上海市中小學建筑能耗與節能潛力分析

潘 洲

上海市節能減排中心有限公司

在教育建筑領域，目前針對高校的建筑能耗與節能潛力分析研究案例較多，但對于中學、小學等用能單位的能耗及節能潛力分析較少。這類建筑具有能耗規模較小、用能人數較少、能耗點分散、節能潛力需深度挖掘等特點。摸清中小學建筑能耗，充分挖掘節能潛力，不但能給學校帶來降本增效的經濟效益；更重要的是，通過節能技術的示范應用與教育宣傳，能從小培養學生的節能意識，樹立綠色建筑、生態校園理念，達到教書育人的目的。為此，本文選取上海市具有代表性的6所中小學，按照國家《公共建筑能源審計導則》和上海市《公共建筑能源審計標準》中三級或深度能源審計要求，進行深入調研和檢測，掌握該類建筑的能耗特點及能效水平，進一步挖掘節能潛力，指出全市中小學普遍的以及具有針對性的節能改造方向。

1 建筑概況

6所學校的基本信息見表1所示：

表1 學校基本信息表

6所學校主要建筑的功能用途包括教學樓、行政辦公樓、圖書館、體育館、食堂等。部分學校還建有理工實驗室、舞蹈房、游泳館等專業用房。6所學校大部分為非寄宿制學校，為保證選取學校的典型代表性，本文也選擇了寄宿制學校，學校建有學生公寓。

6所學校建筑竣工時間跨度較長，既有60年代的老建筑，也有21世紀后的新建的建筑，因此建筑的圍護結構形式多樣，主要為磚混、剪力墻、鋼結構等。大部分建筑外墻保溫未達標，門窗類型多為鋁合金普通門窗，配以單層玻璃。也有部分學校建筑通過節能改造，配備了中空雙層玻璃。

2 用能系統

2.1 冷熱源系統

冷熱源系統包括空調制冷系統、供熱系統及生活熱水系統等，是學校的主要能耗系統。6所學校冷熱源系統概況見表2所示。

6所學校的空調制冷及供熱系統以房間空調器為主，部分建筑，如體育館、圖書館、專業舞蹈房、部分行政辦公室等配以多聯式空調機組。中心城區的寄宿制學校，學生洗浴熱水系統主要為房間電熱水器，郊區的寄宿制學校，學生洗浴熱水系統采用燃氣鍋爐。

2.2 照明系統

6所學校的照明系統以普通熒光燈、細管型熒光燈、緊湊型熒光燈及LED燈具為主，體育場館、室外及道路照明使用金屬鹵化物燈。

6所學校都已完成部分燈具的LED改造替換，改造模式多樣，主要有逐次批量改造、壞舊燈具逐個替換等，也有學校采取合同能源管理模式進行燈具批量節能改造。根據學校的實際情況，LED燈具的數量及總功率占整個照明系統比例不同，少的占比不到5%，多的已超過50%。

