既有社区能源系统改造综合评价体系研究

崔萍，王晓英，赵娣，刘峰，刁乃仁

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东 济南250101）

0 引言

发展绿色低碳城市社区，是实现既有社区绿色化改造的主要途径之一，是对既有社区能源利用技术的优化集成及节能改造，真正做到城市可持续发展，实现能源与经济、社会、环境的协调发展。既有社区能源规划对于推进社区能源的可持续发展、建立合理的社区能源结构、提高社区环境质量具有重要的意义，建立能源系统改造评价标准及综合评价体系是一个社区能源系统改造规划的前提和指导依据。

目前，既有建筑节能改造评价工作尚处于初级阶段，对其评价往往是包含在绿色建筑的综合评价体系中［1-2］，如《绿色建筑评价标准》［3］、香港建筑环境评估方法（HK-BEAM）［4］等。近几年我国已陆续出台了公共建筑及既有居住建筑的节能改造技术规范及规程，国外也不乏各种对不同类型建筑的节能改造评价指标体系的研究［5-7］。随着人们对居住社区环境、资源等问题的关注，国内外研究方向也开始逐渐由单体建筑节能改造向社区建筑群的节能改造转变［8］，但由于社区能源系统不同于单体建筑的能源系统，因此不能简单地用单体建筑的节能改造评价指标体系来评价社区范围内的能源系统［9］。

文章在对城市既有社区能源资源利用优化集成技术研究成果的基础上，参考已有单体建筑的节能改造评价指标体系，提出针对既有社区能源系统的改造标准及评价指标体系。此评价指标体系是既有社区能源系统改造规划的前提和基础，可有效解决我国大部分既有老旧社区能源系统存在的能耗高、设备老化、运行管理不当等问题。同时文章所提出的评价指标体系既可以对整个能源系统进行综合评价，也可以针对其中某个单项进行独立评价。

1 既有社区能源系统改造评价指标因子

社区建筑不同于单体建筑，社区建筑一般包括住宅建筑和公共建筑，公共建筑包括各种商场、办公楼、体育馆、医院、娱乐场所等。研究既有社区能源系统就是需要对社区内各类建筑的能耗进行统计分析。既有社区能源系统的改造是在确保社区居住环境舒适度的前提下，实现社区区域内能源供需平衡，确保能源系统的安全性、可靠性与稳定性，提高社区能源利用效率。比起之前只注重单体建筑的节水、节地、节能和节材，包括资源、能源、环境的属性，还包括适当的具有社会人文属性、经济属性的指标。

1.1 改造技术构成

社区能源系统改造的最终原则是降低整个能源系统的一次能源消耗量，提高设备设施的能效比。因此与社区能源供应与负荷需求有关的所有系统都要面临一系列的节能诊断及改造技术方案的优化。图1给出了城市社区能源供应与需求的系统图。

图1 城市社区能源供应与需求关系图

由图1可知，城市社区的能源系统主要包括集中供热系统、集中供冷系统、集中热水供应系统、供配电与照明系统和燃气输配系统。据统计，建筑总能耗主要来源于其内部的供热空调能耗，其中仅北方采暖能耗就占到建筑总能耗＞20%［10］。而影响建筑供热空调能耗的主要因素除了设备本身性能外，还与建筑围护结构热工性能以及能源系统的监控系统与运行管理有很大关系。因此，社区能源系统节能改造技术可从建筑围护结构改造，集中供热系统（主要包括供热，生活用热水）改造，集中空调系统的改造（供冷与通风），供配电与照明系统改造，燃气输配系统改造和能源监测与控制系统改造等方面进行归纳。

1.2 改造评价指标

由于城市社区的能源系统改造主要包括集中供热系统、集中供冷系统、供配电与照明系统、燃气输配系统和一个能源监测与控制系统改造等5大方面改造措施，以上述各项为影响社区建筑节能降耗的主要因素，提出了相应的评价指标。

1.2.1 集中供热系统改造评价指标

（1）单位建筑面积供热能耗节能率C11

社区单位建筑面积供热能耗（包括集中供暖与集中热水供应的能耗）应综合考虑不同建筑类型的能耗，研究采用加权平均的方法求单位建筑面积供热能耗：单位建筑面积供热能耗＝（非住宅供热总能耗+住宅供热总能耗）／（非住宅总面积+住宅总面积），则单位建筑面积供热能耗节能率由式（1）表示为

