包含制冷、空调和采暖的我国住宅建筑能耗强度特征

2022-01-15王云鹏那威田亚鹏田甜

制冷 2021年4期

王云鹏，那威，田亚鹏，田甜

（1. 中国制冷学会，北京，100142；2. 北京建筑大学，北京，100044；3. 北京兴创投资有限公司，102600）

0 引言

“十三五”期间国家实行能源消耗总量和强度“双控”政策，节能减排成为我国未来发展的重点解决目标。近年来，国家对超低能耗建筑的建设予以政策支持和资金补贴，“十四五”更是将“碳中和，碳达峰”纳入主要实现目标，推动建筑节能，实现绿色发展是实现“双碳”目标的重要技术手段。在全国建筑业总产值中，建筑能耗占有相对而言比较大的比值，2018年全国建筑全过程能耗为21.47亿吨标准煤，约占全国总能源消耗的约35%左右［1］。而其中采暖和空调能耗已占到建筑总能耗的55%左右。面对如此严峻的国际能源和环境问题，如何采用科学的统计分析方法量化特定区域（某个城市或国家）宏观集中供热制冷能耗、规模及其强度已成为一个迫切需要解决的技术难点，建立起区域建筑能耗强度统计方法学以及建筑能耗强度基准和定额研究，能够对核查区域建筑节能目标提供定量数据支撑。

如今国内外的许多研究进单方面针对建筑能耗或面积的统计方法和趋势性分析，又或只针对空调或采暖的单项能耗统计分析。例如，刘兆勇建立“按需求驱动的”MAKRAL模型，然后利用模型对重庆市的空调工程，建筑节能等问题进行了阐述［2］。蒲清平借助SPSS软件，建立居住建筑能耗预测的多元线性回归模型，并进行验证［3］。王竹通过建立房屋建筑面积预测模型，对我国江苏省经济社会发展和人口及家庭结构规模等各方面进行研究，得出我国家庭住房套型面积发展趋势的影响因素的分析结果［4］。Piotr Benduch提出一种基于建筑物几何描述的多变量计算房屋使用面积的方法，并研究可以影响其变化的相关影响因素［5］。现缺少对于建筑能耗强度，即单位面积的建筑能耗的动态研究，针对对象为全国及分省的住宅建筑能耗强度全时间序列的研究。

本文以我国住宅建筑能耗强度为研究对象，结合我国近年来住宅建筑能耗强度特征的变化，采用结构方程模型分析我国经济基础、土地供给、人口总量和节能水平的变化，选取房地产住宅建筑投资额、居住类城市居民消费价格指数、城镇化率、年末实有人口、能源消费弹性系数作为我国住宅建筑能耗强度特征模型的解释变量，采用多元线性回归分析方法建立我国住宅建筑能耗强度特征模型，并进行实证，验证其可行性，为我国建筑能耗管理提供数据基础和理论依据。

1 研究方法及特征结果

1.1 住宅建筑能耗强度

住宅建筑能耗强度，即单位面积的住宅能源消费量，

即：

1.2 住宅建筑面积数据来源及计算方法

1.2.1 镇住宅建筑面积数据来源及计算方法

城镇住宅建筑面积的数据和计算方法参照文献［6］和［7］，通过《中国统计年鉴》、《建筑业企业统计年鉴》、《中国城市建设统计年鉴》相关建筑数据得到2001-2006的城镇住宅建筑面积和城镇住宅建筑竣工面积的累加值，构建G函数：

将2007-2016年城镇住宅建筑竣工面积累加值输入G函数，则可以得到全时间序列的城镇住宅建筑面积。

1.2.2 农村住宅建筑面积数据来源及计算方法

与城镇相比，农村住户调查不存在大量集体户和租房群体的问题，其调查得到的农村人均居住建筑面积能够客观的反映农村建筑总量情况。因此，通过查阅《中国统计年鉴》中的农村住宅建筑面积根据农村人口和人均居住建筑面积计算得到，计算公式为：

农村住宅建筑面积=农村人口总量×农村居住人均住宅建筑面积（4）

1.3 住宅建筑能耗数据来源及计算方法

住宅建筑能耗的数据来源及计算方法参照文献［8］，根据历年《中国统计年鉴》中的能源平衡表中的相关建筑能耗作为基础量，在此基础上进行能耗修正，最终得出全时间序列的住宅建筑能耗。修正如下：1）扣除其中交通能耗Etrans，tce；2）供暖能耗修正Eheat， tce；3）加上其他部门建筑能耗Eother， tce。

计算公式如下：

式中E为住宅建筑能耗，tce；Ebase为住宅建筑能耗基础量，tce。

1.4 计算结果及能耗强度特征变化

2001-2016年我国住宅建筑能耗特征计算结果如下：

表1 2001-2016我国住宅建筑能耗特征

中国住宅建筑能耗强度存在阶段性变化的特点：“十五”期间逐年快速增长，自2001年的7.08kgce/m2上升到2005年的9.06kgce/m2，年平均增长6.34%；在“十一五”前期住宅建筑能耗强度依然维持着加速增长趋势，而从2007年达到9.99 kgce/m2之后，到2013年都维持在一个相对稳定的水平，平均住宅建筑能耗强度为10.00 kgce/m2；“十二五”后期以及“十三五”前期则出现下降趋势，截止到2016年我国住宅建筑能耗强度为8.95kgce/m2。

图1 全国住宅建筑能耗强度发展变化

2 住宅建筑能耗强度特征的解释变量选取

本文通过国内外相关的研究成果采取结构方程模型着重分析影响我国住宅建筑能耗强度的四大宏观因素：经济发展状况、土地利用情况、人口总量、住宅建筑节能水平，然后选取其中合适的解释变量。