2.3 其它用能系統

其它用能系統主要包括辦公（教學）設備、電梯系統、水泵風機系統、廚房設備及小型數據機房等。

辦公（教學）設備主要包括臺式（筆記本）電腦、打印（復印、傳真）機、投影儀、電視機等，這些設備具有單臺功率小、數量多的特點，是學校的主要耗能系統之一。

水泵風機系統主要包括生活及消防水泵、排煙風機及衛生間排氣扇等。這些設備總功率不大，但全年運行時間較長，部分水泵的負荷波動較大。

廚房設備主要包括冰箱、灶具、保溫臺、蒸箱、微波爐、熱水器等，廚房設備能耗是學校的主要耗能系統之一。

部分學校建有專門的小型數據機房，主要包括UPS、交換機、服務器等專用設備，但機房規模較小，基本未配置專用精密型空調，以普通舒適型空調為主。

3 能耗概況

3.1 能耗品種

6所學校的能耗品種單一，主要包括電力、天然氣、汽油等，各校具體情況見表3。

其中，天然氣主要用于廚房餐飲和生活熱水系統，汽油主要用于公務車輛。

3.2 能效水平

6所學校的年總能耗見表4所示。

6所學校的單位建筑面積能耗比較接近，數據波動不大，從8.9 kgce/m2至11.5 kgce/m2，但生均能耗波動范圍較大，從101.2 kgce/人至260.3kgce/人，最高值為最低值的2倍多。經調研分析，生均能耗與學校的地理位置、教學條件、是否寄宿等因素有密切關系。其中，中心城區的學校由于地理位置的原因，學校占地面積和總建筑面積較小，建筑功能布局較為緊湊，完成同樣學生數量和質量教學任務的能耗較低。擁有獨立室內體育場館、專業訓練用房、圖書館、匯演廳、教學實驗室等教學條件較好的學校，能耗較大。同樣，寄宿制學校的能耗要遠高于非寄宿制學校。

通過對比發現，生均建筑面積與生均能耗的變化在一定程度上成正比關系。6所學校的生均能耗與生均建筑面積關系見圖1所示。

圖1 生均能耗與生均建筑面積關系圖

值得一提的是，本文所選取的6所學校的單位建筑面積能耗比較接近，但由于樣本量的關系，并不完全代表本市中小學的平均水平。在以往的研究分析中，有的中小學單位建筑面積能耗約為5kgce/m2，僅為本文研究樣本均值的一半左右。

表3 學校能耗品種

表4 學校年總能耗及能效水平

3.3 分項能耗

參照相關標準，建筑能耗可以拆分為暖通空調能耗系統、照明插座能耗系統、動力能耗系統（包括電梯、水泵、風機等）、生活熱水能耗系統、餐飲能耗系統、其它能耗系統。通過對這6所學校的匯總、梳理及分析，各能耗系統的比例范圍見表5所示。

表5 分項能耗占比

表5的能耗占比為本文6所學校的樣本統計值，各學校間的具體情況不同，各分項能耗占比區別較大，應以具體學校的能耗拆分為準。

4 能源管理

能耗管理的范圍較廣，主要包括能源（節能）管理組織機構、能源（節能）管理制度、節能宣傳與培訓、樓宇設備自控系統的有效運行、分項計量系統的安裝與有效運行、能耗數據定期統計及分析、行為節能等。總之，建立能源（節能）管理的長效機制是評價學校節能工作實施優劣的主要指標。本文6所學校在能源（節能）管理方面的概況見表6所示。

從表6的統計可以看出，大部分學校均未建立有效的能源（節能）管理組織機構，能源（節能）管理制度也僅限于水電操作制度、設備管理制度等，部分學校缺少主要耗能設備的完整運行記錄。大部分學校樓宇由于建設年代等原因，未安裝樓宇設備自控系統，即使安裝的建筑，也未有效運作。大部分中小學也未安裝分項計量系統，即使安裝該系統的，也未對計量數據進行定期深入分析。但是，隨著節能理念的不斷深入人心，大部分學校開展了一定程度的節能宣貫工作，通過張貼宣傳標識等手段強調節能行為。

5 節能潛力

通過深入調研及分析研究，中小學建筑節能潛力主要考慮以下幾個方面。

5.1 圍護結構

(1)增加保溫隔熱層。大部分中小學，尤其是建校時間較早的學校，校內舊建筑較多，學校可以結合大修，對圍護結構熱工性能權衡判斷，增加保溫隔熱層，使之符合《公共建筑節能設計標準》（GB5018-2005）等相關標準要求。

(2)增加內外遮陽設施。相對于建筑圍護結構保溫隔熱的節能改造，內外遮陽技術的應用較為經濟，目前大部分學校沒有運用遮陽措施，尤其是外遮陽措施。一般而言，南向外窗由于一年中有較長時間的日照，需要遮陽的時間也較長，可以考慮設置永久性的固定遮陽板，而東西向外窗多采用活動式的遮陽板，以隨陽光照射的情況加以調節。此外，可結合建筑本身構件特點，使其產生遮陽效果，如通過加寬挑檐等。對底層建筑來說，利用綠化也可作為一種有效而經濟的遮陽方式。目前，結合建筑一體化設計的外遮陽技術成熟，實施后建筑外觀美觀。

