南京市中小學(xué)校園建筑能耗定額的研究

唐文龍 沈俊杰 龔延風(fēng)

南京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)院

0 引言

目前，中小學(xué)校園建筑數(shù)量眾多[1]，建筑能耗管理缺失。校園為教育和生活場所，對其特性開展研究，有效降低建筑運(yùn)行能耗，增強(qiáng)學(xué)生們節(jié)能環(huán)保意識，有力推進(jìn)整個(gè)社會(huì)綠色低碳發(fā)展。

在研究南京市168所小學(xué)和131所中學(xué)近3年建筑用電基礎(chǔ)上，分析建筑特點(diǎn)和影響因素，探究科學(xué)、可行的中小學(xué)校園建筑能耗定額方法。

1 中小學(xué)能耗統(tǒng)計(jì)特征及影響因素分析

1.1 能源消耗現(xiàn)狀

對數(shù)據(jù)運(yùn)用 SPSS/EXCLE軟件分析，得到中小學(xué)單位建筑面積能耗和生均能耗，如圖1、圖2所示，不同類型和同類型學(xué)校間用電水平均存在差異性，這種現(xiàn)象源自教育階段，建筑面積，師生人數(shù)和設(shè)備使用等因素。

圖1 中小學(xué)校單位建筑面積能耗

圖2 中小學(xué)校生均能耗

1.2 中小學(xué)校園建筑能耗特點(diǎn)

1.2.1 建筑類型

1）建筑類型

①包括教學(xué)樓、行政樓、圖書館、實(shí)驗(yàn)室等。大多數(shù)公有制中小學(xué)不采用寄宿制，不需專設(shè)食堂，宿舍和澡堂。

②從圖3看出，教學(xué)樓是校園建筑重要組成部分，占校園建筑面積75%以上。

圖3 各級各類學(xué)校教學(xué)設(shè)施情況

1.2.2 生均建筑面積和班級人數(shù)

依據(jù)《南京市普通中小學(xué)辦學(xué)條件標(biāo)準(zhǔn)（修訂版）》[2]：小學(xué)和中學(xué)生均建筑面積指標(biāo)不低于7.3 m2/生和10.45 m2/生。數(shù)據(jù)分析，校園生均建筑面積分布如圖4、圖5所示。

圖4 小學(xué)校園生均建筑面積分布圖

圖5 中學(xué)校園生均建筑面積分布圖

按生均建筑面積劃分為三個(gè)區(qū)段，見表1。

表1 生均建筑面積分段表

依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，小學(xué)和中學(xué)每班分為45人和50人。圖6看出，小學(xué)班級人數(shù)在30～50人之間，平均每班42人，中位值為44人。中學(xué)班級人數(shù)在38～54人之間，平均每班46人，中位值為45人。

圖6 中學(xué)校園班級人數(shù)分布圖

按班級人數(shù)劃分為三個(gè)區(qū)段，見表2。

表2 班級人數(shù)分段表

1.2.3 學(xué)校使用時(shí)間

學(xué)校作息安排，每天以上午7:00-11:30，下午1:30-5:00為主，每周從周一至周五，每年從9月至1月和2月底至7月初，約為200天。中小學(xué)存在寒暑假，避開夏天的酷暑，使其建筑用能具有間斷性，這段時(shí)間校園建筑使用率較低[3]。

1.2.4 教學(xué)樓用能分布

教學(xué)樓以電力為主，從圖7看出，包括照明，空調(diào)和其他設(shè)備等。為創(chuàng)造良好學(xué)習(xí)環(huán)境，教育部門會(huì)鼓勵(lì)在中小學(xué)教室里安裝空調(diào)。在研究中，應(yīng)考慮教室是否安裝空調(diào)。

照明和空調(diào)在電力消耗中所占比例大，著重分析。

1）照明

照明用電與運(yùn)行時(shí)間，照明功率和建筑面積有關(guān)，在滿足空間基本照度需求后，不受室內(nèi)人員數(shù)量影響。

2）空調(diào)

教室空調(diào)采用分體壁掛式，行政辦公樓采用柜式空調(diào)機(jī)，無集中式空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)負(fù)荷與兩個(gè)因素有關(guān)系：

①建筑情況：負(fù)荷與圍護(hù)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)人員和使用時(shí)間相關(guān)。

②空調(diào)系統(tǒng)性能：教室安裝分體式空調(diào)，為地方教育部門統(tǒng)一采購，故認(rèn)為運(yùn)行性能不會(huì)有太大的差異性。

圖7 空調(diào)季學(xué)校教學(xué)樓用電分項(xiàng)情況

1.3 中小學(xué)能耗影響因素的分析

1.3.1影響因素相關(guān)分析

影響因素包括：建筑年代，建筑面積，師生人數(shù)和空調(diào)設(shè)置。采用相關(guān)分析法，確定顯著性因素。采用逐步回歸分析法確定相關(guān)性顯著且無共線性的因素。

