楊云春，易 浩，彭 赟，漆晨宇，李峻雄，剛文杰(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

1 概述

因人員密集、功能多樣化、利用率高，高校建筑能耗比較高[1]。宿舍作為高校學(xué)生學(xué)習(xí)生活的重要場所，其能耗占有相當(dāng)比例。隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的高校宿舍安裝了空調(diào)設(shè)備，在提高學(xué)生舒適度的同時(shí)，也導(dǎo)致建筑能耗大幅上升。因此，分析研究宿舍能耗的影響因素，有助于建設(shè)節(jié)約型校園。

建筑能耗除了受空調(diào)設(shè)定溫度、開啟時(shí)間等用戶用能行為的影響外[2-3]，房間朝向、樓層高度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、室外氣象條件等客觀因素的影響也不容忽視[4]。文獻(xiàn)[5]采取單因素分析法，確定了朝向、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)成都住宅建筑能耗的影響，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與建筑能耗模擬相結(jié)合的方法確定了外窗類型及外墻傳熱系數(shù)是影響住宅能耗的主要因素。文獻(xiàn)[6]采用能耗模擬軟件DeST-h，比較在不開空調(diào)情況下各個(gè)房間內(nèi)的溫度，發(fā)現(xiàn)不同樓層的房間之間、同一樓層不同朝向的房間之間均存在規(guī)律性的空調(diào)負(fù)荷差異。文獻(xiàn)[7]利用能耗模擬軟件PBECA，分析了建筑遮陽形式、遮陽板尺寸和建筑朝向?qū)ㄖ旯├涔┡芎牡挠绊懀⒌贸鲎罴逊桨?。文獻(xiàn)[8]采用建筑物能耗分析軟件DOE-2，對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的不同朝向典型居住建筑總能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)南北向的建筑能耗比東西向低15%左右。文獻(xiàn)[9]基于參數(shù)化平臺(tái)Grasshopper的建筑能耗模擬軟件Ladybug Tools，對(duì)建筑模型進(jìn)行了一系列模擬，分別得到在不同朝向、太陽得熱系數(shù)(SHGC)、窗墻比等參數(shù)影響下建筑的供冷供暖能耗。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用度日法、溫頻法以及能耗模擬軟件DeST-h，以青島市某建筑為例，研究了同一城市不同區(qū)域的室外溫度影響下的能耗情況，并提出一種建筑能耗預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[11]分析了室外氣象條件、用戶空調(diào)行為模式與空調(diào)能耗的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)室外氣象條件不僅對(duì)冷負(fù)荷產(chǎn)生影響，還通過影響室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)人體熱感覺起作用，從而影響用戶空調(diào)行為，最終對(duì)住宅能耗產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[12]通過分析節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的能耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)性別、學(xué)歷對(duì)宿舍能耗影響很大。

房間的樓層、朝向直接影響宿舍冷熱負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致即使在相同用戶用能行為模式下，仍產(chǎn)生不同能耗及電費(fèi)。若忽略該差異，對(duì)高校宿舍空調(diào)電費(fèi)采取統(tǒng)一計(jì)價(jià)方式，對(duì)住在高負(fù)荷宿舍的學(xué)生有失公平，且不利于調(diào)動(dòng)用戶的節(jié)能積極性[13]。因此，有必要量化分析房間的朝向差異對(duì)供冷供暖能耗的影響，并提出更為合理靈活的電費(fèi)計(jì)價(jià)機(jī)制。本文通過收集武漢(夏熱冬冷地區(qū))某高校宿舍區(qū)480個(gè)房間1年的日用電量，分析宿舍用電量的特征及主要影響因素，提出電費(fèi)計(jì)價(jià)原則。

2 研究方法

① 數(shù)據(jù)收集

在武漢某高校宿舍區(qū)選取20幢宿舍樓，其中男生宿舍15幢，女生宿舍5幢。宿舍典型平面布置見圖1。每幢樓分別選取底層(1層)、中間層(4層)、頂層(6層)的各8個(gè)房間(圖1中的黑色圓點(diǎn)所在房間)，共480個(gè)監(jiān)測(cè)房間。采用電能表計(jì)量各房間2018年7月3日至2019年7月2日整1年的用電量。暑假：2018年7月7日至9月2日，寒假：2019年1月18至2月17日，寒暑假部分房間仍有在校生。

圖1 宿舍典型平面布置

② 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為排除監(jiān)測(cè)房間為功能用房，對(duì)房間日用電量異常高的數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)計(jì)算得到的房間日用電量閾值進(jìn)行剔除。即當(dāng)房間日用電量高于房間日用電量閾值時(shí)，便將其從數(shù)據(jù)集中剔除，對(duì)于房間日用電量為零的房間也進(jìn)行剔除。房間日用電量閾值E的計(jì)算式為：

(1)

式中E——房間日用電量閾值，kW·h

qL,s——單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)，W/m2

A——房間平均面積，m2

t——空調(diào)日平均使用時(shí)間，h

ICOP——熱泵型分體式空調(diào)器制冷性能系數(shù)

