美国国家建筑能耗统计概况

第 26 卷第 4 期 2010 年 4 月 建 筑 科 学 BUILDING SCIENCE Vol. 26，No. 4 Apr. 2010 ［文章编号］1002-8528(2010)04-0008-04 美国国家建筑能耗统计概况 杨 秀(清华大学 建筑学院 建筑技术科学系，北京 100084) ［摘 要］建筑能耗数据是建筑节能的依据和指导。美国是全世界建筑能耗数据信息最详细、最完善的国家之一。本文 介绍了美国公共建筑和住宅建筑的能耗统计(CBECS和 RECS)，包括其管理概况、能耗调查方法、数据处理模型和估算，以及 建筑能耗信息公开管理。 ［关键词］建筑能耗统计;CBECS;RECS ［中图分类号］TU111. 19 + 5 ［文献标识码］A Introduction on Building Energy Consumption Statistics of USA YANG Xiu(Department of Building Science，School of Architecture，Tsinghua University，Beijing 100084，China) ［Abstract］Energy consumption data is the foundation for building energy conservation. Building energy consumption data of USA is quite detail and complete. In this paper，building energy consumption statistics of USA for both commercial and residential buildings were introduced，including information of administration，energy survey，data processing model and estimation，as well as data publication. ［Keywords］building energy statistics，CBECS，RECS ［收稿日期］2009-08-31 ［修回日期］2009-10-12 ［作者简介］杨 秀(1981-)，女，在读博士研究生 ［联系方式］yangxiu00@ mails. thu. edu. cn 1 引 言 建筑能耗数据是建筑节能的基础，它包括 2 个 层面，一个是宏观层面的建筑能耗总体情况，即民用 建筑运行能耗的各个组成部分，包括家庭生活和发 生在建筑内的商业、娱乐、休闲、公共事务等活动造 成的能源消耗，以及各部分消耗在社会总能耗中的 地位、所占比例和影响大小;另一个是微观层面，掌 握不同类型、不同功能的建筑的实际能源消耗数据 和能耗消耗特点，以及在不同服务功能方面的能耗 情况，包括照明、空调、采暖、电梯、给排水、生活热水 和炊事等用能设备或系统的运行特点和效率，目的 是为了找出能源消耗过程中的问题和薄弱环节，通 过实施恰当的节能措施来降低能源消耗数量，缓解 能源供应的压力。 美国是全世界建筑能耗数据信息最完善的国家 之一，宏观和微观的建筑能耗数据均非常翔实和完 备，为其认识建筑能耗特点和有针对性地开展节能 工作提供了重要的参考依据。中国作为能源消耗大 国，有必要学习和借鉴美国建筑能源统计、数据管理 和信息发布的管理经验，加快完善我国建筑能源统 计体系的建设，为我国的建筑节能工作提供有力支 持。本文根据美国能源信息管理局 (Energy Information Administration，EIA)的网站内容，对美国 的建筑能耗统计概况进行简要介绍。 2 美国建筑能耗统计的管理 美国的建筑能耗统计和数据信息的发布由 EIA 负责，EIA是隶属于美国能源部的统计机构，成立于 1977 年。EIA负责科学地开展全国性公共建筑和 住宅建筑的能耗调查，获取各类建筑的能耗特点，再 外推到全国的建筑，从而得到全国整体的建筑能耗 数据。数据调查的过程由与 EIA 有 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 协议的调 查公司具体实施。 建筑能耗数据统计的全部过程和方法针对公共 建筑和住宅建筑略有不同，但总体来看，均包括数据 收集、数据处理和信息公开 3 个方面。 第 4 期 杨 秀:美国国家建筑能耗统计概况 3 美国公共建筑能耗统计 3. 