高校學生宿舍用電量特征與電費計價原則

楊云春，易 浩，彭 赟，漆晨宇，李峻雄，剛文杰(華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院，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]。宿舍作為高校學生學習生活的重要場所，其能耗占有相當比例。隨著社會的進步與發(fā)展，越來越多的高校宿舍安裝了空調(diào)設備，在提高學生舒適度的同時，也導致建筑能耗大幅上升。因此，分析研究宿舍能耗的影響因素，有助于建設節(jié)約型校園。

建筑能耗除了受空調(diào)設定溫度、開啟時間等用戶用能行為的影響外[2-3]，房間朝向、樓層高度、圍護結(jié)構(gòu)設計、室外氣象條件等客觀因素的影響也不容忽視[4]。文獻[5]采取單因素分析法，確定了朝向、窗墻比、圍護結(jié)構(gòu)等因素對成都住宅建筑能耗的影響，并采用正交試驗設計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[6]采用能耗模擬軟件DeST-h，比較在不開空調(diào)情況下各個房間內(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)負荷差異。文獻[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?，并得出最佳方案。文獻[8]采用建筑物能耗分析軟件DOE-2，對夏熱冬暖地區(qū)的不同朝向典型居住建筑總能耗進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)南北向的建筑能耗比東西向低15%左右。文獻[9]基于參數(shù)化平臺Grasshopper的建筑能耗模擬軟件Ladybug Tools，對建筑模型進行了一系列模擬，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[10]運用度日法、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測方法。文獻[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冷負荷產(chǎn)生影響，還通過影響室內(nèi)熱環(huán)境對人體熱感覺起作用，從而影響用戶空調(diào)行為，最終對住宅能耗產(chǎn)生影響。文獻[12]通過分析節(jié)能監(jiān)測平臺的能耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)性別、學歷對宿舍能耗影響很大。

房間的樓層、朝向直接影響宿舍冷熱負荷，進而導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。若忽略該差異，對高校宿舍空調(diào)電費采取統(tǒng)一計價方式，對住在高負荷宿舍的學生有失公平，且不利于調(diào)動用戶的節(jié)能積極性[13]。因此，有必要量化分析房間的朝向差異對供冷供暖能耗的影響，并提出更為合理靈活的電費計價機制。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，提出電費計價原則。

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個房間(圖1中的黑色圓點所在房間)，共480個監(jiān)測房間。采用電能表計量各房間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)預處理

為排除監(jiān)測房間為功能用房，對房間日用電量異常高的數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)計算得到的房間日用電量閾值進行剔除。即當房間日用電量高于房間日用電量閾值時，便將其從數(shù)據(jù)集中剔除，對于房間日用電量為零的房間也進行剔除。房間日用電量閾值E的計算式為：

(1)

式中E——房間日用電量閾值，kW·h

qL,s——單位面積冷負荷指標，W/m2

A——房間平均面積，m2

t——空調(diào)日平均使用時間，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

考慮圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負荷以及宿舍內(nèi)人員、照明裝置、設備發(fā)熱量，單位面積冷負荷指標取120 W/m2。房間平均面積為17 m2，空調(diào)日平均使用時間取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。分析實測用電量可知，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。由于單位面積冷負荷指標高于單位面積熱負荷指標，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)過預處理后的有效數(shù)據(jù)。

③ 影響因素及顯著性評價

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，將室外溫度設為協(xié)變量，用戶性別、朝向、樓層設置為固定因子，房間日用電量設置為因變量，通過F值判斷各固定因子對因變量影響的顯著程度[14]。

由于該校對空調(diào)開啟時間沒有嚴格規(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，熱負荷比較低。

圖2 房間日均用電量、日均室外溫度隨時間的變化

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，對開學期間房間日均用電量與日均室外溫度進行擬合(階數(shù)設定為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。

3.2 影響因素分析

① 用戶性別

由實測數(shù)據(jù)可知，開學期間男生宿舍、女生宿舍房間日均用電量的變化趨勢基本相同(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。主要原因是女性對冷更加敏感[15]，而且女性的服裝熱阻、活動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]，導致女性的中性溫度高于男性，進而通過影響空調(diào)設定溫度來影響空調(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，女生宿舍設定的空調(diào)溫度比較高，用電量高于男生宿舍。這與實測結(jié)果一致。

② 朝向

由實測結(jié)果可知，開學期間南向房間(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?主要是太陽輻射對房間冷熱負荷的影響)并不明顯，主要是由于上課時間集中在白天，學生白天使用空調(diào)的時間較短，傍晚以后使用空調(diào)較多。

此外，我們進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)進行分析。開學期間、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，由圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷熱負荷高于中間房間。

表1 開學期間供冷月、供暖月各位置房間日均用電量

③ 樓層

開學期間，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荷，導致用電量居高不下。供暖月，白天太陽輻射強度弱且時間短，屋頂傳熱形成的熱負荷占主導地位，導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、圍護結(jié)構(gòu)傳熱的影響小。

④ 影響因素顯著性評價

采用SPSS 25軟件進行協(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置為因變量，性別、朝向、樓層設置為固定因子，室外溫度設為協(xié)變量，顯著性水平α選用默認值0.05，通過協(xié)方差分析計算各因素的影響水平。由計算結(jié)果可知，供冷月、供暖月樓層對日用電量的影響最為顯著。

3.3 電費計價原則

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)電費計價原則(按固定電價以及實際用電量收費)，頂層房間的電費最高。為保證公平性，電費計價原則可執(zhí)行：在保證宿舍樓總電費不變的前提下，不同樓層實施區(qū)別電價。

4 結(jié)論

① 全年(含開學期間、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、供暖月樓層對房間日用電量的影響最為顯著。

⑥ 為保證公平性，電費計價原則可執(zhí)行：在保證宿舍樓總電費不變的前提下，不同樓層實施區(qū)別電價。