淮南市居住建筑能耗影響因素研究

摘 要

摘要：通過(guò)問卷調(diào)查，對(duì)淮南市居住建筑能耗及其可能影響因素進(jìn)行了調(diào)查。通過(guò)相關(guān)分析，篩選出了淮南市居住建筑能耗的主要影響因素，采用多元線性回歸分析方法確定了淮南市居住建筑
摘要：通過(guò)問卷調(diào)查，對(duì)淮南市居住建筑能耗及其可能影響因素進(jìn)行了調(diào)查。通過(guò)相關(guān)分析，篩選出了淮南市居住建筑能耗的主要影響因素，采用多元線性回歸分析方法確定了淮南市居住建筑年能耗、單位建筑面積能耗影響因素回歸分析模型。居住建筑年能耗、單位建筑面積能耗均與家庭年收入正相關(guān)，與建筑類型負(fù)相關(guān)。
關(guān)鍵詞：居住建筑；建筑能耗；影響因素；多元線性回歸分析；逐步回歸法
Study on Factors Influencing Energy Consumption of Residential Buildings in Huainan City
PU Qingping，JIA Hongyuan，WU Xiaobo
Abstract：The energy consumption of residential buildings and its potential influence factors in Huainan City are investigated by questionnaires.The main factors influencing energy consumption of the residential buildings are screened by the corresponding analysis.The regression analysis models for the factors influencing the annual energy consumption of residential buildings and the energy consumption per unit building area are determined by multivariate linear regression analysis.The annual energy consumption of residential buildings and the energy consumption per unit building area are positively correlated with theannual family income and negatively correlated with the building type.
Key words：residential building；building energy consumption；influence factor；muhivariate linear regression analysis；slepwise regression
    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，建筑能耗在國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗中所占比例越來(lái)越高。在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的迫切要求下，提高能源使用效率、降低建筑能耗成為我國(guó)能源政策中的重要組成部分。在居住建筑節(jié)能領(lǐng)域，我國(guó)開展了大量的工作，取得了卓有成效的成績(jī)[1～9]。
    我國(guó)建筑數(shù)量巨大，且大部分都是高能耗建筑，建筑節(jié)能潛力非常大。為了更好地進(jìn)行節(jié)能工作，在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析研究建筑能耗的影響因素，掌握建筑能耗與主要影響因素之間的關(guān)系就顯得十分必要。居住建筑能耗與公共建筑能耗是民用建筑能耗的兩個(gè)部分。與公共建筑相比，居住建筑雖然功能單一，但受居民用能行為的影響，能耗的統(tǒng)計(jì)計(jì)算具有更大的不確定性，詳細(xì)計(jì)算的工作量和難度都很大，而實(shí)際調(diào)查則是一種比較直接、相對(duì)簡(jiǎn)單可靠的方法。本文在對(duì)淮南市居住建筑能耗調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)居住建筑能耗的影響因素進(jìn)行研究。文中涉及的居住建筑能耗僅指電耗。
1 研究背景
   對(duì)居住建筑能耗產(chǎn)生影響的因素很多，針對(duì)這些影響因素，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了很多基礎(chǔ)性的研究工作。
   美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)建筑能耗進(jìn)行了調(diào)查，主要目的是對(duì)既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，這種技術(shù)被稱為能源審計(jì)(Energy Audit)，涉及建筑類型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、用戶用能行為特征等方面的影響因素[10]。
