上海某高校研究生宿舍空調(diào)電耗特性研究

閆振業(yè)，王智德，於繼康，于國(guó)清

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展，辦學(xué)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，高校類建筑越來(lái)越多，高校建筑能耗在公共建筑能耗中的占比也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)［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(guò)某高校節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)該校建筑的整體用能情況進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)宿舍是高校建筑節(jié)能的核心項(xiàng)目。胡軒昂［3］基于浙江省某高校能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，運(yùn)用多元線性回歸的方法對(duì)宿舍、教學(xué)樓等建筑用能情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明宿舍面積是影響宿舍能耗不可忽略的因素，并強(qiáng)調(diào)了典型日能耗評(píng)價(jià)的必要性。楊陽(yáng)［4］依托安徽某高校能源監(jiān)管平臺(tái)建立了一套適用于高校教學(xué)樓及學(xué)生宿舍的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出目前校園類建筑能耗評(píng)價(jià)更多關(guān)注的是建筑總能耗指標(biāo)，而分類分項(xiàng)能耗能夠更加科學(xué)地評(píng)價(jià)建筑用能水平。陳淑琴等［5］采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)高校宿舍內(nèi)用能行為特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明照明和熱水器使用較為節(jié)省，空調(diào)電耗受使用時(shí)長(zhǎng)和溫度設(shè)定影響較大，通過(guò)聚類分析發(fā)現(xiàn)空調(diào)使用時(shí)長(zhǎng)對(duì)用能行為特征聚類貢獻(xiàn)最大。

上述研究大多基于高校宿舍建筑總能耗，而對(duì)占宿舍總能耗很大比例的空調(diào)能耗特性的研究較少，且空調(diào)電耗指標(biāo)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(diào)電耗作為研究對(duì)象，綜合分析空調(diào)電耗使用特性并總結(jié)出空調(diào)電耗指標(biāo)，以期對(duì)合理匹配空調(diào)供配電系統(tǒng)以及制定節(jié)能措施等提供參考。

1 上海地區(qū)氣候特征

上海地區(qū)位于長(zhǎng)江下游，屬典型夏熱冬冷地區(qū)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)，居民普遍采用空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，而室外環(huán)境的變化對(duì)室內(nèi)溫濕度影響極大。結(jié)合上海某高校氣象站提供的上海地區(qū)2018 年4 月至2019 年3 月的室外氣象參數(shù)，得到2018 年4 月至2019 年3 月日平均溫度隨時(shí)間變化，結(jié)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(dòng)較大；夏季7、8、9 三個(gè)月日平均溫度較高，8 月溫度達(dá)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(xiàn)在1 月；由于全年降水量較多，因此空氣相對(duì)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(diào)電耗數(shù)據(jù)調(diào)查與分析

2.1 研究對(duì)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(jì)90 年代，為普通磚混結(jié)構(gòu)建筑，每棟樓高7 層，每層共42 間學(xué)生宿舍。1 號(hào)樓為男生宿舍，建筑面積約為7 554 m2，2 號(hào)樓為女生宿舍，建筑面積約為7 361 m2；每間宿舍房間尺寸（長(zhǎng)×寬×高）均為5.1 m×3.5 m×3 m，面積約為18 m2，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為240 mm 厚磚墻加內(nèi)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(diào)為相同廠家的1.5HP 分體式空調(diào)。

2.1.2 空調(diào)電耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該高校2017 年進(jìn)行了電力擴(kuò)容改造。與照明、設(shè)備電耗不同，空調(diào)電耗以房間為單位單獨(dú)計(jì)量，通過(guò)后勤在線電耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以調(diào)取各個(gè)房間每日、每月、每年空調(diào)用電量數(shù)據(jù)。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(guò)該電耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取對(duì)應(yīng)房間2018 年4 月至2019 年3 月每日空調(diào)用電量數(shù)據(jù)，以此來(lái)研究該校研究生宿舍空調(diào)電耗使用特性。

2.2 所有房間空調(diào)總電耗數(shù)據(jù)分析

由于性別、生活習(xí)慣等不同，會(huì)造成空調(diào)電耗有所差異［6-7］，因此分別對(duì)該兩棟宿舍樓空調(diào)電耗情況展開(kāi)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(zhuǎn)年3 月每日空調(diào)電耗變化。從圖中可以明顯看出，夏季空調(diào)電耗集中于7、8、9 月，冬季空調(diào)電耗集中于12、1、3 月，2 月寒假期間空調(diào)電耗較少，其中女生宿舍樓個(gè)別天空調(diào)電耗極高，女生宿舍樓空調(diào)電耗隨日期變化波動(dòng)較大。表1 為該兩棟宿舍樓夏、冬季空調(diào)電耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果。從表中可以看出，該男、女宿舍樓每日平均空調(diào)電耗在20～25 kW·h 內(nèi)變化，夏季空調(diào)電耗峰值出現(xiàn)在7 月底、8 月初，冬季空調(diào)電耗峰值出現(xiàn)在1 月，且男、女生宿舍抽樣房間冬季空調(diào)電耗高于夏季。