式中：N1为单位建筑面积供热能耗节能率，%；Qh，1为改造前单位建筑面积供热能耗，kg／m2；Qh，2为改造后单位建筑面积供热能耗，kg／m2。

（2）供热系统的可靠性与稳定性C13

热源供应系统的可靠性是供热企业持续供热能力的体现，稳定性是供热企业在负荷变化时持续满足用户需求的特性。二者的评价可用热源供应系统故障次数与冬季供热室内温度超出该地区规范标准推荐区间的次数之和体现，由式（2）表示为

式中：N2为供热系统的可靠性与稳定性；λ1为供热系统故障次数；μ1为冬季供热室内温度超出该地区规范标准推荐区间的次数。

1.2.2 集中供冷系统改造评价指标

（1）单位建筑面积供冷能耗节能率C21

该指标之所以区别于集中供热而单独提出，主要是考虑到不同气候区对供热与供冷的需求不同，能耗标准也不同，因此在评价体系中所占的权重也略有不同。

社区单位建筑面积供冷能耗应综合考虑不同建筑类型的能耗，在此采用加权平均的方法求单位建筑面积供冷能耗：单位建筑面积供冷能耗 ＝（非住宅供冷总能耗 +住宅供冷总能耗）／（非住宅总面积+住宅总面积），则单位建筑面积供冷能耗节能率由式（3）表示为

式中：N3为单位建筑面积供冷能耗节能率，%；Qc，1为改造前单位建筑面积供冷能耗，kg／m2；Qc，2为改造后单位建筑面积供冷能耗，kg／m2。

（2）空调系统的可靠性与稳定性C22

集中供冷系统的可靠性与稳定性指标类似于集中供热系统的指标C12，即用集中供冷系统年故障次数与夏季室内温度超出该地区规范标准推荐区间的次数之和体现，由式（4）表示为

式中：N4为空调系统的可靠性与稳定性；λ2为年集中供冷季系统故障次数；μ2为夏季室内温度超出该地区规范标准推荐区间的次数。

1.2.3 供配电与照明系统改造评价指标

（1）单位建筑面积照明节电率C31

单位建筑面积照明节电率是指既有社区能源优化改造前和改造后单位建筑面积节电量差值与改造前单位建筑面积照明耗电量的比值，在总体照明耗电量方面给予评价。单位建筑面积照明耗电量 ＝公共建筑单位建筑面积照明耗电量 +居住建筑单位建筑面积照明耗电量，则单位建筑面积照明节电率由式（5）表示为

式中：N5为单位建筑面积照明节电率，%；P1为节能改造前单位建筑面积照明耗电量，kWh／m2；P2为节能改造后单位建筑面积照明耗电量，kWh／m2。

（2）供电系统可靠性与稳定性C32

供电系统可靠性是供电企业持续供电能力的体现，供电系统稳定性是供电企业在负荷变化时连续满足用户需求的特性。为了更加客观地反映社区实际电能的利用情况，定义供电系统可靠性与稳定性指标，即用全年供电系统故障次数与全年室内电压超出规范标准推荐区间的次数之和体现，由式（6）表示为