E0——過渡期最大日用電量，kW·h

考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷以及宿舍內(nèi)人員、照明裝置、設(shè)備發(fā)熱量，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)取120 W/m2。房間平均面積為17 m2，空調(diào)日平均使用時(shí)間取15 h。供冷期，熱泵型分體式空調(diào)器的平均制冷性能系數(shù)取3.0。分析實(shí)測(cè)用電量可知，過渡期最大日用電量為4 kW·h。將已知參數(shù)代入式(1)，可得到房間日用電量閾值為14.2 kW·h。由于單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)高于單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)，且平均制熱能效比與平均制冷性能系數(shù)接近，因此供暖期房間日用電量閾值也取14.2 kW·h。下文中的分析均采用經(jīng)過預(yù)處理后的有效數(shù)據(jù)。

③ 影響因素及顯著性評(píng)價(jià)

房間日用電量影響因素選取室外溫度、用戶性別、朝向、樓層。采用協(xié)方差分析方法，量化用戶性別、朝向、樓層對(duì)供冷期、供暖期房間日用電量影響的顯著程度。協(xié)方差分析排除協(xié)變量(難以人為控制的因素)的影響，分析可以控制因素的影響，基本思想與一般的方差分析相同。為了排除室外溫度的影響，將室外溫度設(shè)為協(xié)變量，用戶性別、朝向、樓層設(shè)置為固定因子，房間日用電量設(shè)置為因變量，通過F值判斷各固定因子對(duì)因變量影響的顯著程度[14]。

由于該校對(duì)空調(diào)開啟時(shí)間沒有嚴(yán)格規(guī)定，因此選取2019年6月3日—7月2日作為供冷期代表月(共計(jì)30 d，以下簡稱供冷月)，選取剔除寒假的2018年12月31日—2019年1月17日、2019年2月18日—3月1日作為供暖期代表月(共計(jì)30 d，以下簡稱供暖月)。

3 結(jié)果分析

3.1 全年用電量特征

房間日均用電量(監(jiān)測(cè)期間具有有效數(shù)據(jù)房間的單日平均用電量)、日均室外溫度隨時(shí)間的變化見圖2。由圖2可知，房間日均用電量有著明顯的季節(jié)性差異，供冷月、供暖月房間日均用電量比較高，供冷月高于供暖月。該高校地處夏熱冬冷地區(qū)，在監(jiān)測(cè)期間，供冷月室外溫度高，加之室內(nèi)人員密度比較高，因此冷負(fù)荷比較高。供暖月最低室外溫度在0 ℃左右，考慮太陽輻射得熱量、室內(nèi)得熱量，熱負(fù)荷比較低。

圖2 房間日均用電量、日均室外溫度隨時(shí)間的變化

房間日均用電量隨日均室外溫度的變化見圖3。由圖3可知，在寒暑假期間，多數(shù)房間無人或人數(shù)較少，不僅數(shù)據(jù)量少，而且分布散亂。因此在接下來的分析中，不考慮寒暑假期間的房間日用電量，僅分析開學(xué)期間的房間日用電數(shù)據(jù)。

圖3 房間日均用電量隨日均室外溫度的變化

在Excel軟件中，對(duì)開學(xué)期間房間日均用電量與日均室外溫度進(jìn)行擬合(階數(shù)設(shè)定為3階)，得到擬合式：

Eav=0.000 8t3-0.009 7t2-0.359 7t+

6.298

式中Eav——開學(xué)期間房間日均用電量，kW·h

t——日均室外溫度，℃

擬合優(yōu)度R2為0.763 4，說明相關(guān)性比較強(qiáng)。

3.2 影響因素分析

① 用戶性別

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，開學(xué)期間男生宿舍、女生宿舍房間日均用電量的變化趨勢(shì)基本相同(供冷月、供暖月房間日均用電量比較高，供冷月高于供暖月)。開學(xué)期間，男生宿舍房間日均用電量的平均值為3.27 kW·h，比女生宿舍高10.47%。

供冷月男生宿舍房間日均用電量比女生宿舍高，供暖月男生宿舍比女生宿舍低。主要原因是女性對(duì)冷更加敏感[15]，而且女性的服裝熱阻、活動(dòng)水平和新陳代謝水平也異于男性[16]。此外，女性的基礎(chǔ)體溫和平均皮膚溫度較低，骨骼肌比較少，皮脂厚度大[17]，導(dǎo)致女性的中性溫度高于男性，進(jìn)而通過影響空調(diào)設(shè)定溫度來影響空調(diào)用電量。供冷月，由于中性溫度比較高，女生宿舍設(shè)定的空調(diào)溫度比較高，用電量低于男生宿舍。供暖月，由于中性溫度比較高，女生宿舍設(shè)定的空調(diào)溫度比較高，用電量高于男生宿舍。這與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

