Research on revision principle and methodology of design standard for energy efficiency of public buildings
Xu Wei, Zou Yu, Chen xi, Sun Deyu China Academy of Building Research
Abstract: Reviews the revision background of the national standard. Summarizes the problem in compiling the standard of version 2005 and the issues in its application. On basis of investigating the method of standard revision abroad, determines the revision principle and the main contents to be revised. Presents emphatically the setting of the energy saving goal for the standard in version 2015, the idea and the method for decomposing the goal. Discusses the future development direction of energy saving standards for buildings and the relevant issues.
Keywords: public building, energy efficiency design, standard, revision principle, compilation background
０ 引言
ＧＢ５０１８９《公共建筑节能设计标准》（以下简称《标准》）是我国第一部针对公共建筑的节能专项标准，建立了从建筑室内热环境到建筑热工性能，再到暖通空调等用能系统的一套相对完整的公共建筑节能设计指标体系，对我国公共建筑节能工作起到了关键的指引作用。该《标准》自２００５年实施以来，我国建筑节能工作持续深入，新的建筑材料、新技术、新产品不断涌现，以及我国面临的能源形势，都对《标准》提出了新的要求。
全面提升公共建筑的节能设计标准是本次修订的基本要求，实现节能目标的同时还应满足室内环境质量及人们对室内舒适度日益提高的要求。此外，对公共建筑能效的提升还需要充分考虑我国不同气候区的建筑特点、不同类型公共建筑的能耗特征、建筑节能技术的适宜性和经济性以及相关产业的支撑能力。因此，如何兼顾上述要求合理确定修订原则，全面提升公共建筑的节能水平，在经济合理、技术可行的前提下，优化、确定标准修订的节能目标，是本次修订的核心工作内容，对推动公共建筑节能工作及新型城镇化建设的可持续发展具有重要意义。
１ ２００５年版《标准》存在的主要问题
为了解２００５年版《标准》实施以来的问题和设计人员的需要及确定本次修订工作的方向，在准备阶段，修订组分别于广州、上海和北京召开了３次《标准》修订调查研讨会，来自全国各地设计院、研究所、大专院校和生产企业的８０余名业内专家结合各自工作体会，对《标准》实施以来的情况和出现的问题进行了充分探讨。对于本次修订，专家集中提出了以下几点建议。
１．１ 重点条款分气候区、分建筑规模进行规定
我国地域辽阔，气候多样，经济发展不平衡。作为一部可操作的国家标准，应该充分考虑气候差异性和经济发展程度差异性。从北到南供暖能耗在公共建筑全年能耗中所占比例逐渐减小，而公共建筑空调能耗逐渐增加。因此，在不同气候区，围护结构热工性能对于全年建筑能耗的贡献比例不同，空调系统对于全年建筑能耗的贡献比例也有很大差异。２００５年版《标准》在围护结构热工性能参数的规定中，分气候区给出差异性规定，很好地诠释了“气候设计”的原则。本次修订应该继续坚持这一思路，在空调系统能源系统性能的要求中同样分气候区进行规定。
另一方面，大型公共建筑通常功能复杂，能耗结构复杂，单位面积能耗强度大，能耗总量大；而单体建筑面积较小的公共建筑往往功能单一、用能系统及能耗构成相对简单。对不同体量的公共建筑规定相同的设计方法和设计资料，往往给单体面积小的公共建筑的设计带来大量烦琐的计算。单体面积小的公共建筑总面积比例很小，在全国范围公共建筑总能耗中占比低，因此，对其要求与大型公共建筑相同的设计计算过程意义不大，且影响设计效率；对于临时性建筑更是如此。本次修订应该吸纳“抓大放小”的思想，对公共建筑中的用能大户增加要求，对单体面积小的公共建筑简化要求。增加《标准》的合理性和可操作性。