    巴西在1997—1999年對(duì)12個(gè)州的17643戶居民的能源調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，冰箱、冷庫(kù)占到總耗電量的38%～49%，空調(diào)和電熱水器在夏季耗電量較高[11]。
   B.Halvorsen等人基于l976—1993年挪威年消費(fèi)支出調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究了導(dǎo)致挪威居住建筑電力需求增長(zhǎng)的原因，認(rèn)為其中50%是由于居住建筑數(shù)量的增長(zhǎng)，另50%是由于家用電器數(shù)量的增加、可支配收入的增加以及居住面積的增加。另外發(fā)現(xiàn)，電價(jià)的提高對(duì)用電量的影響不大[12]。
    印度在1989年對(duì)3座大城市居住建筑的炊事、熱水、照明、空調(diào)、娛樂、冰箱以及洗衣機(jī)能耗情況進(jìn)行了調(diào)查，在此基礎(chǔ)上提出要改善城市居住建筑能源的供應(yīng)和使用[13]。
    約旦能源和礦物資源部門在1997年對(duì)全國(guó)7120戶居民進(jìn)行了調(diào)查，以此來(lái)評(píng)價(jià)居住建筑能耗，并估計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能較差[14]。
    加拿大于1993、1997年分別進(jìn)行了兩次家庭用能的抽樣調(diào)查，目的是通過(guò)調(diào)查得到居住建筑末端用能分布、能源結(jié)構(gòu)、用戶用能行為所帶來(lái)的溫室氣體總排放量、能耗影響因素與發(fā)展趨勢(shì)，并在5年內(nèi)提交了加拿大照明用能、主要設(shè)備單位建筑面積能耗等18份報(bào)告，并以調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到了加拿大能耗趨勢(shì)估算公式[15]。
    M.Santamouris等人在2004年對(duì)希臘1110戶居民的經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況、能耗情況等進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查，得到了關(guān)于各種收入群的家庭生活質(zhì)量、方式、能耗支出方面的情況[16]。
    日本政府從1976年到2005年，對(duì)全國(guó)居住建筑進(jìn)行了4次大規(guī)模的調(diào)查，分析了建筑能耗與建筑面積、氣候條件、周邊風(fēng)環(huán)境等的關(guān)系[17]。
2 調(diào)研及相關(guān)分析
    ① 調(diào)研
    在居住建筑中，建筑能耗主要包括供暖空調(diào)、照明、家用電器、炊事熱水等終端能耗。而影響能耗的因素非常多，主要包括以下21個(gè)可能因素：建筑面積、建筑年代、家庭年收入、建筑類型、常住人口數(shù)量、電腦數(shù)量、電視數(shù)量、每天洗澡次數(shù)、降溫方式、供暖方式、熱水供應(yīng)方式、電腦開機(jī)時(shí)間、電視開機(jī)時(shí)間、每周用餐時(shí)間、洗澡方式、日供暖時(shí)間、日開啟空調(diào)時(shí)間、夏天空調(diào)開機(jī)情況、冬天供暖設(shè)備開機(jī)情況、冬季供暖溫度設(shè)定、是否及時(shí)關(guān)閉家用電器等。
    本次調(diào)查采用問卷調(diào)查方法，對(duì)淮南市2009年7月至2010年6月的建筑能耗情況進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查時(shí)間為2010年7—11月，考慮到淮南市的地理位置、居住建筑的特點(diǎn)及建筑年代，在淮南市中心及周邊區(qū)選取具有代表性的居民用戶進(jìn)行能耗狀況的調(diào)查。調(diào)查分兩步進(jìn)行，第一步對(duì)影響建筑能耗的21個(gè)因素進(jìn)行問卷調(diào)查；第二步到電力公司查詢每個(gè)家庭2009年7月—2010年6月的實(shí)際用電數(shù)據(jù)。
    調(diào)查過(guò)程中，由專門人員入戶發(fā)放問卷并向被調(diào)查者解釋問卷內(nèi)容，用戶當(dāng)面填寫，現(xiàn)場(chǎng)回收問卷。這種調(diào)查方式與調(diào)查者有直接交流，可親臨現(xiàn)場(chǎng)了解用戶所關(guān)注的問題，這對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)整理和分析有很大幫助，問卷的回收率也較高。最終收回有效問卷430份，問卷回收完畢進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及相關(guān)分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理時(shí)，針對(duì)每個(gè)影響因素進(jìn)行等級(jí)劃分，歸納不同等級(jí)下的建筑年能耗、單位建筑面積能耗。
    ② 相關(guān)分析
