南京市中小學校園建筑能耗定額的研究

唐文龍 沈俊杰 龔延風

南京工業大學城建學院

0 引言

目前，中小學校園建筑數量眾多[1]，建筑能耗管理缺失。校園為教育和生活場所，對其特性開展研究，有效降低建筑運行能耗，增強學生們節能環保意識，有力推進整個社會綠色低碳發展。

在研究南京市168所小學和131所中學近3年建筑用電基礎上，分析建筑特點和影響因素，探究科學、可行的中小學校園建筑能耗定額方法。

1 中小學能耗統計特征及影響因素分析

1.1 能源消耗現狀

對數據運用 SPSS/EXCLE軟件分析，得到中小學單位建筑面積能耗和生均能耗，如圖1、圖2所示，不同類型和同類型學校間用電水平均存在差異性，這種現象源自教育階段，建筑面積，師生人數和設備使用等因素。

圖1 中小學校單位建筑面積能耗

圖2 中小學校生均能耗

1.2 中小學校園建筑能耗特點

1.2.1 建筑類型

1）建筑類型

①包括教學樓、行政樓、圖書館、實驗室等。大多數公有制中小學不采用寄宿制，不需專設食堂，宿舍和澡堂。

②從圖3看出，教學樓是校園建筑重要組成部分，占校園建筑面積75%以上。

圖3 各級各類學校教學設施情況

1.2.2 生均建筑面積和班級人數

依據《南京市普通中小學辦學條件標準（修訂版）》[2]：小學和中學生均建筑面積指標不低于7.3 m2/生和10.45 m2/生。數據分析，校園生均建筑面積分布如圖4、圖5所示。

圖4 小學校園生均建筑面積分布圖

圖5 中學校園生均建筑面積分布圖

按生均建筑面積劃分為三個區段，見表1。

表1 生均建筑面積分段表

依據《標準》規定，小學和中學每班分為45人和50人。圖6看出，小學班級人數在30～50人之間，平均每班42人，中位值為44人。中學班級人數在38～54人之間，平均每班46人，中位值為45人。

圖6 中學校園班級人數分布圖

按班級人數劃分為三個區段，見表2。

表2 班級人數分段表

1.2.3 學校使用時間

學校作息安排，每天以上午7:00-11:30，下午1:30-5:00為主，每周從周一至周五，每年從9月至1月和2月底至7月初，約為200天。中小學存在寒暑假，避開夏天的酷暑，使其建筑用能具有間斷性，這段時間校園建筑使用率較低[3]。

1.2.4 教學樓用能分布

教學樓以電力為主，從圖7看出，包括照明，空調和其他設備等。為創造良好學習環境，教育部門會鼓勵在中小學教室里安裝空調。在研究中，應考慮教室是否安裝空調。

照明和空調在電力消耗中所占比例大，著重分析。

1）照明

照明用電與運行時間，照明功率和建筑面積有關，在滿足空間基本照度需求后，不受室內人員數量影響。

2）空調

教室空調采用分體壁掛式，行政辦公樓采用柜式空調機，無集中式空調系統?？照{負荷與兩個因素有關系：

①建筑情況：負荷與圍護結構，室內人員和使用時間相關。

②空調系統性能：教室安裝分體式空調，為地方教育部門統一采購，故認為運行性能不會有太大的差異性。

圖7 空調季學校教學樓用電分項情況

1.3 中小學能耗影響因素的分析

1.3.1影響因素相關分析

影響因素包括：建筑年代，建筑面積，師生人數和空調設置。采用相關分析法，確定顯著性因素。采用逐步回歸分析法確定相關性顯著且無共線性的因素。

1）相關性分析

相關性分析法是研究用能和影響因素間相關性大小：

式中：r為相關系數（|r|≤1）；E為建筑能耗值；E為建筑樣本平均能耗值；X為影響因素量化值；為影響因素量化平均值。通常情況下用取值范圍來判斷變量的相關性程度。

2）逐步回歸分析法

逐步回歸法是引入變量顯著性水平α，提出變量臨界值Fa，剔除變量臨界值Fe。建立回歸方程：

式中：E為建筑用電量，kWh；X0、X1、X2、X3為建筑年代，建筑面積，在校師生數和空調使用；b0、b1、b2、b3為各項式系數；a為常數項。

每次引入對E影響顯著的變量X，對自變量進行檢驗，剔除不顯著的變量，留在模型中的自變量，對因變量的相關程度較高且無共線性關系。

1.3.2 分析結果

運用SPSS軟件，得到建筑年用電量與影響因素相關系數，見表3。

表3 建筑年用電量與影響因素間的相關系數

由表2可知，建筑面積，在校師生數和空調設置與建筑年用電量顯著性相關（相關系數|r|＞0.4）。

進行逐步回歸分析，從圖8可知，第5次RMSE（標準誤差）最低，得到顯著無共性自變量為建筑面積和空調設置。

圖8 建筑年用電量與影響因素的逐步回歸模型

2 中小學校園建筑能耗定額編制

2.1 學校能耗定額指標分析

目前，校園的能耗評價指標通常選取單位建筑面積指標或者人均建筑能耗指標[4-5]。

教學樓未安裝空調的學校，建筑能耗主要是照明能耗，通過研究發現，照明能耗變化主要受人員作息的影響[6]，教室照明時間和人員相對固定，采用單位建筑面積指標，教學樓安裝空調的學校，在空調使用期間，需要考慮師生人數對空調負荷的影響，采用單位建筑面積指標時可以進行修正。