１．２ 《标准》的后台计算模型需改进
公共建筑种类繁多、功能复杂，单一建筑内存在多种功能，用能特征复杂。２００５年版《标准》编制中后台能耗计算的模型主要根据办公建筑模型计算出各限值，应用于办公建筑，准确性和科学性较好，但对于在公共建筑中同样占比大的酒店、商场类建筑，应用中偏差较大。本次修订需要对《标准》编制的后台计算模型加以改进，一是需要丰富模型中公共建筑的种类，使得《标准》的各项技术指标能够代表更广泛的建筑类别；二是需要通过统计调研明确各类型３）最终比较的物理量不够明确。２００５年版
《标准》规定围护结构热工性能的权衡判断最终比
较的是参照建筑和实际建筑的供暖和空调能耗，但
《标准》中未给出设备效率值，因此实际应用中往往
比较的是建筑耗热量和除热量。这种情况下，将建
筑冷热负荷的绝对值相加作为比较依据，物理意义建筑的整体情况。
１．３ 减少围护结构热工性能权衡判断规定的漏洞
２００５年版《标准》中允许当围护结构热工性能参数不能达到限值规定时，通过权衡判断的计算方法判别建筑整体热工性能是否符合标准的要求。这是一种性能化的评价方法，相对于核查围护结构各部位热工性能限值的规定方式，权衡判断通道更加灵活，允许性能薄弱的部位被性能好于标准要求的部位弥补，总体达到要求即算合规，为设计的多样性打开了一条通道。但由于《标准》条文的规定不够细致，在实施过程中暴露了一些问题，有时甚至成为钻空子的渠道。这些问题集中体现在以下几方面。
１）对方法本身和计算参数的理解存在差异。围护结构性能化评价方法对建筑模型各参数的规定不够具体，参数及运行策略如何设置也不明确，导致不同设计人员对建筑参数的理解不同，造成计算结果的差异。同时，２００５年版《标准》未对实施围护结构权衡判断的设计项目提出热工性能限值要求的“门槛值”，也就是说任何不满足标准围护结构限值要求的建筑均可能通过权衡判断的计算调整到合规，这显然不合理。
２）计算软件之间存在差异。２００５ 年版《标准》规定权衡判断以建筑能耗模拟软件为计算工具，但未对软件的具体功能和类型进行明确要求。软件内置参数和用户输入的参数没有规范、统一，造成同一设计项目使用不同软件得到的计算结果不一致；甚至同一设计项目使用相同计算软件，不同设计人员也可能计算得到不同结果，很大程度上影响了权衡判断的可靠性。
３）最终比较的物理量不够明确。２００５年版《标准》规定围护结构热工性能的权衡判断最终比较的是参照建筑和实际建筑的供暖和空调能耗，但《标准》中未给出设备效率值，因此实际应用中往往比较的是建筑耗热量和除热量。这种情况下，将建筑冷热负荷的绝对值相加作为比较依据，物理意义不明确，也不合理。
１．４ 《标准》的覆盖面需完善
２００５年版《标准》中规定供暖、空调和照明计入建筑能耗的计算范围。但事实上，建筑给排水系统和电气系统的设置也很大程度上影响公共建筑的能耗。近年来随着各级政府对可再生能源建筑应用政策引导力度的加大，其对公共建筑节能的作用也应在《标准》中有所体现。
另外，２００５年版《标准》中分气候区的规定没有将温和地区纳入，近年来公共建筑中多联机应用越来越多，因此在修订过程中需要增补和完善相应条文。
１．５ 强制性指标的确定方法需改进
我国建筑节能标准中对重要建筑部品和设备的量化节能性能要求，现有方法主要依靠行业专家经验和已实施工程的数据，由于没有科学系统的分析方法，得出的定量指标缺乏具有说服力的计算依据。因此需要建立一种科学的优化分析方法，作为节能设计标准基本的分析工具，用于节能目标的确定及分解，以提高标准的科学性。
２ 国外建筑节能标准编制的方法及特点
２００５年版《标准》受ＡＳＨＲＡＥ９０．１影响较大。修订工作中，编制组进一步研究了美国建筑节能标准编制的体制、方法、执行监督等方面的情况，为提升我国标准编制的科学性产生了积极影响。
２．１ 美国建筑节能标准体系设置
美国的国家建筑节能领域的目标（节能率）虽然是由能源部（ＤＯＥ）制定，但是实际每一版建筑节能标准相对上一版本的节能量，都是通过美国能源部支持国家实验室的专门研究课题计算得到的，其结果往往与预设不一致。这并不妨碍美国的建筑节能目标层层提高，反而由于高透明度，增加民众对政府的信任。此外，国家经费支持的研究项目成果必须无条件向社会公布，无论研究者、政府决策层还是业主都可以在网站上免费下载这些基础研究成果。这种自上而下与自下而上相结合的体系，充分调动了建筑节能领域中各环节每个角色的积极性，无论对于建筑节能法规、标准的实际执行，还是对相关产业的刺激，都是健康而有利的。