   相關(guān)分析是一種用于研究變量之間密切程度的統(tǒng)計(jì)方法，該方法通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)確定兩個(gè)變量間的線性相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)的變化范圍為[-1，1]，絕對(duì)值越大表明變量間線性相關(guān)程度越高。相關(guān)分析是多元線性回歸分析的基礎(chǔ)，可以對(duì)居住建筑能耗的主要影響因素進(jìn)行初步篩選從而確定多元線性回歸分析的自變量。將430個(gè)樣本的數(shù)據(jù)整理結(jié)果輸入SPSS(社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包)，分別對(duì)建筑年能耗(用因變量1，表示)、單位建筑面積能耗(用因變量P表示)與各可能影響因素(用白變量Xi表示)進(jìn)行相關(guān)分析。
    由SPSS得到的Y、P的顯著性影響自變量及相關(guān)系數(shù)分別見表1、2。
表1 由SPSS得到的Y的顯著性影響自變量及相關(guān)系數(shù)
自變量符號(hào)
白變量名稱
相關(guān)系數(shù)
X1
家庭年收入
0.310
X2
常住人口數(shù)量
0.296
X3
建筑面積
0.169
X4
建筑類型
-0.200
X5
每周用餐時(shí)間
0.177
X6
電腦開機(jī)時(shí)間
0.270
X7
日開啟空調(diào)時(shí)間
0.326
表2 由SPSS得到的P的顯著性影響自變量及相關(guān)系數(shù)
自變量符號(hào)
自變量名稱
相關(guān)系數(shù)
X1
家庭年收入
0.119
X2
常住人口數(shù)量
0.263
X3
建筑面積
-0.185
X4
建筑類型
-0.173
X5
每周用餐時(shí)間
0.152
X6
電腦開機(jī)時(shí)間
0.246
X7
日開啟空調(diào)時(shí)間
0.232
X8
降溫方式
-0.178
X9
供暖方式
-0.259
X10
熱水供應(yīng)方式
-0.417
3 多元線性回歸分析
    ① 多元線性回歸分析模型
    多元線性回歸分析是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，是根據(jù)多個(gè)自變量的最優(yōu)組合建立回歸方程來(lái)預(yù)測(cè)因變量的回歸分析方法。根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，可以初步確定能耗影響因素回歸分析模型。
    建筑年能耗影響因素回歸分析模型(以下簡(jiǎn)稱年能耗模型)為：
    Y=b0+b1X1+…+b7X7+e1    (1)
式中b0——回歸常數(shù)
    b1～b7——回歸系數(shù)
    e1——隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，表示除自變量以外的其他因素對(duì)因變量的綜合影響，本文對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)的數(shù)學(xué)期望值為0
    對(duì)于回歸系數(shù)，以回歸系數(shù)b1為例，表示在其他自變量不變的情況下，自變量X1變動(dòng)一個(gè)單位時(shí)，引起的因變量的平均變動(dòng)值。
單位建筑面積能耗影響因素回歸分析模型(以下簡(jiǎn)稱單位建筑面積能耗模型)為：
P=a0+a1X1+…+a10X10+e2    (2)
式中a0——回歸常數(shù)
a1～a10——回歸系數(shù)
    e2——隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，數(shù)學(xué)期望值為0
   ② 年能耗模型確定
   采用逐步回歸法對(duì)自變量的篩選(即自變量的引入/剔除)結(jié)果見表3。最終得到兩個(gè)有效模型，有效模型1只包含X1一個(gè)自變量，有效模型2包含X1、X4兩個(gè)自變量。
表3 年能耗模型自變量的篩選結(jié)果
有效模型編號(hào)
引入變量
剔除變量
1
X1
X2～X1
2
X1、X4
X2、X3、X5～X1
    有效年能耗模型擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)結(jié)果見表4，其中復(fù)相關(guān)系數(shù)R、判定系數(shù)R2、修正判定系數(shù)Ra2：是判定模型擬合優(yōu)度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，值越大線性回歸效果越顯著。估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差也是反映模型擬合優(yōu)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，值越大模型的擬合優(yōu)度越差。由表4數(shù)據(jù)可知，有效模型2的擬合優(yōu)度好于有效模型1。
表4 有效年能耗模型擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)結(jié)果
有效模型編號(hào)
R
R2
Ra2
估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差
1
0.310
0.096
0.094
1009.619
2
0.357
0.527
0.523
993.039
    采用F檢驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)有效年能耗模型的整體顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，兩個(gè)有效模型的整體顯著性水平均為0.000，說(shuō)明這兩個(gè)有效模型整體顯著性極佳。鑒于有效模型2的擬合優(yōu)度好于有效模型1，因此選擇有效模型2作為年能耗模型。
