上海某高校研究生宿舍空調電耗特性研究

閆振業，王智德，於繼康，于國清

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

隨著高等教育事業的發展，辦學規模的逐漸擴大，高校類建筑越來越多，高校建筑能耗在公共建筑能耗中的占比也呈現逐年上升的趨勢［1］。高校宿舍作為校園建筑中面積占比最多的一類建筑，其建筑能耗也不容忽視。謝洋春［2］通過某高校節能監測平臺對該校建筑的整體用能情況進行了分析，結果發現宿舍是高校建筑節能的核心項目。胡軒昂［3］基于浙江省某高校能耗監測平臺，運用多元線性回歸的方法對宿舍、教學樓等建筑用能情況進行了分析，結果表明宿舍面積是影響宿舍能耗不可忽略的因素，并強調了典型日能耗評價的必要性。楊陽［4］依托安徽某高校能源監管平臺建立了一套適用于高校教學樓及學生宿舍的評價指標體系，并提出目前校園類建筑能耗評價更多關注的是建筑總能耗指標，而分類分項能耗能夠更加科學地評價建筑用能水平。陳淑琴等［5］采用統計學方法對高校宿舍內用能行為特征進行了研究，結果表明照明和熱水器使用較為節省，空調電耗受使用時長和溫度設定影響較大，通過聚類分析發現空調使用時長對用能行為特征聚類貢獻最大。

上述研究大多基于高校宿舍建筑總能耗，而對占宿舍總能耗很大比例的空調能耗特性的研究較少，且空調電耗指標缺乏。因此，本文以上海某高校研究生宿舍2018 年4 月至2019 年3 月空調電耗作為研究對象，綜合分析空調電耗使用特性并總結出空調電耗指標，以期對合理匹配空調供配電系統以及制定節能措施等提供參考。

1 上海地區氣候特征

上海地區位于長江下游，屬典型夏熱冬冷地區，春秋較短，冬夏較長，居民普遍采用空調來調節室內環境，而室外環境的變化對室內溫濕度影響極大。結合上海某高校氣象站提供的上海地區2018 年4 月至2019 年3 月的室外氣象參數，得到2018 年4 月至2019 年3 月日平均溫度隨時間變化，結果如圖1 所示。從圖可以看出，在該期間日平均溫度的變化呈S 型，全年溫度波動較大；夏季7、8、9 三個月日平均溫度較高，8 月溫度達到最高，最高日平均溫度為32 ℃；冬季12、1、2、3 月氣溫較低，最低日平均氣溫為0.2 ℃，出現在1 月；由于全年降水量較多，因此空氣相對濕度較高。

圖1 全年日平均溫度變化Fig.1 Annual daily average temperature variation

2 空調電耗數據調查與分析

2.1 研究對象

2.1.1 宿舍樓基本情況

本次研究以上海某高校男、女研究生宿舍樓各一棟作為取樣樣本。該兩棟研究生宿舍樓均始建于20 世紀90 年代，為普通磚混結構建筑，每棟樓高7 層，每層共42 間學生宿舍。1 號樓為男生宿舍，建筑面積約為7 554 m2，2 號樓為女生宿舍，建筑面積約為7 361 m2；每間宿舍房間尺寸（長×寬×高）均為5.1 m×3.5 m×3 m，面積約為18 m2，外圍護結構為240 mm 厚磚墻加內外抹灰砂漿，窗戶為普通塑鋼窗，面積約為5 m2，每間房間均為4 人間，所配備的空調為相同廠家的1.5HP 分體式空調。

2.1.2 空調電耗監測系統

該高校2017 年進行了電力擴容改造。與照明、設備電耗不同，空調電耗以房間為單位單獨計量，通過后勤在線電耗監測系統，可以調取各個房間每日、每月、每年空調用電量數據。本次研究在該兩棟宿舍樓采用分層抽樣的方法各選取6 間朝向、位置相同的房間，通過該電耗監測系統獲取對應房間2018 年4 月至2019 年3 月每日空調用電量數據，以此來研究該校研究生宿舍空調電耗使用特性。