1 数据收集 基础数据收集的目的是为了了解各类建筑的能 耗特点，是能耗统计的核心。美国公共建筑能耗的 数据 收 集 即 公 共 建 筑 能 耗 调 查 (Commercial Buildings Energy Consumption Survey，CBECS)［1］，从 1979 年起，每隔 4 年实施 1 次，到 2007 年是第 9 次。 CBECS是对全国范围的公共建筑能耗和相关信息 开展大规模抽样调查。本文以 2003 年的 CBECS 为 例进行介绍［1］。 1)CBECS的调查内容和对象 CBECS调查美国公共建筑的各种信息，包括建 筑物理特征，如围护结构、面积和建造年代等;建筑 使用和运行方式，如使用时间、人员数量、所有权和 被占用的状态等;用能设备信息，如采暖、空调、冷藏 冷却、照明和办公设备等;已采用的节能和管理措 施;建筑使用的能源种类和使用途径;建筑能耗和相 关费用支出。 调查对象是建筑单体，定义为面积大于1 000 ft2(93 m2)，由墙和屋顶封闭且可步入的，50%以上 的面积为商业或公共用途的建筑单体。 调查包括建筑内填写问卷和从能源供应商获取 信息 2 种途径。前者是在被调查建筑内完成的面对 面的问卷填写，后者是在不能准确或完全获取被调 查建筑的能耗信息时的补充调查，通过邮件形式完 成。 2)CBECS的样本选取 2003 年，美国拥有公共建筑数量约为 485. 9 万 栋。根据建筑面积，可分为 8 档:1 001 ～ 5 000 ft2 (93 ～ 464 m2)、5 001 ～ 10 000 ft2(465 ～ 929 m2)、 10 001 ～ 25 000 ft2 (930 ～ 2 323 m2)、25 001 ～ 50 000 ft2(2 324 ～ 4 645 m2)、50 001 ～ 100 000 ft2 (4 646 ～ 9 290 m2)、100 001 ～ 200 000 ft2(9 291 ～ 18 580 m2)、200 001 ～ 500 000 ft2(18 581 ～ 46 450 m2)，以及大于500 001 ft2(46 451 m2)。根据建筑 功能可分为 14 类:教育用房(Education)、饮食销售 (Food Sales)、餐饮饭店(Food Service)、医院诊所 (Health Care)、住宿(Lodging)、零售(Mercantile)、 办公(Office)、公共事务(Public Assembly，包括会议 中心、图书馆、博物馆、展览馆和交通枢纽等)、公共 安全与秩序(Public Order and Safety)、宗教用房 (Religious Worship)、综合技术服务(Service)、仓储 (Warehouse and Storage)、其它(Other)和空置建筑 (Vacant)。 调查的样本按区域、面积和功能进行多级分类 抽样。首先按美国人口普查局的地域分布进行区域 抽样，被选中的区域组成初级抽样单元;在初级抽样 单元内根据美国国家统计局的地域划分抽取一些地 域，组成次级抽样单元;在次级抽样单元中再次进行 样本选取，对每个选中样本内的所有公共建筑，分别 依照建筑面积的分类和建筑功能的类型进行划分， 根据一定的采样率进行分类抽样。 针对大型公共建筑(面积不小于 20 万 ft2，即不 小于 1. 86 万 m2)数量相对较少的情况，为保证获得 更准确的能耗估算数据，在如上区域抽样单元设计 基础上，专门扩充了大型公共建筑的样本数量以获 得最优抽样概率。而针对购物中心建筑群，CBECS 采取二次抽样，选取被抽样建筑群内的多个单体建 筑(不大于 3 个)分别填写问卷。 2003 年，CBECS按此样本选取方法，共选取了 6 380个合格样本。2003 年的抽样调查保证了 95% 的置信概率。 3)调查过程与数据收集 确定了抽样样本后，CBECS 的整个调查过程与 数据收集包括 3 个阶段:调查督察和访谈员 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 ，访 谈实施，以及最小化无效样本数量。 值得注意的是，对每份问卷，在访谈实施阶段， 并非简单的访谈员定点对建筑使用者或管理者进行 问卷调查，而是包括了访谈员亲自登门进行样本有 效性筛选、被访谈者了解和初步填写信息以及访谈 3 个步骤。完成每份样本的信息收集，平均需要 11. 5 h。整个调查过程为 2003 年 8 月初 ～ 2004 年 1 月底。