高速公路服務區(qū)建筑能耗定額研究

王 旭， 王 強， 劉 芳， 閆桂煥， 王宗偉， 馮 然

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東省碳中和技術創(chuàng)新中心，山東濟南250101；3.山東省科學院生態(tài)研究所，山東濟南250103；4.山東省三益工程建設監(jiān)理有限公司，山東濟南250101；5.山東高速工程咨詢集團有限公司，山東濟南250003)

1 概述

隨著高速公路建設里程的快速增加，服務區(qū)也在數(shù)量上實現(xiàn)了新突破[1]。目前，我國高速公路服務區(qū)(簡稱高速服務區(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，加強建筑節(jié)能工作迫在眉睫。

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

電力是高速服務區(qū)建筑的主要能源，而作為供暖熱源的燃煤鍋爐、燃氣鍋爐消耗的燃煤、天然氣數(shù)據不易采集，因此筆者在進行調研時，著重對用電量數(shù)據進行了收集整理，本文的能耗特指電耗。本文結合調研數(shù)據，對山東省高速服務區(qū)建筑能耗特性進行分析，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

根據服務區(qū)建筑等級、服務水平、配套設施完善度等，本次調研的山東省高速服務區(qū)可分為4類[6]。

第1類高速服務區(qū)。設置在交通量大的干線高速公路上，具有服務主導地位，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、休閑的區(qū)域中心服務區(qū)。樣本數(shù)25。

第2類高速服務區(qū)。設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、旅客提供服務的服務區(qū)。樣本數(shù)41。

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

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

本次調研的119個高速服務區(qū)約占全省高速服務區(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區(qū)建筑能耗情況。調研時間為2020年10月至2022年3月，調研近1～2 a的能耗數(shù)據。調研內容包括建筑基本信息、建筑能耗。基本信息主要為建筑面積、建筑高度、圍護結構形式等。建筑能耗主要為建筑分項用電量、總用電量，分項用電量包括空調系統(tǒng)、照明裝置、動力設備、生活熱水裝置、給排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等用電量。

2.2 能耗特征分析

能耗數(shù)據的有效性、準確性是進行能耗定額研究的重要基礎。考慮到能耗實際統(tǒng)計過程中存在由于工作人員操作不當以及數(shù)據采集儀器自身故障等問題造成數(shù)據失真的現(xiàn)象，因此需要剔除異常數(shù)據。基于上述考慮，利用小提琴圖[7]對高速服務區(qū)建筑能耗特征進行定性分析及異常值檢測。分析結果表明：能耗強度(根據年總耗電量、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類高速服務區(qū)的1組異常數(shù)據(樣本25)，其他3類高速服務區(qū)未出現(xiàn)異常數(shù)據。

筆者采用SPSS軟件，對4類高速服務區(qū)建筑能耗強度進行正態(tài)分布檢驗，4類高速服務區(qū)建筑能耗強度正態(tài)分布檢驗結果見表1。表1中的偏度表示統(tǒng)計數(shù)據分布的偏斜程度，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，以得到顯著性檢驗指標(P值)，若P值>0.05，則可認為樣本服從正態(tài)分布的假設成立[8-9]。

表1 4類高速服務區(qū)建筑能耗強度正態(tài)分布檢驗結果

由表1可知，4類高速服務區(qū)建筑能耗強度分布的偏度、峰度均在0附近，且P值均大于0.05，說明4類高速服務區(qū)建筑能耗樣本數(shù)據均近似服從正態(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、技術定額法。統(tǒng)計定額法是以實際能耗數(shù)據為基礎，在權衡社會發(fā)展水平、經濟技術條件等因素后確定建筑能耗水平，進而利用數(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。技術定額法雖然具有技術先進性的特點[10]，但前提是需要建立與當前大多數(shù)建筑功能、技術條件等類似的建筑能耗標準模型。筆者采用技術定額法，在建筑采取節(jié)能措施的前提下，計算能耗定額先進值，并與統(tǒng)計定額法的計算結果進行比較，以驗證統(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——能耗強度平均值(見表1)，kW·h/(m2·a)

