高校学生宿舍用电量特征与电费计价原则

2020-10-20杨云春漆晨宇李峻雄刚文杰华中科技大学环境科学与工程学院湖北武汉430074

煤气与热力 2020年9期

杨云春，易浩，彭赟，漆晨宇，李峻雄，刚文杰(华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074)

1 概述

因人员密集、功能多样化、利用率高，高校建筑能耗比较高[1]。宿舍作为高校学生学习生活的重要场所，其能耗占有相当比例。随着社会的进步与发展，越来越多的高校宿舍安装了空调设备，在提高学生舒适度的同时，也导致建筑能耗大幅上升。因此，分析研究宿舍能耗的影响因素，有助于建设节约型校园。

建筑能耗除了受空调设定温度、开启时间等用户用能行为的影响外[2-3]，房间朝向、楼层高度、围护结构设计、室外气象条件等客观因素的影响也不容忽视[4]。文献[5]采取单因素分析法，确定了朝向、窗墙比、围护结构等因素对成都住宅建筑能耗的影响，并采用正交试验设计与建筑能耗模拟相结合的方法确定了外窗类型及外墙传热系数是影响住宅能耗的主要因素。文献[6]采用能耗模拟软件DeST-h，比较在不开空调情况下各个房间内的温度，发现不同楼层的房间之间、同一楼层不同朝向的房间之间均存在规律性的空调负荷差异。文献[7]利用能耗模拟软件PBECA，分析了建筑遮阳形式、遮阳板尺寸和建筑朝向对建筑全年供冷供暖能耗的影响，并得出最佳方案。文献[8]采用建筑物能耗分析软件DOE-2，对夏热冬暖地区的不同朝向典型居住建筑总能耗进行模拟计算，发现南北向的建筑能耗比东西向低15%左右。文献[9]基于参数化平台Grasshopper的建筑能耗模拟软件Ladybug Tools，对建筑模型进行了一系列模拟，分别得到在不同朝向、太阳得热系数(SHGC)、窗墙比等参数影响下建筑的供冷供暖能耗。文献[10]运用度日法、温频法以及能耗模拟软件DeST-h，以青岛市某建筑为例，研究了同一城市不同区域的室外温度影响下的能耗情况，并提出一种建筑能耗预测方法。文献[11]分析了室外气象条件、用户空调行为模式与空调能耗的关系，发现室外气象条件不仅对冷负荷产生影响，还通过影响室内热环境对人体热感觉起作用，从而影响用户空调行为，最终对住宅能耗产生影响。文献[12]通过分析节能监测平台的能耗数据，发现性别、学历对宿舍能耗影响很大。

房间的楼层、朝向直接影响宿舍冷热负荷，进而导致即使在相同用户用能行为模式下，仍产生不同能耗及电费。若忽略该差异，对高校宿舍空调电费采取统一计价方式，对住在高负荷宿舍的学生有失公平，且不利于调动用户的节能积极性[13]。因此，有必要量化分析房间的朝向差异对供冷供暖能耗的影响，并提出更为合理灵活的电费计价机制。本文通过收集武汉(夏热冬冷地区)某高校宿舍区480个房间1年的日用电量，分析宿舍用电量的特征及主要影响因素，提出电费计价原则。

2 研究方法

① 数据收集

在武汉某高校宿舍区选取20幢宿舍楼，其中男生宿舍15幢，女生宿舍5幢。宿舍典型平面布置见图1。每幢楼分别选取底层(1层)、中间层(4层)、顶层(6层)的各8个房间(图1中的黑色圆点所在房间)，共480个监测房间。采用电能表计量各房间2018年7月3日至2019年7月2日整1年的用电量。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，寒暑假部分房间仍有在校生。

图1 宿舍典型平面布置

② 数据预处理

为排除监测房间为功能用房，对房间日用电量异常高的数据根据式(1)计算得到的房间日用电量阈值进行剔除。即当房间日用电量高于房间日用电量阈值时，便将其从数据集中剔除，对于房间日用电量为零的房间也进行剔除。房间日用电量阈值E的计算式为：

(1)

式中E——房间日用电量阈值，kW·h

qL,s——单位面积冷负荷指标，W/m2

A——房间平均面积，m2

t——空调日平均使用时间，h

ICOP——热泵型分体式空调器制冷性能系数

E0——过渡期最大日用电量，kW·h

考虑围护结构传热形成的冷负荷以及宿舍内人员、照明装置、设备发热量，单位面积冷负荷指标取120 W/m2。房间平均面积为17 m2，空调日平均使用时间取15 h。供冷期，热泵型分体式空调器的平均制冷性能系数取3.0。分析实测用电量可知，过渡期最大日用电量为4 kW·h。将已知参数代入式(1)，可得到房间日用电量阈值为14.2 kW·h。由于单位面积冷负荷指标高于单位面积热负荷指标，且平均制热能效比与平均制冷性能系数接近，因此供暖期房间日用电量阈值也取14.2 kW·h。下文中的分析均采用经过预处理后的有效数据。

③ 影响因素及显著性评价

房间日用电量影响因素选取室外温度、用户性别、朝向、楼层。采用协方差分析方法，量化用户性别、朝向、楼层对供冷期、供暖期房间日用电量影响的显著程度。协方差分析排除协变量(难以人为控制的因素)的影响，分析可以控制因素的影响，基本思想与一般的方差分析相同。为了排除室外温度的影响，将室外温度设为协变量，用户性别、朝向、楼层设置为固定因子，房间日用电量设置为因变量，通过F值判断各固定因子对因变量影响的显著程度[14]。