调查数据使用计算机辅助调查技术 (Computer-assisted Personal Interviewing，CAPI)进行 编辑和处理。 在数据收集过程中和完成后，调查公司和 EIA 会对数据进行初步编辑和有效性预处理。首先，在 访谈进行过程中，他们对问卷结果的合理性和有效 性进行初步的检验;其次，对不能提供完整信息的访 谈样本，调查公司在 EIA 的支持下通过相应的能源 供应商进行信息调查;最后，在访谈全部完成后， EIA会对数据进行仔细检查，包括数据的有效性和 正确性，并对一些开放性问题和答案为“不知道”的 9 建 筑 科 学 第 26 卷 问题进行预处理。对于由于被访谈者拒绝参与或建 筑信息不完整的无效问卷，CBECS 从同一抽样单元 中重新随机选取类似建筑来替代，以最小化无效样 本的比例。 3. 2 数据处理 能耗调查只能获得每个建筑在被调查年的电、 天然气、燃料油和区域供热的能耗总量，以及一部分 建筑的电和天然气的逐月能耗数值，而美国公共建 筑能耗统计最终还会给出各类公共建筑不同终端用 能途径的能耗数值。这里对公共建筑的终端用能途 径分为 10 类:采暖、空调、通风、生活热水、照明、炊 事、冷藏冷却、个人电脑、办公设备(包括服务器)和 其它。从调查结果出发到获得各终端用能途径的能 耗是通过一系列模型和数据处理来进行估算的。估 算方法依能源种类不同而略有区别，但总的来说包 括 4 个步骤，如表 1 所示。 表 1 不同用能途径的能耗估算方法 步骤 内容 能源种类 电 天然气 燃料油 区域供热 1)逐月回归分 析(Monthly Regression) 分析度日数与采暖和 空调能耗的相关性， 分析结果将作为步 骤 2)的输入参数 由调查获得的 1 500 座 有逐月电耗数据的建筑 数据进行 由调查获得的 1 000 座 有逐月天然气消耗数据 的建筑数据进行 没有逐月数据，气候影响系数同天然气 分析结果 2)工程模型 (Engineering Models) 此步骤为估算的关 键，根据每个样本建 筑的基本信息，通过 数据模型对各用能途 径的能耗进行模拟 对不同功能、不同面积 范围的各类建筑，根据 其建筑基本信息，模拟 各个用能途径的单位 面积终端电耗 对不同功能、不同面积范围的各类建筑，根据 其建筑基本信息，模拟除区域供热、炊事和其 它项以外的各个用能途径的单位面积终端天 然气或燃料油消耗 对不同功能、不同面积 范围的各类建筑，根据 其建筑基本信息，模拟 各个用能途径的单位面 积热量消耗 3)横向回归分析 (Cross-sectional Regression) 从设备和系统的角度 对天然气和燃料油的 能耗量进行调整 － 从洗衣房、发电厂和建 筑采暖角度获取除步骤 2)计算出的建筑天然气 总消耗量以外的天然气 消耗，调整到天然气终 端用能中 从发电厂和建筑采暖 角度获取除步骤 2)计 算出的建筑燃料油总 消耗量以外的燃料油 消耗，调整到燃料油 终端用能中 － 4)最终调整估算 (Reconciliation and Proration) 对步骤 2)的模拟结 果进行调整，获得各 类建筑内、各种用能 途径不同的能源种类 的最终估算结果 根据步骤 1)获得的 各类建筑的逐月采暖 和空调电耗比例和实 际建筑总电耗，对步 骤 2)的模拟结果进行 调整，方法见式(1) 对各用能途径，根据实际的建筑能耗调整步骤 2)的模拟结果， 方法见式(1) 表 1 中，步骤 2)的工程模型对 10 类用能途径 能耗的模拟按不同的类型分别进行。建筑的采暖、 空调、通风、生活热水和照明这 5 项，以调查得到的 每栋建筑的气候、物理信息，以及默认的服务需求水 平与作息时间作为输入条件，由建筑能耗模拟软件 DOE-2 和 ASEAM 进行模拟;炊事和冷却冷藏这 2 项，以建筑的基本需求为输入条件，由相关的研究 “终端负荷与使用者行为程序”(End-use Load and Consumer Assessment Program)以及之前 CBECS 的 调查结果估算给出;个人电脑和办公设备的电耗由 专门的办公设备模型进行估算，以建筑类型作为输 入条件，对电脑相关设备(电脑、显示器和打印机)、 非电脑相关设备(复印机、传真机、收银机和服务 器)分别给出其单位面积电耗，另外工作时间和非 工作时间也被分开考虑;其它项的电耗根据其它相 关研究的单位面积用电进行电耗估算，其中其它项 中的区域供热能耗直接由总能耗和除以计算出结果 的采暖、空调及生活热水项部分，其它项中的天然气 和燃料油消耗由步骤 3)进行进一步估算。 