2.2 所有房間空調總電耗數據分析

由于性別、生活習慣等不同，會造成空調電耗有所差異［6-7］，因此分別對該兩棟宿舍樓空調電耗情況展開分析。圖2 為該兩棟宿舍樓所有抽樣房間4 月至9 月、10 月至轉年3 月每日空調電耗變化。從圖中可以明顯看出，夏季空調電耗集中于7、8、9 月，冬季空調電耗集中于12、1、3 月，2 月寒假期間空調電耗較少，其中女生宿舍樓個別天空調電耗極高，女生宿舍樓空調電耗隨日期變化波動較大。表1 為該兩棟宿舍樓夏、冬季空調電耗統計數據結果。從表中可以看出，該男、女宿舍樓每日平均空調電耗在20～25 kW·h 內變化，夏季空調電耗峰值出現在7 月底、8 月初，冬季空調電耗峰值出現在1 月，且男、女生宿舍抽樣房間冬季空調電耗高于夏季。

圖2 夏、冬季每日空調總電耗變化Fig.2 Daily total electricity consumption of air conditioners varies in Summer and Winter

表1 男、女生宿舍全樓空調電耗統計Tab.1 Statistics on the electricity consumption of air conditioners in male and female dormitories

圖3 為抽樣房間每月空調電耗的變化。從圖可知，全年男、女生宿舍每月空調電耗差異不大，夏、冬季空調電耗均呈先升高后降低的趨勢。夏季每月空調電耗與圖1 中日平均溫度變化趨勢相同，4 月至7 月，隨日平均溫度升高，空調電耗逐漸上升，7 月空調電耗達到最高，男、女生抽樣房間該月空調電耗分別為1 013.72、1 055.75 kW·h，8 月至10 月日平均溫度逐漸降低，空調電耗減少。冬季每月空調電耗與日平均溫度變化趨勢相反，11 月至1 月日平均溫度逐漸降低，空調電耗升高，1 月空調電耗最高，男、女生抽樣房間該月空調電耗分別為1 249.47、1 383.31 kW·h，高于夏季。2 月正值寒假，因此空調電耗較1 月下降較快，3 月空調電耗有略微回升。

圖3 男、女生宿舍樓每月空調電耗變化Fig.3 The electricity consumption of air conditioning varies month by month

2.3 單位面積空調電耗分析

由于全年空調電耗波動較大，僅用平均空調電耗不能代表全年空調電耗水平。將單位面積空調電耗作為衡量建筑用能情況的重要指標，對于實際建筑的能耗分析、制定節能措施等具有重要意義［8-9］。以電耗較高的夏季7、8 月，冬季12、1 月為例，圖4（a）、（b）分別為夏季7、8 月，冬季12、1 月男、女生宿舍抽樣房間每日平均單位面積空調電耗變化，表2、3 分別為所抽樣房間夏、冬季單位面積空調電耗數據。

圖4 夏季7、8 月，冬季12、1 月男、女生宿舍樓每日單位面積空調電耗變化Fig.4 Daily unit area air conditioning electricity consumption of male and female dormitory changes in summer July and August and winter December and January

由于使用人員的性別、行為特征、生活習慣等差異，空調的使用時間及模式均有所不同，空調電耗也受其影響［6-7］。從圖4（a）、（b）可明顯看出，無論冬季還是夏季，女生宿舍每日單位面積空調電耗波動較大，男生宿舍每日單位面積空調電耗較為平均；夏季男、女生宿舍單位面積空調電耗分別在0～0.54、0～1.42 kW·h·m?2范圍內波動，冬季男、女生宿舍單位面積空調電耗分別在0～1.05、0～1.98 kW·h·m?2范圍內波動，與夏季相比，冬季單位面積空調電耗波動范圍較大，且女生宿舍波動范圍擴大較多。

由表2 可知，夏季典型日男、女生宿舍最高單位面積空調電耗分別為1.35、2.51 kW·h·m?2，冬季典型日男、女生宿舍最高單位面積空調電耗分別為1.81、5.79 kW·h·m?2，不同季節、房間之間空調電耗差異較大。由表3 可知，夏季7、8 月男、女生宿舍每日平均單位面積空調電耗分別為0.29、0.30 kW·h·m?2，冬季12、1 月男、女生宿舍平均單位面積空調電耗分別為0.37、0.39 kW·h·m?2，與夏季相比分別增長27.6%、34.5%。由于男、女生體質方面以及生活習慣等方面的差異，在相同的寒冷環境中，女生的空調使用頻率較高［5］，因此女生宿舍單位面積空調電耗高于男生。冬季單位面積空調電耗與夏季相比較高，其主要原因在于冬季熱泵空調器受室外溫度影響。當室外溫度較低時，空調蒸發溫度降低，導致熱泵能效比（COP）也隨之降低，因此制取相同的熱量，冬季所耗電能較高，且冬季空調器運行時常采用輔助加熱，也會增加空調電耗。