式中：N6为供电系统可靠性与稳定性；λ3为全年供电系统故障次数；μ3为全年室内电压超出规范标准推荐区间的次数。

1.2.4 燃气系统改造评价指标

（1）人均燃气节气量C41

人均燃气用量可以反映燃气能源的消耗水平，计算方法为社区总的燃气用量除以社区总人口。对于社区燃气系统改造的效果评价可以采用社区人均用气节气率由式（7）表示为

式中：N7为人均用气节气率，%。

（2）气源供应可靠性C42

供气时各部件及各部件之间连接的完整性决定了燃气的供气能力。供气能力可靠性则由实际供气量V与规定供气量V0的比值来定义，由式（8）表示为

式中：N8为气源供应可靠性；V为实际供气量，m3；V0为规定供气量，m3。N8值越大可靠性越高，而其值越小说明系统故障率越高。

1.2.5 既有社区用能结构优化及效率评价指标

（1）可再生能源利用率 C51

根据社区建设的实际情况，可再生能源主要包括太阳能和地热能，部分社区可能包含风能和生物质能。可再生能源在社区内利用率由式（9）表示为

式中：N9为可再生能源利用率，%；QRi为第i种可再生能源利用总量，GJ；Q为整个既有社区内能源消耗总量，GJ。

（2）余热资源利用率C52

余热资源利用率是指既有社区能耗中余热资源使用总量所占整个既有社区总能耗的比例，可以反映整个既有社区能源系统中余热资源的利用情况，计算方法由式（10）表示为

式中：N10为余热资源利用率，%；Qwi为第i种余热资源利用总量，GJ；Q为既有社区内能源消耗总量，GJ。

（3）一次能源利用率C53

一次能源利用率是指被评既有社区能源系统采用一次能源系统输出能量（即社区所需能源负荷累计值）与其消耗的一次能源总量的比值，能够直接反应设备对一次能源的利用率，还能反应设备在能源不完全使用情况下对环境的影响，是考察设备全生命期对环境影响的重要参数之一，如燃煤锅炉和燃气锅炉的一次能源利用率，水源热泵和地源热泵等高能效、宜推广的热泵技术以及太阳能、风能等其他可再生能源技术，都可以考察其一次能源的利用率，以进一步提高整个系统的效率。计算方法由式（11）表示为

式中：N11为一次能源利用率，%；Qt为既有社区采用一次能源的用能设备终端年累计消耗的能量，GJ；M为既有社区用能设备年累计消耗的一次能源总量，GJ。

1.2.6 既有社区能源系统管理水平评价指标

（1）能源监测与控制系统 C61

能源监测与控制系统评价指标是将建筑物内的用能设备的用能情况进行实时监测、集中管理、分散控制，从而将各用能设备的能耗降低，节约运行费用。

（2）系统运行管理措施C62

在既有社区通过对能源管理体系的完善，实现在实施和管理阶段的联动控制。在实施阶段采取人的行为节能和分户计量等节能措施，从源头上减少对能源不必要的使用；在管理阶段可以进一步完善对用能设备的监测控制，对能源进行审计，组织能效计量与测试，管理内部要自我审核、自我评价，不定期组织节能技改和节能考核，保持能源管理体系的有效性和先进性，实现能源管理方针和承诺，并达到预期的能源消耗或使用目标。

1.2.7 居民满意度评价指标

（1）室内舒适度C71

针对既有社区热湿环境评价，文章采用PMV-PPD评价指标确定等级。

PMV值是反映人体冷热感的评价指标，表示了大多数人对同一环境平均的冷热感觉。当人体的产热量等于散热量时，人体处于热平衡状态，由式（12）表示为

式中：M为人体新陈代谢率，%；Q′为热舒适系统的能量传输率，%。

PPD指数为预计处于热环境中的群体对于热环境不满意的投票平均值，表示人群对热环境不满意的百分数，由式（13）表示为

PPD指标表示人群对热环境不满意的百分数。运用概率分析方法，得出PMV与PPD之间的定量关系。通过统计大样本情况下PMV指标的数据，得出PPD指标，综合2指标特点即为文章采用的PMV-PPD评价指标。

（2）居民对改造过程及效果满意度C72

文章选取居民对既有社区能源系统改造过程及结果的满意度这一指标作为既有社区能源利用的综合评价指标之一，主要通过问卷调查获取居民满意度，调查问卷中设置非常不满意、不满意、一般、满意、非常满意5档。

1.2.8 经济回收期C81

为使评价体系更简单实用，文章采用静态经济回收期作为评价指标。静态经济回收期广义上来讲就是投入的资金／每年的收益，目前我国积极推行节能减排政策，很多项目的改造都会有相应的经济补助，因此经济回收期的计算还需要考虑政府激励政策。当政府一次性补助投资时，由式（14）表示为

式中：T1为投资回收期，年；Y1为能源系统改造总初投资，万元；Y2为政府总补贴，万元；R1为能源系统改造前年运行费用，万元；R2为能源系统改造后年运行费用，万元。