2.2 南京市中小學學校建筑能耗定額指標體系

將學校分為四種類型，建筑能耗指標為單位建筑面積能耗（kWh/(m2·a)），見表4。

2.3 南京市中小學校園建筑能耗定額計算

依據統計定額編制中小學校園建筑能耗定額，以I類校園建筑為例進行計算。

1）制定過程

①能耗數據分布

將單位建筑面積能耗頻數經過 MATLAB概率化處理，得到概率分布密度，如圖9所示。

圖9 I類校園單位建筑面積能耗頻數和概率密度分布圖

求樣本能耗數據平均值V和標準差S，計算不同定額水平下的定額值Q：

式中：Zα表示累積概率為（1-α）時所對應的標準正態分布概率密度值。

②正態檢驗

從圖10可知，各組段累積頻率近似于在一條直線上的，可認為樣本建筑能耗水平服從正態分布。

圖10 Ⅰ類建筑正態性檢驗

③定額水平表

對不同定額水平下的能耗進行計算，得到建筑定額水平表，見表5。

表5 Ⅰ類校園單位建筑面積定額水平表

將建筑能耗定額水平選取 0.2，即保證建筑用能水平通過率為80%，得到南京市中小學校建筑能耗定額值，見表6。

表6 南京市中小學校園建筑能耗定額值

3 建筑能耗定額修正系數模型與計算

單位面積能耗指標忽略主體“人”對建筑能耗的影響，無法客觀公平反映能耗水平[7]，顯然同類型學校執行相同定額值，存在不合理性。因此，對于Ⅰ、Ⅱ類型學校，根據生均建筑面積分段修正，對于Ⅲ、Ⅳ類型學校，通過班級人數分段修正。

3.1 Ⅰ、Ⅱ類型學校修正系數模型

利用SPSS 軟件得出在校師生人數與年用電回歸模型，公式為：

式中：y為小學和中學校園建筑年用電量，kWh；p為在校師生人數，人。

通過建筑預測用電與實際用電的比值α，計算修正系數η1，公式為：

式中：η1為修正系數；E為樣本建筑年實際用電量，kWh；n為樣本建筑數量。

3.2 Ⅲ、Ⅳ類型學校修正系數模型

Ⅲ、Ⅳ類學?？紤]空調對建筑能耗影響，提出基于DeST-C能耗模擬分析手段的修正系數計算模型。

3.2.1 模型建立說明

以學校教學樓為參考，構建一個三層教學樓建筑，占地面積為555 m2，高度為10.8 m，每層為3.6 m，每間教室長10 m，寬8 m，建筑模型如圖11所示。

圖11 學校教學樓每層的DeST模型

1）圍護結構熱工參數

建筑圍護結構傳熱系數和遮陽系數取值，參考《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015中夏熱冬冷地區數據，見表7。

表7 建筑圍護結構的熱工參數

2）房間人員，照明以及空調作息時間

根據中小學作息規定，人員作息安排如下（假設室內數齊整時為1），見表8。

表8 中小學教室人員作息情況

《建筑照明設計標準》規定，教室照明功率為11W/m2，照度標準值為300Lx。問卷調查可知，教室照明開關情況見表9。

表9 教室照明開關情況

分體式空調開啟和關閉均是人為設置，通過現場調研，得到教學樓空調的實際控制策略，空調的控制情況見表10。

表10 教室空調控制情況

根據1.2.3中分析，采暖季設定為12月1日到1月14日，空調季設定為6月10日到7月7日。

3.2.2 模擬結果對比分析

構建模型，設定參數，采用能耗模擬軟件進行校園建筑全年負荷動態計算，結果如圖12、圖13所示。

圖12 小學校園建筑全年負荷與人數關系圖

圖13 中學校園建筑全年負荷與人數關系圖

從圖12、圖13看出，隨教室人數的增加，全年熱負荷逐漸減少。相反，全年冷負荷隨著人數增加而增大。由于人數增加，群體發熱量變大，導致供熱減少，而夏季需要提供更多制冷量。從總負荷變化可以看出，隨著人數的增加，總負荷還是增大。

3.2.3 修正系數計算

得到不同班級人數下的建筑全年空調負荷，回歸出空調負荷與人數的模型，公式為：

式中：y為回歸模型得到的空調負荷，kWh/m2；x為班級人數，人。

計算建筑實際班級人數下的預測空調負荷與班級人數中位值下的空調負荷比值β，使用分段函數含義為：學校班級人數在規定范圍內時，不予修正。反之，若班級人數在規定范圍外時，需 要進行修正，公式為：

式中：y*為根據回歸模型，在班級人數中位值下得到的空調負荷，kWh/m2；x1、x2分別為中小學班級人數規定下限值和上限值，人。

通過β來修正建筑空調能耗，得到修正系數η2，公式為：式中：Eh為建筑空調能耗，kWh；Et為建筑其他能耗，kWh。

3.3 能耗定額修正系數

根據上述方法，計算各類型學校的修正系數，結果如表11、表12所示。

表11 Ⅰ、Ⅱ類型學校修正系數表

表12 Ⅲ、Ⅳ類型學校修正系數表

在生均建筑面積和班級人數區段內，對能耗定額進行相應的修正。該方法的優點是考慮到了師生人數對建筑能耗的影響，同時對于每個類型的學校，能耗也都能得到合理的修正。

4 結論

1）分析南京市中小學校園建筑的能耗特征，主要影響因素是校園建筑面積，在校師生人數和空調設置，將校園建筑分成四種類型，進而建立建筑能耗定額指標體系。

2）基于南京市中小學校園建筑近3年用能數據，利用定額水平法編制了中小學校園建筑能耗定額。

3）為兼顧各類中小學校的用能特征和利益，依據生均建筑面積和班級人數對中小學校園建筑進行劃分，計算各區段內能耗修正系數，為評價我國中小學的用能水平提供了一種科學有效的方法，具有一定的實踐意義。