表2 夏、冬季典型日男、女生各宿舍房間單位面積空調電耗Tab.2 Unit area air conditioning electricity consumption of each male and female dormitory on typical day of summer and winter

表3 夏、冬季男、女生各宿舍房間平均每日單位面積空調電耗Tab.3 Average daily electricity consumption of air conditioners per unit area of male and female dormitories in summer and winter

3 空調電耗指標與室外溫度關聯性分析

通過對空調電耗數據分析發現，室外氣溫變化對空調電耗有一定影響。為探究空調電耗與室外氣溫之間的關系，采用Matlab 軟件對單位面積空調電耗與室外日平均溫度進行擬合，并對擬合結果進行定量分析。圖5（a）、（b）分別為夏、冬季單位面積空調電耗隨室外日平均溫度的變化。

圖5 夏、冬季單位面積空調電耗隨溫度變化Fig.5 Electricity consumption per unit area varies with temperature in summer and winter

由圖5（a）、（b）可知：夏季日平均溫度越高，男、女生宿舍單位面積空調電耗越高；冬季則與之相反，室外日平均溫度越低，單位面積空調電耗越高。但各房間單位面積空調電耗受室外溫度影響有所差異，部分房間單位面積空調電耗隨溫度升高較快，但也有房間單位面積空調電耗變化不大，因此單位面積空調電耗隨室外溫度的關聯性是基于集體表現，對單個房間并不適用。下面分別為夏、冬季男、女生宿舍單位面積空調電耗與室外日平均溫度的擬合公式。

夏季男生宿舍

夏季女生宿舍

冬季男生宿舍

冬季女生宿舍

式中：W為單位面積空調電耗，kW·h·m?2；為室外日平均溫度，℃；R2為擬合度，擬合度越接近1，表示擬合結果越接近。

上述擬合結果中R2均超過0.8，因此擬合結果具有一定的可信度。由擬合公式可知，夏季室外日平均溫度每升高或降低1 ℃，男、女生宿舍單位面積空調電耗分別升高1.003 3 kW·h·m?2、降低0.916 3 kW·h·m?2；冬季室外日平均溫度每降低或升高1 ℃，男、女生宿舍單位面積空調電耗分別升高0.575 kW·h·m?2、降低0.414 9 kW·h·m?2。與夏季相比，冬季單位面積空調電耗受室外日平均溫度影響較小。

4 結 論

本文以上海某高校研究生宿舍為例，綜合分析了該地區2018 年4 月到2019 年3 月室外氣象參數以及該校兩棟男、女研究生宿舍樓空調電耗的使用特性，主要結論為：

（1）從全年來看，夏季空調電耗集中于7、8、9 月，男、女生宿舍平均每日空調電耗分別為22.05、20.32 kW·h，夏季空調總電耗分別為1 953.01、2 027.08 kW·h，冬季空調電耗集中于12、1、3 月（2 月寒假放假），男、女生宿舍每日平均空調電耗分別為22.62、24.31 kW·h，冬季空調總電耗分別為2 737.51、2 940.31 kW·h；從每月來看，男、女生宿舍每月空調電耗差異不大，受氣溫變化影響明顯；

（2）夏季7、8 月男、女生抽樣房間每日單位面積空調電耗分別為0.29、0.30 kW·h·m?2，冬季12、1 月男、女生抽樣房間每日單位面積空調電耗分別為0.37、0.39 kW·h·m?2，與夏季相比，冬季男、女生宿舍單位面積空調電耗分別高27.6%、34.5%，冬季單位面積空調電耗較高。

（3）夏季單位面積空調電耗與日平均溫度呈正相關，冬季單位面積空調電耗與日平均溫度呈負相關，且與夏季相比，冬季單位面積空調電耗受室外溫度影響較小。