    采用SPSS得到的有效年能耗模型2的回歸常數(shù)、系數(shù)見表5。采用t檢驗(yàn)，對(duì)回歸常數(shù)、系數(shù)項(xiàng)的顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平均為0.000，這表明回歸常數(shù)、系數(shù)項(xiàng)顯著，因此模型中宜引入回歸常數(shù)、系數(shù)項(xiàng)。
表5 有效年能耗模型2的回歸常數(shù)、系數(shù)
回歸常數(shù)
b0
2105.6
回歸系數(shù)
b1
0.O1
b4
-664.074
由此，確定年能耗模型為：
Y=2105.6+0.01X1-664.074X4    (3)
式中Y——年能耗，kW·h/a
    X1——家庭年收入，元/a
    X4——建筑類型，分4種情況：多層、高層、平房、別墅，對(duì)應(yīng)變量值1～4
   式(3)表明，建筑年能耗與家庭年收入正相關(guān)，與建筑類型負(fù)相關(guān)。從回歸系數(shù)的絕對(duì)值來(lái)看，建筑類型對(duì)建筑年能耗的影響大于家庭年收入。
   ③ 單位建筑面積能耗模型確定
   單位建筑面積能耗模型自變量的篩選結(jié)果見表6。最終得到兩個(gè)有效模型，有效模型1只包含五一個(gè)自變量，有效模型2包含X1、X4兩個(gè)自變量。
表6 單位建筑面積能耗模型自變量的篩選結(jié)果
有效模型編號(hào)
引入變量
剔除變量
1
X4
X1～X3、X5～X10
2
X1、X4
X2、X3、X5～X10
    有效單位建筑面積能耗模型擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7數(shù)據(jù)可知，有效模型2的擬合優(yōu)度好于有效模型1。
表7 有效單位建筑面積能耗模型擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)結(jié)果
有效模型編號(hào)
R
R2
Ra2
估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差
1
0.152
0.023
0.O21
12.120
2
0.192
0.370
0.320
12.048
   采用F檢驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)有效單位建筑面積能耗模型的整體顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，兩個(gè)有效模型的整體顯著性水平分別為0.002、0.000，這說(shuō)明有效模型2方程的整體顯著性更佳。鑒于有效模型2的擬合優(yōu)度好于有效模型1，因此選擇有效模型2作為單位建筑面積能耗模型。
   采用SPSS得到有效單位建筑面積能耗模型2的回歸常數(shù)、系數(shù)見表8。采用t檢驗(yàn)，對(duì)回歸常數(shù)a0、系數(shù)項(xiàng)a1、a4的顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平分別為0.000、0.014、0.002，這表明回歸常數(shù)、系數(shù)項(xiàng)顯著，因此模型中宜引入回歸常數(shù)、系數(shù)項(xiàng)。
表8 有效單位建筑面積能耗模型2的回歸常數(shù)、系數(shù)
回歸常數(shù)
a0
24.845
回歸系數(shù)
a1
5×10-5
a4
-6.514
    由此，確定單位建筑面積能耗模型為：
    P=24.845+5×10-5X1-6.514X4    (4)
式中P——單位建筑面積能耗，kW·h/m2
   式(4)表明，單位建筑面積能耗與家庭年收入正相關(guān)，與建筑類型負(fù)相關(guān)。由于回歸系數(shù)絕對(duì)值差異，建筑類型對(duì)單位建筑面積能耗的影響大于家庭年收入。
4 結(jié)果分析
    淮南市居住建筑年能耗主要與家庭年收入正相關(guān)，與建筑類型負(fù)相關(guān)。單位建筑面積能耗主要與家庭年收入正相關(guān)，與建筑類型負(fù)相關(guān)。根據(jù)淮南市居住建筑能耗調(diào)研分析結(jié)果，家庭年收入是居住建筑能耗的重要影響因素，并且收入越高，能源消費(fèi)量也越大。
    在對(duì)影響因素進(jìn)行等級(jí)劃分時(shí)，將建筑類型劃分為多層、高層、平房、別墅4個(gè)等級(jí)，與建筑類型成負(fù)相關(guān)可以理解為當(dāng)建筑類型由多層向別墅變化時(shí)，建筑年能耗、單位建筑面積能耗將出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。這是由于目前淮南的別墅建筑擁有常住人口數(shù)量較少且大多為空置，而多層建筑數(shù)量龐大，且多為建筑年代較早的非節(jié)能建筑，因此出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
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(本文作者：蒲清平 賈洪愿 吳筱波 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)