当政府按年减排量进行补贴时，由式（15）表示为

式中：T2为投资回收期，年；R3为减排任务达标所获得的年补助，万元。

2 既有社区能源系统改造综合评价指标体系构建

既有社区能源系统的改造及优化可有效地实现对能源需求的管理和梯级的对口利用，从而体现出经济合理、高效节能、运行可靠、控制灵活、低碳环保的优点，但既有社区能源系统中所具有的各个能源系统在实际应用中的表现差别很大，究其原因主要受冷、热、电的需求和结构、能源供应的价格、当地政策及可再生能源的利用潜力等各种复杂因素的影响，且各能源系统模式都有其各自的优点和适用条件，故通过对既有社区能源系统评价指标的研究，建立既有社区能源系统评价方法体系是十分必要的。既有社区能源系统的改造是一项涉及到技术，经济，环境与公众参与等多方面因素的系统工程。评价指标体系应作为社区能源改造的引导，应从技术、经济，环境及社会效益等多渠道对社区采取的节能改造技术方案和改造措施，以及改造后的效果进行综合评价。因此，该评价指标体系采用层次指标综合评价体系。

模糊综合评价是一种综合评价的方法，以模糊数学为基础，将一些不易定量的因素定量化［11-12］。为解决既有社区能源系统评价指标存在的模糊现象和模糊概念的问题，通常运用模糊综合评价的方法对这些定性化指标进行定量化处理［13-16］。多层次模糊综合评判法首先是根据社区能源系统改造项目的实际特点建立评价因素指标体系，然后将所涉及的评价影响因素按照各自属性划分为若干个因素；评价方法依照由低层次向高层次递增的顺序，先对每一个大因素进行初层次的综合评价，得出评价结果，再进行各大因素间的综合评价，使其结果既定量化又符合项目的实际。在此基础上再对各大因素所得的评价结果进行大因素间的更高层次的综合评价，最终得到一个既定量化又较符合实际的评价结果。

2.1 综合评价体系的构建

针对既有社区能源系统的复杂性与多样性，文章将采取多层次结构与模糊综合评价的方法对既有社区能源系统的改造进行评价。整个评价体系将首先以既有社区能源系统改造评价的总目标作为目标层（A）；以既有社区能源系统节能降耗的各影响和评判因素作为准则层（B）；以各具体评价指标作为指标层（C）。

由于既有社区的能源系统改造主要包括集中供热系统、集中供冷系统、供配电与照明系统、燃气输配系统和一个能源监测与控制系统等5个方面的改造措施。以上述改造单项为影响社区建筑节能降耗的主要因素，作为基本准则层。考虑到既有社区用能对环境的影响，体现环境效益，增加了既有社区用能结构与效率这一基本准则层；同时又考虑到改造后效果及经济效益，增加了居民满意度与经济回收期两个准则层。指标层为评价指标体系的最底层，是对准则层的细化，是对既有社区建筑节能降耗影响因素更明确的表达，因而指标层 C是体系的基本元素。

针对每一个单项，从能源改造管理效果，经济、技术和环境效益等不同方面建立不同的评价指标，每个准则层下包含能够有效反映出能源改造之后能源利用效率，经济效益，以及室内热环境等多个不同评价指标。给出了不同准则层所包含的具体指标，为构建标准体系奠定基础。既有社区能源系统改造的指标评价体系，见表1。

表1 既有社区能源系统改造的指标评价体系表

2.2 评价指标评分等级准则的确定

文章提到的评价体系主要用于评价节能改造效果，因此评价标准各指标的分值等级将以改造前后节能效果与经济效益为主要评价依据，同时参考现行国家相关节能改造标准。

既有社区能源系统改造评价指标体系8类准则的总分值均为100分。每一类准则又包含各自的指标，首先需要把每一类准则所包含的指标的分值进行等级划分。对于定量指标，各指标评定等级根据特性划分等级，再根据各等级对应的分数进行打分，对于定性指标的评判主要是采取专家咨询的方法，设立类似优、良、中、差等不同等级进行评分。根据各指标所包含的内容完成的程度划分不同的层次，并给予不同的分值。每一个指标的分值满分均为100分。采用层次分析法确定每类准则指标的权重。采用专家咨询的方法，以确定同一层次2因素之间的相对重要程度。