美国主要建筑节能标准编制的程序中均最大限度地保证了全社会利益相关方有平等的话语权。由于网络信息工具较完善，３年１次的修订期间产生的极大的协调和通讯的工作量所需人力成本并不多，多数编委（ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）只需要保持随时查收及发送邮件的习惯，大量的提交、汇总、公示任务都可以在网站数据库的框架下通过用户在线提交的方式自动完成。少数需要亲自到场的研讨或投票会议（例如ＡＳＨＲＡＥ 年会），由于是常态化的，每年都在年初做好计划，便于编委及投票专家提前安排好时间，保证了出席率。
美国的联邦政府层面并不存在行政强制的国家强制标准，一个民间学术组织编写的标准（ｓｔａｎｄａｒｄ）是否具有建筑法规（ｃｏｄｅ）的法律效力，取决于州政府（或市政府）是否采用。由于依托市场的思想贯穿全社会，美国联邦政府支持的建筑节能的技术一般都经过科学论证和市场检验，是能够为市场接受，可以“自行存活”的。这就保证了国家的研究经费和执行奖励经费能够最大限度地发挥作用。
２．２ 美国建筑节能标准编制的基础性研究
美国政府高度重视建筑节能，美国能源部通过长期、持续的资金和政策支持大力推进建筑节能。建筑节能标准被美国能源部作为开展建筑节能最重要的顶层核心，通过对国家实验室的持续的资金支持开展建筑节能标准的基础性和公益性研究。为建筑节能标准的编写提供核心技术支持。
美国能源部作为建筑节能的负责单位，２０１０年在建筑技术方面的投入约为２．２亿美元，２０１２年在建筑技术方面的财政预算约为４．７亿美元。ＤＯＥ通过长期而持续的资金支持推动美国建筑节能标准编制的基础性研究，对美国建筑节能工作的开展产生强大的推动和引导作用，提高了美国建筑节能技术的核心竞争力。
最重要的基础研究工作之一是建立美国典型商业建筑模型数据库。ＤＯＥ联合西北太平洋国家实验室（ＰＮＮＬ）、国家可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）、劳伦斯伯克利国家实验室（ＬＢＮＬ）３家国家实验室开展典型商业建筑模型的研究。典型商业建筑模型在对整个国家建筑能耗的分析、节能标准的研发以及建筑能耗模拟软件进行建筑能耗模拟分析等方面具有至关重要的作用。在美国能源部大量、长期、持续的资金支持下，西北太平洋国家实验室在典型商业建筑模型及相关研究方面开展了大量研究工作。
典型商业建筑模型研究的目的是制定最常用商业建筑的标准或参考建筑能源模型，作为相关能源效率分析研究的基准点，是一项长期、持续的研究。其研究始于１９９１年，历经２０多年的发展，逐步完善成熟，最终形成目前使用的典型商业建筑模型数据库。目前整个典型商业建筑模型数据库主要包含两部分内容，一是典型商业建筑模型的确定，二是不同建筑模型在不同地区的分布特征。典型建筑商业模型通过美国商业建筑能耗调查数据库（ＣＢＥＣＳ）确定。不同建筑模型在不同地区的分布特征通过ＭａｃＧｒａｗＨｉｌｌ数据库确定，该数据库覆盖了美国２５４１５８栋商业建筑，建筑面积超过９亿ｍ２。最后数据库中包含了１６个建筑类型在１６个气候区的３个时期的建筑信息，共计７６８栋建筑模型。可以直接代表美国６０％以上的商业建筑特点并且同其他商业建筑类似。这些模型最终完全以电子表格的形式保存，并且包含可以直接供ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ使用的输入文件。美国能源部的建筑节能标准项目和西北太平洋国家实验室使用这些模型进行技术分析，支持新版本ＡＳＨＲＡＥ 标准９０．１和ＩＥＣＣ标准的研发并确定最新版本标准的实际节能率，为美国联邦政府和州政府采纳最新版本的建筑节能标准提供技术依据。
建筑节能标准的基础性研究是开展建筑节能工作、制定建筑节能标准的基础。大量的基础性研究为标准的制定提供强有力的技术支撑，使得标准的制定更加科学、合理，更加易于实施，操作性更强。这些正是我国建筑节能标准制定工作中相对欠缺之处。美国从国家层面上提供资金支持开展建筑节能标准的基础性和公益性研究是非常值得借鉴和学习的。
作者：徐伟 邹瑜 陈曦 孙德宇 中国建筑科学研究院