1）相關(guān)性分析

相關(guān)性分析法是研究用能和影響因素間相關(guān)性大小：

式中：r為相關(guān)系數(shù)（|r|≤1）；E為建筑能耗值；E為建筑樣本平均能耗值；X為影響因素量化值；為影響因素量化平均值。通常情況下用取值范圍來判斷變量的相關(guān)性程度。

2）逐步回歸分析法

逐步回歸法是引入變量顯著性水平α，提出變量臨界值Fa，剔除變量臨界值Fe。建立回歸方程：

式中：E為建筑用電量，kWh；X0、X1、X2、X3為建筑年代，建筑面積，在校師生數(shù)和空調(diào)使用；b0、b1、b2、b3為各項(xiàng)式系數(shù)；a為常數(shù)項(xiàng)。

每次引入對E影響顯著的變量X，對自變量進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不顯著的變量，留在模型中的自變量，對因變量的相關(guān)程度較高且無共線性關(guān)系。

1.3.2 分析結(jié)果

運(yùn)用SPSS軟件，得到建筑年用電量與影響因素相關(guān)系數(shù)，見表3。

表3 建筑年用電量與影響因素間的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，建筑面積，在校師生數(shù)和空調(diào)設(shè)置與建筑年用電量顯著性相關(guān)（相關(guān)系數(shù)|r|＞0.4）。

進(jìn)行逐步回歸分析，從圖8可知，第5次RMSE（標(biāo)準(zhǔn)誤差）最低，得到顯著無共性自變量為建筑面積和空調(diào)設(shè)置。

圖8 建筑年用電量與影響因素的逐步回歸模型

2 中小學(xué)校園建筑能耗定額編制

2.1 學(xué)校能耗定額指標(biāo)分析

目前，校園的能耗評價(jià)指標(biāo)通常選取單位建筑面積指標(biāo)或者人均建筑能耗指標(biāo)[4-5]。

教學(xué)樓未安裝空調(diào)的學(xué)校，建筑能耗主要是照明能耗，通過研究發(fā)現(xiàn)，照明能耗變化主要受人員作息的影響[6]，教室照明時(shí)間和人員相對固定，采用單位建筑面積指標(biāo)，教學(xué)樓安裝空調(diào)的學(xué)校，在空調(diào)使用期間，需要考慮師生人數(shù)對空調(diào)負(fù)荷的影響，采用單位建筑面積指標(biāo)時(shí)可以進(jìn)行修正。

2.2 南京市中小學(xué)學(xué)校建筑能耗定額指標(biāo)體系

將學(xué)校分為四種類型，建筑能耗指標(biāo)為單位建筑面積能耗（kWh/(m2·a)），見表4。

2.3 南京市中小學(xué)校園建筑能耗定額計(jì)算

依據(jù)統(tǒng)計(jì)定額編制中小學(xué)校園建筑能耗定額，以I類校園建筑為例進(jìn)行計(jì)算。

1）制定過程

①能耗數(shù)據(jù)分布

將單位建筑面積能耗頻數(shù)經(jīng)過 MATLAB概率化處理，得到概率分布密度，如圖9所示。

圖9 I類校園單位建筑面積能耗頻數(shù)和概率密度分布圖

求樣本能耗數(shù)據(jù)平均值V和標(biāo)準(zhǔn)差S，計(jì)算不同定額水平下的定額值Q：

式中：Zα表示累積概率為（1-α）時(shí)所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度值。

②正態(tài)檢驗(yàn)

從圖10可知，各組段累積頻率近似于在一條直線上的，可認(rèn)為樣本建筑能耗水平服從正態(tài)分布。

圖10 Ⅰ類建筑正態(tài)性檢驗(yàn)

③定額水平表

對不同定額水平下的能耗進(jìn)行計(jì)算，得到建筑定額水平表，見表5。

表5 Ⅰ類校園單位建筑面積定額水平表

將建筑能耗定額水平選取 0.2，即保證建筑用能水平通過率為80%，得到南京市中小學(xué)校建筑能耗定額值，見表6。

表6 南京市中小學(xué)校園建筑能耗定額值

3 建筑能耗定額修正系數(shù)模型與計(jì)算

單位面積能耗指標(biāo)忽略主體“人”對建筑能耗的影響，無法客觀公平反映能耗水平[7]，顯然同類型學(xué)校執(zhí)行相同定額值，存在不合理性。因此，對于Ⅰ、Ⅱ類型學(xué)校，根據(jù)生均建筑面積分段修正，對于Ⅲ、Ⅳ類型學(xué)校，通過班級人數(shù)分段修正。

3.1 Ⅰ、Ⅱ類型學(xué)校修正系數(shù)模型

利用SPSS 軟件得出在校師生人數(shù)與年用電回歸模型，公式為：

式中：y為小學(xué)和中學(xué)校園建筑年用電量，kWh；p為在校師生人數(shù)，人。

通過建筑預(yù)測用電與實(shí)際用電的比值α，計(jì)算修正系數(shù)η1，公式為：

式中：η1為修正系數(shù)；E為樣本建筑年實(shí)際用電量，kWh；n為樣本建筑數(shù)量。

3.2 Ⅲ、Ⅳ類型學(xué)校修正系數(shù)模型

Ⅲ、Ⅳ類學(xué)校考慮空調(diào)對建筑能耗影響，提出基于DeST-C能耗模擬分析手段的修正系數(shù)計(jì)算模型。

3.2.1 模型建立說明

以學(xué)校教學(xué)樓為參考，構(gòu)建一個(gè)三層教學(xué)樓建筑，占地面積為555 m2，高度為10.8 m，每層為3.6 m，每間教室長10 m，寬8 m，建筑模型如圖11所示。