表6 學校能源（節能）管理概況

(3)配置中空雙層玻璃及玻璃貼膜。學校目前大部分窗戶為單層玻璃，更換單層玻璃為中空雙層玻璃是學校目前應用較多的節能改造技術之一。若輔以玻璃貼膜技術，對于空調建筑，將起到很好的節能效果。

(4)屋頂綠化。全市目前部分區縣在教育系統推進屋頂綠化措施，學校可以將之與綠化灌溉中水回用系統一并設計考慮。

5.2 空調系統

(1)房間空調器（分體空調）集中智能控制系統。學校目前空調系統均以房間空調器為主，且各房間空調器的開啟和關閉均由室內人員自行控制。因此，建議安裝分體空調智能遠程控制系統，加強設備的運行管理，實現空調能耗、運行時間及溫度等設備運行參數的監控計量，并可選擇溫度控制、定時控制、預付費控制以及遠程遙控等多種節電控制策略，以減少空調系統能耗。經同類工程案例分析，增加智能控制系統后，部分學校可以節約空調用電10%以上。

(2)高能效房間空調器（分體空調）的替換。學校目前大部分分體空調使用時間較長，部分未達到現有三級能效標準。學校可結合固定資產報廢計劃，更新具有二級以上高能效比的空調機組，通過設備更新換代節能。

5.3 生活熱水系統

(1)太陽能光熱輔以熱泵熱水機組的應用。目前，部分寄宿制學校的生活熱水系統為燃氣熱水（蒸汽）鍋爐。該系統不僅每年的維護、年檢、管理成本較高，而且隨著本市最新版《鍋爐大氣污染物排放標準》的實施，學校需要投入大筆資金對鍋爐進行改造，以進一步降低氮氧化物的排放。為此，考慮更換鍋爐系統為太陽能光熱輔以熱泵熱水機組是經濟可行的節能改造措施。若學校受建設條件的限制，僅用熱泵熱水機組制取生活熱水也是不錯的選擇。相比太陽能光熱輔以熱泵熱水機組，一個初始投資小，一個運營能耗低，各具優點。

(2)游泳池熱源的替換。部分學校有恒溫泳池，目前采用燃氣鍋爐作為熱源。同樣，可更換為熱泵熱水機組等高能效熱源，節能改造效益顯著。

5.4 照明系統

(1)更換LED等高能效照明燈具。建議將走廊、扶梯間、禮堂、圖書館、餐廳、會議室、數據機房、室外照明等長時間照明的公共活動區域的燈具替換為LED燈具。與現有大部分熒光燈相比，在同樣的照度下，LED燈具的功率約為一半，且使用壽命較長。但需注意教室、專業舞蹈用房等對照明有專業功能需求及特定要求的場所，在更換LED時，要先做好方案設計，使其符合相關標準。目前，LED燈具完全可以按現有燈具的尺寸一對一替換，改造范圍內年節電率可以達到40%以上，且投資回報期較短。

(2)區域照明智能化控制。通過對6所學校的調研觀察，發現學校教室和辦公室照明為人工手動控制，多云天氣出現整間教室或辦公室照明常開，教室空無一人而照明開啟。針對以上情況，建議對教室和辦公室照明加裝聲光控制系統，當師生進入移動傳感器感應區域后漸升光，當人走出感應區域后燈光漸漸減低或熄滅，使“長明燈”現象得到控制。同時，可在教室靠窗與靠墻處分別加裝照度傳感器。當室外光線強時自動減弱或關閉靠窗的燈光，并根據靠墻傳感器調整靠墻的燈光亮度。當室外光線變弱時，傳感器會根據感應信號調整燈的亮度到預先設置的光照度值，不僅能保護學生視力，更能有效節約能源。