Z——定額水平對應的標準正態(tài)分布概率密度

σ——能耗強度標準差(見表1)，kW·h/(m2·a)

文獻[12]提供的公共建筑定額水平對應的標準正態(tài)分布概率密度見表2。

表2 公共建筑定額水平對應的標準正態(tài)分布概率密度[12]

能耗定額分為約束值、先進值兩類。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，而能耗定額先進值對應的定額水平則選取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類高速服務區(qū)建筑能耗定額(見表3)，能耗強度平均值、能耗強度標準差選自表1。

由表3可知，各類高速服務區(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區(qū)建筑能耗現(xiàn)狀、運行管理情況以及節(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，能耗定額先進值的定額水平為0.80。

表3 4類高速服務區(qū)建筑能耗定額

3.2 技術定額法

筆者在充分調研基礎上，利用建筑能耗模擬軟件DeST分別建立4類高速服務區(qū)標準建筑模型[16]，計算能耗定額先進值。

① 標準建筑模型

以第2類高速服務區(qū)建筑為例，進行技術定額法能耗定額計算。建筑位于濟南，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，未設置電梯。第2類高速服務區(qū)標準建筑模型見圖1。

圖1 第2類高速服務區(qū)標準建筑模型

標準建筑圍護結構熱工參數(shù)見表4。高速服務區(qū)建筑全天運行，分別對房間類型、人員密度、照明裝置數(shù)量、動力設備配置及室內設計參數(shù)等進行設定，人員在室率、照明使用率、設備使用率根據實際情況設定，發(fā)熱功率、運行時間參考GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》、DB 37/5155—2019《山東省公共建筑節(jié)能設計標準》設定。空調房間、非空調房間室內設計參數(shù)、換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)分別見表5、6。

表4 標準建筑圍護結構熱工參數(shù)

表5 空調房間室內設計參數(shù)、換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)

表6 非空調房間換氣次數(shù)、熱擾參數(shù)

供冷期為5～9月，冷水機組制冷性能系數(shù)為5.1，設備容量滿足建筑設計冷負荷。對空調系統(tǒng)進行全局設定后，在Energy System系統(tǒng)進行建筑能耗模擬定義，主要用于模擬計算照明裝置、動力設備、生活熱水裝置、給排水系統(tǒng)、通風系統(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 模擬計算結果

由模擬計算結果可知，第2類高速服務區(qū)標準建筑年總能耗為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類高速服務區(qū)建筑的技術定額法能耗定額進行計算，見表7。

表7 4類高速服務區(qū)建筑技術定額法能耗定額

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

4 能耗強度樣本分布

為驗證定額水平合理性，分析4類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布，并進行用能水平通過率分析。用能水平通過率為能耗強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類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布分別見圖2～5。

圖2 第1類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布

圖3 第2類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布

圖4 第3類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布

圖5 第4類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布

由圖2～5可知，第1、2、4類高速服務區(qū)建筑能耗強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值之間。第3類高速服務區(qū)建筑能耗強度樣本分布比較分散，主要是由于地理位置、功能定位、服務水平等導致能耗強度差異比較大，加之統(tǒng)計樣本數(shù)量比較少，未能充分體現(xiàn)該類型高速服務區(qū)建筑的能耗強度。

第1～4類高速服務區(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類高速服務區(qū)建筑用能水平通過率均在70%以上，第3類高速服務區(qū)建筑用能水平通過率稍低，但仍在60%以上。

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

5 結論

① 能耗強度隨著高速公路服務區(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區(qū)建筑能耗定額可行。對于山東省高速公路服務區(qū)建筑，能耗定額約束值、先進值定額水平分別選取0.30、0.80比較合理。