高速公路服务区建筑能耗定额研究

王 旭， 王 强， 刘 芳， 闫桂焕， 王宗伟， 冯 然

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；
2.山东省碳中和技术创新中心，山东济南250101；
3.山东省科学院生态研究所，山东济南250103；
4.山东省三益工程建设监理有限公司，山东济南250101；
5.山东高速工程咨询集团有限公司，山东济南250003)

随着高速公路建设里程的快速增加，服务区也在数量上实现了新突破[1]。目前，我国高速公路服务区(简称高速服务区)建筑绝大部分存在能源消耗偏高、环境影响偏大、使用功能亟待提升等问题，加强建筑节能工作迫在眉睫。

近年来，国内外学者的研究主要集中在能耗影响因素分析以及节能技术应用实践等方面[2-5]。这些研究成果虽然有效推动了高速服务区建筑节能工作的开展，但以能耗统计数据为基础的高速服务区建筑能耗定额研究比较少。因此，确定科学合理的能耗定额对于高速服务区建筑节能工作具有重要意义。

电力是高速服务区建筑的主要能源，而作为供暖热源的燃煤锅炉、燃气锅炉消耗的燃煤、天然气数据不易采集，因此笔者在进行调研时，着重对用电量数据进行了收集整理，本文的能耗特指电耗。本文结合调研数据，对山东省高速服务区建筑能耗特性进行分析，研究合理的能耗定额编制方法。

2.1 研究对象

根据服务区建筑等级、服务水平、配套设施完善度等，本次调研的山东省高速服务区可分为4类[6]。

第1类高速服务区。设置在交通量大的干线高速公路上，具有服务主导地位，功能完善，规模较大，是为车辆、驾乘人员、旅客提供综合服务、休闲的区域中心服务区。样本数25。

第2类高速服务区。设置在交通量较大的干线高速公路上，居次要地位，功能较全，规模适中，是为车辆、驾乘人员、旅客提供服务的服务区。样本数41。

第3类高速服务区。功能较全，规模适中，是为车辆、驾乘人员、旅客提供服务的服务区。样本数21。

第4类高速服务区。功能简单，规模较小，是满足车辆、驾乘人员、旅客基本服务需求的服务区和停车区。样本数32。

本次调研的119个高速服务区约占全省高速服务区总数的80%，可一定程度上反映山东省不同等级高速服务区建筑能耗情况。调研时间为2020年10月至2022年3月，调研近1～2 a的能耗数据。调研内容包括建筑基本信息、建筑能耗。基本信息主要为建筑面积、建筑高度、围护结构形式等。建筑能耗主要为建筑分项用电量、总用电量，分项用电量包括空调系统、照明装置、动力设备、生活热水装置、给排水系统、通风系统等用电量。

2.2 能耗特征分析

能耗数据的有效性、准确性是进行能耗定额研究的重要基础。考虑到能耗实际统计过程中存在由于工作人员操作不当以及数据采集仪器自身故障等问题造成数据失真的现象，因此需要剔除异常数据。基于上述考虑，利用小提琴图[7]对高速服务区建筑能耗特征进行定性分析及异常值检测。分析结果表明：能耗强度(根据年总耗电量、建筑面积计算得到的年单位建筑面积耗电量)随着高速服务区等级提升呈现显著增大的趋势。仅剔除第1类高速服务区的1组异常数据(样本25)，其他3类高速服务区未出现异常数据。

笔者采用SPSS软件，对4类高速服务区建筑能耗强度进行正态分布检验，4类高速服务区建筑能耗强度正态分布检验结果见表1。表1中的偏度表示统计数据分布的偏斜程度，峰度是表示概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数，二者数值接近于0时可认为服从正态分布。对于样本数小于等于2 000的样本集，采用S-W检验，以得到显著性检验指标(P值)，若P值>0.05，则可认为样本服从正态分布的假设成立[8-9]。

表1 4类高速服务区建筑能耗强度正态分布检验结果

由表1可知，4类高速服务区建筑能耗强度分布的偏度、峰度均在0附近，且P值均大于0.05，说明4类高速服务区建筑能耗样本数据均近似服从正态分布。

能耗定额的编制方法分为统计定额法、技术定额法。统计定额法是以实际能耗数据为基础，在权衡社会发展水平、经济技术条件等因素后确定建筑能耗水平，进而利用数理统计分析方法计算得到能耗定额，本文利用统计定额法中的定额水平法计算能耗定额。技术定额法虽然具有技术先进性的特点[10]，但前提是需要建立与当前大多数建筑功能、技术条件等类似的建筑能耗标准模型。笔者采用技术定额法，在建筑采取节能措施的前提下，计算能耗定额先进值，并与统计定额法的计算结果进行比较，以验证统计定额法合理性。

3.1 定额水平法

能耗定额E的计算式为[11]：

E=Eav+Zσ

(1)

式中E——能耗定额，kW·h/(m2·a)

Eav——能耗强度平均值(见表1)，kW·h/(m2·a)

Z——定额水平对应的标准正态分布概率密度

σ——能耗强度标准差(见表1)，kW·h/(m2·a)