由于该校对空调开启时间没有严格规定，因此选取2019年6月3日—7月2日作为供冷期代表月(共计30 d，以下简称供冷月)，选取剔除寒假的2018年12月31日—2019年1月17日、2019年2月18日—3月1日作为供暖期代表月(共计30 d，以下简称供暖月)。

3 结果分析

3.1 全年用电量特征

房间日均用电量(监测期间具有有效数据房间的单日平均用电量)、日均室外温度随时间的变化见图2。由图2可知，房间日均用电量有着明显的季节性差异，供冷月、供暖月房间日均用电量比较高，供冷月高于供暖月。该高校地处夏热冬冷地区，在监测期间，供冷月室外温度高，加之室内人员密度比较高，因此冷负荷比较高。供暖月最低室外温度在0 ℃左右，考虑太阳辐射得热量、室内得热量，热负荷比较低。

图2 房间日均用电量、日均室外温度随时间的变化

房间日均用电量随日均室外温度的变化见图3。由图3可知，在寒暑假期间，多数房间无人或人数较少，不仅数据量少，而且分布散乱。因此在接下来的分析中，不考虑寒暑假期间的房间日用电量，仅分析开学期间的房间日用电数据。

图3 房间日均用电量随日均室外温度的变化

在Excel软件中，对开学期间房间日均用电量与日均室外温度进行拟合(阶数设定为3阶)，得到拟合式：

Eav=0.000 8t3-0.009 7t2-0.359 7t+

6.298

式中Eav——开学期间房间日均用电量，kW·h

t——日均室外温度，℃

拟合优度R2为0.763 4，说明相关性比较强。

3.2 影响因素分析

① 用户性别

由实测数据可知，开学期间男生宿舍、女生宿舍房间日均用电量的变化趋势基本相同(供冷月、供暖月房间日均用电量比较高，供冷月高于供暖月)。开学期间，男生宿舍房间日均用电量的平均值为3.27 kW·h，比女生宿舍高10.47%。

供冷月男生宿舍房间日均用电量比女生宿舍高，供暖月男生宿舍比女生宿舍低。主要原因是女性对冷更加敏感[15]，而且女性的服装热阻、活动水平和新陈代谢水平也异于男性[16]。此外，女性的基础体温和平均皮肤温度较低，骨骼肌比较少，皮脂厚度大[17]，导致女性的中性温度高于男性，进而通过影响空调设定温度来影响空调用电量。供冷月，由于中性温度比较高，女生宿舍设定的空调温度比较高，用电量低于男生宿舍。供暖月，由于中性温度比较高，女生宿舍设定的空调温度比较高，用电量高于男生宿舍。这与实测结果一致。

② 朝向

由实测结果可知，开学期间南向房间(图1中房间1～4)、北向房间(图1中房间5～8)的日均用电量的平均值分别为3.23、3.31 kW·h，差别不大。供冷月、供暖月的房间日均用电量也分别接近。因此，房间朝向对日用电的影响(主要是太阳辐射对房间冷热负荷的影响)并不明显，主要是由于上课时间集中在白天，学生白天使用空调的时间较短，傍晚以后使用空调较多。

此外，我们进一步分析房间位置的影响，将房间分为北向中间房间(图1中房间6、7)、东北角房间(图1中房间5)、东南角房间(图1中房间4)、南向中间房间(图1中房间2、3)、西南角房间(图1中房间1)、西北角房间(图1中房间8)进行分析。开学期间、供冷月、供暖月各位置房间日均用电量见表1。由表1可知，边角房间(除北向中间房间、南向中间房间外的房间)的日均用电量比中间房间(北向中间房间、南向中间房间)高。边角房间日均用电量高于中间房间的主要原因在于，边角房间的外墙面积大，由围护结构传热形成的冷热负荷高于中间房间。

表1 开学期间供冷月、供暖月各位置房间日均用电量

③ 楼层

开学期间，1层、4层、6层房间的日均用电量的平均值分别为3.12、3.17、3.81 kW·h。供冷月1层、4层、6层房间的日均用电量的平均值分别为4.04、5.48、7.33 kW·h，供暖月1层、4层、6层房间的日均用电量的平均值分别为6.19、4.84、6.93 kW·h。供冷月底层房间的日均用电量最低，顶层房间最高，中间层房间居中。供暖月中间层的日均用电量最低，顶层房间最高，底层房间居中。

顶层房间日均用电量最高的原因主要为：供冷月，白天屋顶吸收大量的太阳辐射热，加之屋顶传热形成的冷负荷，导致用电量居高不下。供暖月，白天太阳辐射强度弱且时间短，屋顶传热形成的热负荷占主导地位，导致用电量高于其他楼层。相比之下，中间层、底层房间受到太阳辐射、围护结构传热的影响小。

④ 影响因素显著性评价

采用SPSS 25软件进行协方差分析，在排除室外温度的影响下，研究性别、朝向(不考虑位置)、楼层对供冷月、供暖月房间日均用电量影响的显著程度。将房间日均用电量设置为因变量，性别、朝向、楼层设置为固定因子，室外温度设为协变量，显著性水平α选用默认值0.05，通过协方差分析计算各因素的影响水平。由计算结果可知，供冷月、供暖月楼层对日用电量的影响最为显著。