5.5 新能源利用

(1)太陽能光伏系統建設。可在教學樓、辦公樓、圖書館、體育館等存在大面積空置且采光條件好的屋面建設太陽能光伏系統。目前太陽能光伏系統每瓦的投資費用在6元以下，每瓦的年均發電量在1kWh以上，且發電技術成熟，不會對學校現有輸配電系統產生不利影響。同時，在混凝土或彩鋼瓦屋面敷設太陽能光伏板，也是一種有效的隔熱保溫措施。

(2)新能源車充電樁建設。單獨或與太陽能光伏建設一體化設計，建設新能源車充電樁系統。以交流樁為主，輔以直流樁。目前，市公共機構管理部門正在大力推廣學校等公共機構充電樁建設。學校建設新能源車充電樁，既便利教職工，同時也是響應低碳出行的號召。目前，以某品牌7kW交流充電樁為例，單臺購置加安裝費用約0.5萬元，本市按設備購置費的30%，最高不超過300元/kW，進行一次性建設補貼，運營期間按0.2元/kWh進行充電補貼。

5.6 其它能耗系統

(1)水泵變頻。對于部分日均負荷波動較大，且運行時間較長的水泵，可以考慮增加變頻裝置，解決低負荷環境下水系統仍然按照高負荷時運行的問題。變頻水泵可跟據系統的負荷實時調整轉速，以適應負荷波動。且由于水泵電機的功耗與轉速呈立方關系，節能效果顯著。

(2)更換聚能燃氣灶等高效灶具。目前，學校廚房用灶具普遍為普通灶具。若采用紅外線熱輻射等技術的聚能燃氣灶，熱效率提升到70%，節能效果顯著。

5.7 管理節能

(1)分項計量系統建設。目前，上海市大部分中小學僅安裝了電力總表，對于各建筑的空調、照明、電梯、水泵、風機、室內插座等用電分項沒有設置二級或三級分表。建議學校設置各建筑、樓層或用電設備分項（空調、照明、電梯、水泵、風機、室內插座等）的電力計量分表。定期對各分表進行抄表統計，學校用能管理人員應每月、每季度、每年對學校重點用電設備及重點用電區域進行分析，及時發現存在問題及時解決。對學校內各樓各部門進行用電定額考核，節獎超罰。

(2)建立節能管理長效機制。節能管理長效機制的建立是多角度，全方位的，主要包括以下幾個方面：能源（節能）管理組織機構的建立及有效運行、能源（節能）管理制度的完備及充分執行、節能宣傳與培訓的次數與質量、樓宇設備自控系統的有效運行、能耗數據定期統計及分析及行為節能等。管理節能是比技術節能更便捷有效，見效更快的措施，建立節能管理長效機制是學校開展節能工作的重要前提。

上述七個方面的節能潛力分析僅是筆者根據現有樣本，針對本市中小學普遍存在的現象進行的分析研究，不代表全部情況和所有節能改造措施。例如，由于本市大部分學校的空調系統為分體空調，因此本文僅針對分體空調提出了節能改造措施，根據筆者所知，有些學校存在水冷式機組和溴化鋰機組等，那就需要對此進行具體分析。

筆者根據本市中小學實際情況、節能政策及技術規范、類似節能改造工程案例，綜合考慮各項節能措施的建設運營成本、節能效益、經濟效益、實施便利性等因素，將上述七個方面的節能措施按優先級進行排序，如表7所示。

上述節能措施的優先級首先考慮的是某個節能方向內部的對比，不同節能方向之間各節能措施的優先級評價對比僅作為參考。有些節能措施，如分項計量系統建設，雖然需要一定的建設運營成本，且沒有直觀的節能效益，但由于其是所有節能改造工作的重要基礎，因此優先級較高。

6 結語

本文以具有代表性的上海市6所中小學為樣本，按照國家及上海市標準要求，對其建筑概況、設備運行狀況、能耗規模、能效水平、用能特點等方面進行深入研究，指出上海市中小學在能源消耗、節能管理等方面存在的問題，充分挖掘節能潛力，提出切實可行的節能改造措施，供中小學今后實施節能改造提供參考，為政府主管部門監管提供依據。

表7 節能改造措施優先實施表