文献[12]提供的公共建筑定额水平对应的标准正态分布概率密度见表2。

表2 公共建筑定额水平对应的标准正态分布概率密度[12]

能耗定额分为约束值、先进值两类。对于公共建筑，通常选取定额水平为0.20(即满足80%公共建筑的用能需求)时的能耗定额作为约束值，而能耗定额先进值对应的定额水平则选取0.70～0.85比较合理[13-15]。因此，由式(1)计算定额水平0.15～0.35、0.70～0.85条件下4类高速服务区建筑能耗定额(见表3)，能耗强度平均值、能耗强度标准差选自表1。

由表3可知，各类高速服务区建筑能耗定额均随定额水平增大而减小。综合考虑山东省高速服务区建筑能耗现状、运行管理情况以及节能措施的节能效果和成本等因素，最终确定能耗定额约束值的定额水平为0.30，能耗定额先进值的定额水平为0.80。

表3 4类高速服务区建筑能耗定额

3.2 技术定额法

笔者在充分调研基础上，利用建筑能耗模拟软件DeST分别建立4类高速服务区标准建筑模型[16]，计算能耗定额先进值。

① 标准建筑模型

以第2类高速服务区建筑为例，进行技术定额法能耗定额计算。建筑位于济南，朝南布置，总建筑面积为3 902.79 m2，体形系数为0.12，综合窗墙比为0.56。1层层高为5.0 m，为餐厅、超市、卫生间等。2层层高为4.5 m，为客房、休息室，未设置电梯。第2类高速服务区标准建筑模型见图1。

图1 第2类高速服务区标准建筑模型

标准建筑围护结构热工参数见表4。高速服务区建筑全天运行，分别对房间类型、人员密度、照明装置数量、动力设备配置及室内设计参数等进行设定，人员在室率、照明使用率、设备使用率根据实际情况设定，发热功率、运行时间参考GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》、DB 37/5155—2019《山东省公共建筑节能设计标准》设定。空调房间、非空调房间室内设计参数、换气次数、热扰参数分别见表5、6。

表4 标准建筑围护结构热工参数

表5 空调房间室内设计参数、换气次数、热扰参数

表6 非空调房间换气次数、热扰参数

供冷期为5～9月，冷水机组制冷性能系数为5.1，设备容量满足建筑设计冷负荷。对空调系统进行全局设定后，在Energy System系统进行建筑能耗模拟定义，主要用于模拟计算照明装置、动力设备、生活热水装置、给排水系统、通风系统的用电量。采用制热性能系数为3.7的空气源热泵制备生活热水，每日供应时间为24 h，供水温度为65 ℃，人均热水用量为160 L/d。

② 模拟计算结果

由模拟计算结果可知，第2类高速服务区标准建筑年总能耗为43.82×104kW·h/a，能耗定额为112.28 kW·h/(m2·a)。其中，空调系统占36.82%，照明装置占28.58%，生活热水占17.50%。采用同样方法，对其他3类高速服务区建筑的技术定额法能耗定额进行计算，见表7。

表7 4类高速服务区建筑技术定额法能耗定额

由表3、7数据可知，由技术定额法计算得到的能耗定额先进值与由定额水平法计算得到的能耗定额先进值的相对误差在±10%以内。

为验证定额水平合理性，分析4类高速服务区建筑能耗强度样本分布，并进行用能水平通过率分析。用能水平通过率为能耗强度低于能耗定额约束值的样本量占总样本量的比例，用于验证能耗定额的选取是否合理。用能水平通过率越高，反映出选取的定额水平越合理。4类高速服务区建筑能耗强度样本分布分别见图2～5。

图2 第1类高速服务区建筑能耗强度样本分布

图3 第2类高速服务区建筑能耗强度样本分布

图4 第3类高速服务区建筑能耗强度样本分布

图5 第4类高速服务区建筑能耗强度样本分布

由图2～5可知，第1、2、4类高速服务区建筑能耗强度样本分布比较集中，且大多数落在能耗定额约束值与先进值之间。第3类高速服务区建筑能耗强度样本分布比较分散，主要是由于地理位置、功能定位、服务水平等导致能耗强度差异比较大，加之统计样本数量比较少，未能充分体现该类型高速服务区建筑的能耗强度。

第1～4类高速服务区建筑用能水平通过率分别为70.83%、73.17%、61.90%、71.88%。由用能水平通过率可知，第1、2、4类高速服务区建筑用能水平通过率均在70%以上，第3类高速服务区建筑用能水平通过率稍低，但仍在60%以上。

综合高速服务区建筑能耗强度样本分布、用能水平通过率计算结果，采用定额水平法编制高速服务区建筑能耗定额可行。对于山东省高速服务区建筑，能耗定额约束值、先进值定额水平分别选取0.30、0.80比较合理。

① 能耗强度随着高速公路服务区等级提升呈现显著增大的趋势。

② 采用定额水平法编制高速公路服务区建筑能耗定额可行。对于山东省高速公路服务区建筑，能耗定额约束值、先进值定额水平分别选取0.30、0.80比较合理。