利用加权平均法，可计算第i类准则层的得分，由式（16）表示为

式中：Bi为第i类准则得分；Cij为第i种准则中第j个指标的分值；Wij为第i种准则中第j个指标的权重。

当8项准则各自的得分确定后，再由层次分析法结合专家咨询法给这8项准则赋予不同的权重。整个既有社区能源系统改造的综合得分，由式（17）表示为

式中：A为整个既有社区能源系统改造综合得分；Wi为第i种准则的权重。注意：如果某个准则或其中某个指标不参与既有社区能源系统改造，则在上述加权平均值中不体现该指标及其权重。

2.3 综合评价等级的确定

基于对上一节的8项准则一级综合评判的分析，各评价指标将不同程度地影响改造结果。因此二级综合评判应先确定8项评价准则对目标层的权重分配。利用专家打分法确定各准则在目标层中所占权重。课题组以寒冷地区既有社区能源系统改造为案例，邀请了专家进行评价准则打分。考虑到评价体系涉及能源应用领域较多，分析过程既涉及理论计算，涵盖工程经验，因此综合考虑，共邀请了10位专家为该评价体系打分计算权重。其中能源应用类专家有8位，工程经济管理专家有2位。邀请专家中有4位来自高校，4位来自科研院所，2位来自企业。10位专家均在建筑节能行业有着深厚的理论基础及丰富的工程应用经验。在经过10位专家打分及计算权重后，发现既有社区能源改造的经济性指标评价为评价体系最重要准则，而在寒冷地区建筑能耗主要来自供热空调系统，因此供热空调系统的改造在评价体系中仅次于经济性指标。既有社区能源系统改造的综合评价的判断矩阵构造及各准则层的权重计算，见表2。

表2 准则指标的相对权重表（以寒冷地区为例）

由表2知，判断矩阵一致性指标比率CR＜1，可以接受，因此这8项评价准则关于能源改造系统综合评价的权重。

根据各准则层对上一级目标层的权重与各指标层对其所在准则层的权重，以我国北方地区为案例，可以计算出各指标在整个评价体系中所占的综合权重，见表3。

表3 评价指标综合权重表

通过准则层的权重分配可知，经济性指标的综合权重占到0.29。根据加权平均法来计算综合评价分值，并根据分值将既有社区能源改造综合评价分为优、良、中、及格、不及格5个级别，见表4。

表4 既有社区能源系统改造综合评价等级表

2.4 案例分析应用

根据文章提出的既有社区能源系统改造评价方法，对济南市某一工业区内的既有老旧社区的节能改造效果进行分析和评估。该项目对集中供热系统的热源、换热站、管网等进行节能改造，对换热站进行汽改水，减少了蒸汽的跑冒滴漏的热损失，同时采用变频技术降低了循环泵的电耗；改造后增加了工业余热资源的利用率，同时完善了集中能源监控平台、输配管网监测，并联网运行良好，监测数据完善，有必要的预警系统，控制策略达到预期效果，居民满意度高，节能节钱效果很明显。通过对改造前后的运行数据的对比分析，以及现场问卷调查等方法，在该既有社区的改造中，集中供热系统改造后的最终分值为82.5分，社区用能结构及效率优化改造后的最终分值为96分，社区能源管理水平改造后的最终分值为87.75分，居民满意度评价的最终分值为71分，经济性评价为90分。根据各指标的权重，可计算得综合评判结果得分为87.4分，社区能源系统改造评价等级为良。

3 结论

通过研究得到以下结论：

（1）影响既有社区建筑节能降耗的主要因素有集中供热系统，集中供冷系统，供配电与照明系统，燃气输配系统和能源监测与控制系统等5个方面，提出了单位建筑面积供热能耗节能率、供热系统可靠性与稳定性、经济回收期等16个评价指标。

（2）建立了既有社区能源系统改造综合评价体系，由1个以既有社区能源系统建筑用能现状评价体系为目标层，下设系统改造、社区用能结构及效率等8个准则层，以及包括16个评价指标的指标层。

（3）根据以我国北方地区为案例建立的社区能源系统改造评价方法，通过准则层的权重分配可知，经济性指标的综合权重占到0.29。

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