间表表能耗目标计算工具能耗预算(活动区域)活动区域标准活动时间表要素标准建筑﹠设备比较上述两种方法，英国目前发展第二种方法为建筑产生单独的能耗目标，而且用CO2排放量表示。为此提出想象建筑（notionalbuilding）概念,类似于我国《公共建筑节能设计标准》提出的参照建筑。实际建筑的能耗目标就是基于想象建筑上得出的，但是确定实际建筑能耗目标还考虑了建筑采用不同的系统，如果建筑采用混合系统时，改进系数可采用面积全重法。同时还考虑可再生能源影响，也有一个系数—LZC基准（lowandzerobenchmark），最后对想象建筑计算的能耗目标进行修正，得出实际建筑的能耗目标，如图4所示。TER=notionalC×（1-改进系数）×（1-LZC基准）[4]如对于设有空调系统而且使用了可再生能源的建筑，其实际建筑能耗目标应为notionalC×（1-20%）×（1-10%）=0.72notionalC,其中not