圖2 夏、冬季每日空調(diào)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(diào)電耗統(tǒng)計(jì)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(diào)電耗的變化。從圖可知，全年男、女生宿舍每月空調(diào)電耗差異不大，夏、冬季空調(diào)電耗均呈先升高后降低的趨勢(shì)。夏季每月空調(diào)電耗與圖1 中日平均溫度變化趨勢(shì)相同，4 月至7 月，隨日平均溫度升高，空調(diào)電耗逐漸上升，7 月空調(diào)電耗達(dá)到最高，男、女生抽樣房間該月空調(diào)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(diào)電耗減少。冬季每月空調(diào)電耗與日平均溫度變化趨勢(shì)相反，11 月至1 月日平均溫度逐漸降低，空調(diào)電耗升高，1 月空調(diào)電耗最高，男、女生抽樣房間該月空調(diào)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(diào)電耗較1 月下降較快，3 月空調(diào)電耗有略微回升。

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

2.3 單位面積空調(diào)電耗分析

由于全年空調(diào)電耗波動(dòng)較大，僅用平均空調(diào)電耗不能代表全年空調(diào)電耗水平。將單位面積空調(diào)電耗作為衡量建筑用能情況的重要指標(biāo)，對(duì)于實(shí)際建筑的能耗分析、制定節(jié)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(diào)電耗變化，表2、3 分別為所抽樣房間夏、冬季單位面積空調(diào)電耗數(shù)據(jù)。

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(diào)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(xí)慣等差異，空調(diào)的使用時(shí)間及模式均有所不同，空調(diào)電耗也受其影響［6-7］。從圖4（a）、（b）可明顯看出，無(wú)論冬季還是夏季，女生宿舍每日單位面積空調(diào)電耗波動(dòng)較大，男生宿舍每日單位面積空調(diào)電耗較為平均；夏季男、女生宿舍單位面積空調(diào)電耗分別在0～0.54、0～1.42 kW·h·m?2范圍內(nèi)波動(dòng)，冬季男、女生宿舍單位面積空調(diào)電耗分別在0～1.05、0～1.98 kW·h·m?2范圍內(nèi)波動(dòng)，與夏季相比，冬季單位面積空調(diào)電耗波動(dòng)范圍較大，且女生宿舍波動(dòng)范圍擴(kuò)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(diào)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(diào)電耗分別為1.81、5.79 kW·h·m?2，不同季節(jié)、房間之間空調(diào)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(diào)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(diào)電耗分別為0.37、0.39 kW·h·m?2，與夏季相比分別增長(zhǎng)27.6%、34.5%。由于男、女生體質(zhì)方面以及生活習(xí)慣等方面的差異，在相同的寒冷環(huán)境中，女生的空調(diào)使用頻率較高［5］，因此女生宿舍單位面積空調(diào)電耗高于男生。冬季單位面積空調(diào)電耗與夏季相比較高，其主要原因在于冬季熱泵空調(diào)器受室外溫度影響。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，空調(diào)蒸發(fā)溫度降低，導(dǎo)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(diào)器運(yùn)行時(shí)常采用輔助加熱，也會(huì)增加空調(diào)電耗。

表2 夏、冬季典型日男、女生各宿舍房間單位面積空調(diào)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(diào)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(diào)電耗指標(biāo)與室外溫度關(guān)聯(lián)性分析

通過(guò)對(duì)空調(diào)電耗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，室外氣溫變化對(duì)空調(diào)電耗有一定影響。為探究空調(diào)電耗與室外氣溫之間的關(guān)系，采用Matlab 軟件對(duì)單位面積空調(diào)電耗與室外日平均溫度進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行定量分析。圖5（a）、（b）分別為夏、冬季單位面積空調(diào)電耗隨室外日平均溫度的變化。

圖5 夏、冬季單位面積空調(diào)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(diào)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(diào)電耗越高。但各房間單位面積空調(diào)電耗受室外溫度影響有所差異，部分房間單位面積空調(diào)電耗隨溫度升高較快，但也有房間單位面積空調(diào)電耗變化不大，因此單位面積空調(diào)電耗隨室外溫度的關(guān)聯(lián)性是基于集體表現(xiàn)，對(duì)單個(gè)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(diào)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(diào)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(jié)果越接近。

上述擬合結(jié)果中R2均超過(guò)0.8，因此擬合結(jié)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(diào)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(diào)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(diào)電耗受室外日平均溫度影響較小。

4 結(jié) 論

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

（1）從全年來(lái)看，夏季空調(diào)電耗集中于7、8、9 月，男、女生宿舍平均每日空調(diào)電耗分別為22.05、20.32 kW·h，夏季空調(diào)總電耗分別為1 953.01、2 027.08 kW·h，冬季空調(diào)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(diào)電耗分別為22.62、24.31 kW·h，冬季空調(diào)總電耗分別為2 737.51、2 940.31 kW·h；從每月來(lái)看，男、女生宿舍每月空調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)電耗分別高27.6%、34.5%，冬季單位面積空調(diào)電耗較高。

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