步骤 2)和 3)的一系列计算可给出每个建筑各 项用能途径不同能源种类的消耗量，但这个数量主 要由建筑所处气候、物理特征和使用方式计算得出， 不一定和调查获得的实际建筑能耗量吻合。步骤 4)的目的则是按照步骤 2)和 3)估算得到的每种能 源种类的各项用能途径所消耗的比例，对调查得到 的该能源种类的实际消耗量进行分配，得到最终的 各项用能途径能耗数量，其计算式为: 01 第 4 期 杨 秀:美国国家建筑能耗统计概况 euibf = ∑ u afueuibfu (1) 式中，euibf为调查获得的建筑 b和能源种类 f的单位 面积实际消耗量;euibfu为步骤 2)和 3)对建筑 b、能 源种类 f 和用能途径 u 的单位面积能耗的估算结 果;系数 afu为调整能源种类 f 内各项用能途径估算 结果的系数。 经过数据预处理和估算调整，最终可单独给出 每个建筑的各能源种类的各项用能途径的能耗。由 抽样样本的调查结果，以及对全国建筑总量的宏观 统计数据，可对全国所有的公共建筑能耗进行估算。 3. 3 信息公开 EIA 的网站上设有 CBECS 专题(http:/ /www. eia. doe. gov /emeu /cbecs /contents. html)，专题内不 但有历次调查的详细信息，包括调查方法、调查问 卷、调查结果、能耗数据，以及运用调查结果的一些 分析研究，甚至包括了问卷调查的原始结果。主要 的信息都有 pdf和 excel格式可供下载。除此之外， EIA还针对不同的子专题提供了相关人员的联系方 式，以帮助网站用户解决相关的疑问。 除了公开大量的公共建筑信息、能耗和相关支 出外，EIA也非常注意一些信息的隐私性。在给出 微观问卷调查结果的同时，建筑物的名字、地点均被 隐藏，而能够指向建筑的相关特性，包括层数、建筑 物面积和工作人数，也一概非公开可见。 4 美国住宅建筑能耗统计 美国住宅建筑能耗统计与公共建筑类似，也是 基于全国性的数据收集，即住宅建筑能耗调查 (Residential Energy Consumption Survey，RECS)［2］。 从 1978 年起，最初是每年进行 1 次，后改为每 3 年 进行 1 次，从 1997 年起为每 4 年进行 1 次，到 2005 年为第 12 次。2001 年的 RECS 从 3 月底开始到 10 月底结束，从现场调查问卷、邮件问卷和网上填报 3 个途径共收集了5 070户家庭的信息，作为住宅建筑 能耗统计的基础数据。 住宅建筑能耗统计的数据收集、数据处理和信 息公开与公共建筑基本类似。主要的几点区别如 下: 1)样本选取的不同。RECS 的样本单元不是建 筑物单体，而是家庭(Household)。相应的能耗分析 也是以家庭为单位，但在建筑类型上区分为独户建 筑(Single-family，包括独栋建筑和联排建筑)、多户 建筑(Multi-family，包括 2 ～ 4 户和 5 户及以上)和活 动房(Mobile Homes)。 2)调查的能源种类，除了天然气、燃料油、煤、 液化石油气和电等商品能源外，还增加了木炭 (Wood)、太阳能热利用(Solar Thermal)、太阳能发 电(Solar PV)、地源热泵(GHP)等非商品能源。 3)除了对住宅建筑进行基本的多级分类抽样 调查外，2001 年的 RECS 还补充了 1 个专门针对联 邦低收入家庭能源援助项目(Low-income Home Energy Assistance Program，LIHEAP)①受益家庭的抽 样调查，共获得有效样本 497 户，使得整个调查可更 全面地反映出美国家庭能耗的分布和总体情况。 ［参考文献］ ［1 ］ Energy Information Administration. Commercial Buildings Energy Consumption Survey (CBECS) ［EB /OL］. http:/ /www. eia. doe. gov /emeu /cbecs /contents. html. ［2 ］ Energy Information Administration. Residential Buildings Energy Consumption Survey (RECS)［EB /OL］. http:/ /www. eia. doe. gov /emeu / recs /contents. html. ① LIHEAP是美国联邦政府资助符合条件的低收入家庭能源 费用的项目，以帮助贫困家庭满足其冬季采暖和夏季空调的需求。 11