2.1 选取方法

本文采取结构方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）分析被解释变量（我国住宅建筑能耗强度）与解释变量之间的关系［6］。SEM模型具有同时处理多个相关因变量的特点。住宅建筑能耗强度作为一个涉及多主体、关系复杂的被解释变量，采用SEM模型对解析其解释变量是高效且有益的。本文结合国内外能耗特征研究现状以及“十二五”前后能耗强度特征的变化，采用结构方程模型分析我国经济发展状况、土地利用情况、人口总量、节能水平对我国住宅建筑能耗强度的影响，选取合适的解释变量。

2.2 解释变量选取及分析

图2 全国住宅建筑能耗强度解释变量框架分析

（1）经济基础。经济越发达的地区，人们对房间舒适性以及空间要求更高，所以需要更多的制冷空调采暖、电子照明以及娱乐设备等等，从而增加建筑能耗强度。

（2）土地供给。土地供给的最直接表现形式体现在城镇化率上，由于城镇和农村的土地规划不相同，所以对于住宅建筑面积的占比也会出现差异。一般来说，由于城镇与农村的能源利用率（如表）不同，所以会导致两者的住宅建筑能耗强度出现差异。因此，推动城镇化率的行为会使得当地的住宅建筑能耗强度直接发生变化。

图3 城镇住宅建筑总能耗与城镇人口关系

（3）人口总量：人口总量的增长直接加大了人们对于住宅建筑的需求，从而影响住宅建筑能耗强度。

（4）节能水平：如今能源紧缺以及全球变暖等问题，使得如今住宅建筑往被动式低能耗建筑发展。国家还对家用电器的能效标准做了严格的限定，并出台了许多能效补贴政策鼓励人们购买高能效电器，如一级能效的空调、冰箱等。现今人们的节能意识越来越高，愈发趋向于居住在节能环保的住宅里，并且非常关注日常的节能行为。

结合相关文献，综合分析情况，本文就我国经济基础、土地供给、人口总量、节能水平这四项宏观影响因素分别选取房地产住宅建筑投资额、居住类城市居民消费价格指数、城镇化率、年末实有人口、能源消费弹性系数作为我国住宅建筑能耗强度特征模型的解释变量。

3 多元线性回归分析

3.1 分析方法

多元线性回归指有多个解释变量的线性回归模型，用于揭示被解释变量与其他多个解释变量之间的线性关系，数学模型为：

3.2 多元线性回归计算

选取2001-2016我国住宅建筑能耗强度以及各解释变量（来源于历年中国统计年鉴以及国家统计局发布的历年数据）进行多元线性回归分析，结果如下：

表2 解释变量回归系数

由表可知，城镇化率、房地产住宅建筑投资额和年末常住人口的VIF均超过了10，证明三者存在较强的相关性，则该多元线性方程的自变量存在多重共线性。考虑用主成分分析法解决多重共线性。

3.3 主成分分析法解决多重共线性

（1）对解释变量进行主成分分析

表3 总方差表

得到了五个主成分的初始特征值，其中数字相对而言比较大的是3.643，最低值是0.001，对于前两个因子而言，这两者的累积贡献率可以达到96.477%，故而，对于该模型造成影响的因素应为前两个因子之和，故提取前两个主成分。

（2）利用因子分析结果进行主成分分析

分别计算两个主成分T1和T2的标准化数据，得到如下方程：

3.4 多元线性回归分析以及模型的建立

将我国住宅建筑能耗强度与T1和T2进行多元线性回归分析，得到如下结果：

由表4可知，R的数值为0.984，在其取值范围（0, 1）内，证明线性回归关系密切。R2为0.968，表明所建立的回归模型效果优良。调整R2为0.863，小于R2，且数值较大，说明模型拟合度较好。由表5可知F0.05计算值为9.132＞F0.05值，可知方程的回归效果高度显著，且 Sig ＜ 0. 05，说明明显具有统计学意义，可以作为预测方程。

表4 回归模型汇总

表5 方差分析

表6 我国住宅建筑能耗强度回归系数

由表可知该住宅建筑能耗强度回归方程为：

3.5 回归检验

根据2007-2016年各驱动因素计算出住宅建筑能耗强度，并与实际值比较，得出下图：

图4 我国住宅建筑能耗强度计算值与实际值

可知，住宅建筑计算能耗强度与实际值的相对偏差值最大在2002年，相对偏差达到了9.40%＜10.00%，2001-2016平均偏差为4.30% <5.00%，证明该模型的准确性。

4 我国住宅建筑能耗强度特征模型的实证

通过《中国统计年鉴2017》以及国家统计局发布的2017年相关数据，可以得到解释变量相关值，并应用我国住宅建筑能耗强度特征模型，得出2017我国住宅建筑能耗强度计算值，并利用文中介绍的住宅建筑能耗及面积的计算方法算出2017年住宅建筑能耗强度实际值进行对比。

表7 我国住宅建筑能耗强度回归系数

由上表可知，通过我国住宅建筑能耗强度预测模型预测的住宅建筑能耗强度计算值为9.15kgce/m2，与实际值相差0.13kgce/m2，相对误差为1.5%，证明该住宅建筑回归模型能够可以准确预测未来的住宅建筑能耗强度，并且可以通过对五类解释变量的未来发展情况的预测，掌握住宅建筑能耗强度的未来发展趋势以及变化范围，从而为国家调控住宅建筑宏观能耗提供数据基础和理论支持。