圖11 學(xué)校教學(xué)樓每層的DeST模型

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)取值，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015中夏熱冬冷地區(qū)數(shù)據(jù)，見表7。

表7 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

2）房間人員，照明以及空調(diào)作息時(shí)間

根據(jù)中小學(xué)作息規(guī)定，人員作息安排如下（假設(shè)室內(nèi)數(shù)齊整時(shí)為1），見表8。

表8 中小學(xué)教室人員作息情況

《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，教室照明功率為11W/m2，照度標(biāo)準(zhǔn)值為300Lx。問卷調(diào)查可知，教室照明開關(guān)情況見表9。

表9 教室照明開關(guān)情況

分體式空調(diào)開啟和關(guān)閉均是人為設(shè)置，通過現(xiàn)場調(diào)研，得到教學(xué)樓空調(diào)的實(shí)際控制策略，空調(diào)的控制情況見表10。

表10 教室空調(diào)控制情況

根據(jù)1.2.3中分析，采暖季設(shè)定為12月1日到1月14日，空調(diào)季設(shè)定為6月10日到7月7日。

3.2.2 模擬結(jié)果對比分析

構(gòu)建模型，設(shè)定參數(shù)，采用能耗模擬軟件進(jìn)行校園建筑全年負(fù)荷動(dòng)態(tài)計(jì)算，結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 小學(xué)校園建筑全年負(fù)荷與人數(shù)關(guān)系圖

圖13 中學(xué)校園建筑全年負(fù)荷與人數(shù)關(guān)系圖

從圖12、圖13看出，隨教室人數(shù)的增加，全年熱負(fù)荷逐漸減少。相反，全年冷負(fù)荷隨著人數(shù)增加而增大。由于人數(shù)增加，群體發(fā)熱量變大，導(dǎo)致供熱減少，而夏季需要提供更多制冷量。從總負(fù)荷變化可以看出，隨著人數(shù)的增加，總負(fù)荷還是增大。

3.2.3 修正系數(shù)計(jì)算

得到不同班級人數(shù)下的建筑全年空調(diào)負(fù)荷，回歸出空調(diào)負(fù)荷與人數(shù)的模型，公式為：

式中：y為回歸模型得到的空調(diào)負(fù)荷，kWh/m2；x為班級人數(shù)，人。

計(jì)算建筑實(shí)際班級人數(shù)下的預(yù)測空調(diào)負(fù)荷與班級人數(shù)中位值下的空調(diào)負(fù)荷比值β，使用分段函數(shù)含義為：學(xué)校班級人數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，不予修正。反之，若班級人數(shù)在規(guī)定范圍外時(shí)，需 要進(jìn)行修正，公式為：

式中：y*為根據(jù)回歸模型，在班級人數(shù)中位值下得到的空調(diào)負(fù)荷，kWh/m2；x1、x2分別為中小學(xué)班級人數(shù)規(guī)定下限值和上限值，人。

通過β來修正建筑空調(diào)能耗，得到修正系數(shù)η2，公式為：式中：Eh為建筑空調(diào)能耗，kWh；Et為建筑其他能耗，kWh。

3.3 能耗定額修正系數(shù)

根據(jù)上述方法，計(jì)算各類型學(xué)校的修正系數(shù)，結(jié)果如表11、表12所示。

表11 Ⅰ、Ⅱ類型學(xué)校修正系數(shù)表

表12 Ⅲ、Ⅳ類型學(xué)校修正系數(shù)表

在生均建筑面積和班級人數(shù)區(qū)段內(nèi)，對能耗定額進(jìn)行相應(yīng)的修正。該方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮到了師生人數(shù)對建筑能耗的影響，同時(shí)對于每個(gè)類型的學(xué)校，能耗也都能得到合理的修正。

4 結(jié)論

1）分析南京市中小學(xué)校園建筑的能耗特征，主要影響因素是校園建筑面積，在校師生人數(shù)和空調(diào)設(shè)置，將校園建筑分成四種類型，進(jìn)而建立建筑能耗定額指標(biāo)體系。

2）基于南京市中小學(xué)校園建筑近3年用能數(shù)據(jù)，利用定額水平法編制了中小學(xué)校園建筑能耗定額。

3）為兼顧各類中小學(xué)校的用能特征和利益，依據(jù)生均建筑面積和班級人數(shù)對中小學(xué)校園建筑進(jìn)行劃分，計(jì)算各區(qū)段內(nèi)能耗修正系數(shù)，為評價(jià)我國中小學(xué)的用能水平提供了一種科學(xué)有效的方法，具有一定的實(shí)踐意義。