② 朝向

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，開學(xué)期間南向房間(圖1中房間1～4)、北向房間(圖1中房間5～8)的日均用電量的平均值分別為3.23、3.31 kW·h，差別不大。供冷月、供暖月的房間日均用電量也分別接近。因此，房間朝向?qū)θ沼秒姷挠绊?主要是太陽輻射對(duì)房間冷熱負(fù)荷的影響)并不明顯，主要是由于上課時(shí)間集中在白天，學(xué)生白天使用空調(diào)的時(shí)間較短，傍晚以后使用空調(diào)較多。

此外，我們進(jìn)一步分析房間位置的影響，將房間分為北向中間房間(圖1中房間6、7)、東北角房間(圖1中房間5)、東南角房間(圖1中房間4)、南向中間房間(圖1中房間2、3)、西南角房間(圖1中房間1)、西北角房間(圖1中房間8)進(jìn)行分析。開學(xué)期間、供冷月、供暖月各位置房間日均用電量見表1。由表1可知，邊角房間(除北向中間房間、南向中間房間外的房間)的日均用電量比中間房間(北向中間房間、南向中間房間)高。邊角房間日均用電量高于中間房間的主要原因在于，邊角房間的外墻面積大，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷熱負(fù)荷高于中間房間。

表1 開學(xué)期間供冷月、供暖月各位置房間日均用電量

③ 樓層

開學(xué)期間，1層、4層、6層房間的日均用電量的平均值分別為3.12、3.17、3.81 kW·h。供冷月1層、4層、6層房間的日均用電量的平均值分別為4.04、5.48、7.33 kW·h，供暖月1層、4層、6層房間的日均用電量的平均值分別為6.19、4.84、6.93 kW·h。供冷月底層房間的日均用電量最低，頂層房間最高，中間層房間居中。供暖月中間層的日均用電量最低，頂層房間最高，底層房間居中。

頂層房間日均用電量最高的原因主要為：供冷月，白天屋頂吸收大量的太陽輻射熱，加之屋頂傳熱形成的冷負(fù)荷，導(dǎo)致用電量居高不下。供暖月，白天太陽輻射強(qiáng)度弱且時(shí)間短，屋頂傳熱形成的熱負(fù)荷占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致用電量高于其他樓層。相比之下，中間層、底層房間受到太陽輻射、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響小。

④ 影響因素顯著性評(píng)價(jià)

采用SPSS 25軟件進(jìn)行協(xié)方差分析，在排除室外溫度的影響下，研究性別、朝向(不考慮位置)、樓層對(duì)供冷月、供暖月房間日均用電量影響的顯著程度。將房間日均用電量設(shè)置為因變量，性別、朝向、樓層設(shè)置為固定因子，室外溫度設(shè)為協(xié)變量，顯著性水平α選用默認(rèn)值0.05，通過協(xié)方差分析計(jì)算各因素的影響水平。由計(jì)算結(jié)果可知，供冷月、供暖月樓層對(duì)日用電量的影響最為顯著。

3.3 電費(fèi)計(jì)價(jià)原則

由以上結(jié)果分析可知，不同樓層房間日用電量差異比較大，基于傳統(tǒng)電費(fèi)計(jì)價(jià)原則(按固定電價(jià)以及實(shí)際用電量收費(fèi))，頂層房間的電費(fèi)最高。為保證公平性，電費(fèi)計(jì)價(jià)原則可執(zhí)行：在保證宿舍樓總電費(fèi)不變的前提下，不同樓層實(shí)施區(qū)別電價(jià)。

4 結(jié)論

① 全年(含開學(xué)期間、寒暑假)用電量特征：房間日均用電量有著明顯的季節(jié)性差異，供冷月、供暖月房間日均用電量比較高，供冷月高于供暖月。在寒暑假期間，多數(shù)房間無人或人數(shù)較少，不僅數(shù)據(jù)量少，而且分布散亂。

② 開學(xué)期間，男生宿舍房間日均用電量比女生宿舍高。供冷月男生宿舍房間日均用電量比女生宿舍高，供暖月男生宿舍比女生宿舍低。

③ 開學(xué)期間，南向房間、北向房間的日均用電量差別不大，供冷月、供暖月的房間日均用電量也分別接近。供冷月、供暖月邊角房間(除北向中間房間、南向中間房間外的房間)的日均用電量比中間房間(北向中間房間、南向中間房間)高。

④ 開學(xué)期間1層、4層、6層房間的日均用電量隨樓層升高而增大。供冷月底層房間的日均用電量最低，頂層房間最高，中間層房間居中。供暖月中間層的日均用電量最低，頂層房間最高，底層房間居中。

⑤ 供冷月、供暖月樓層對(duì)房間日用電量的影響最為顯著。

⑥ 為保證公平性，電費(fèi)計(jì)價(jià)原則可執(zhí)行：在保證宿舍樓總電費(fèi)不變的前提下，不同樓層實(shí)施區(qū)別電價(jià)。