2021, Vol. 37
随着高等教育事业的发展，办学规模的逐渐扩大，高校类建筑越来越多，高校建筑能耗在公共建筑能耗中的占比也呈现逐年上升的趋势［1］。高校宿舍作为校园建筑中面积占比最多的一类建筑，其建筑能耗也不容忽视。谢洋春［2］通过某高校节能监测平台对该校建筑的整体用能情况进行了分析，结果发现宿舍是高校建筑节能的核心项目。胡轩昂［3］基于浙江省某高校能耗监测平台，运用多元线性回归的方法对宿舍、教学楼等建筑用能情况进行了分析，结果表明宿舍面积是影响宿舍能耗不可忽略的因素，并强调了典型日能耗评价的必要性。杨阳［4］依托安徽某高校能源监管平台建立了一套适用于高校教学楼及学生宿舍的评价指标体系，并提出目前校园类建筑能耗评价更多关注的是建筑总能耗指标，而分类分项能耗能够更加科学地评价建筑用能水平。陈淑琴等［5］采用统计学方法对高校宿舍内用能行为特征进行了研究，结果表明照明和热水器使用较为节省，空调电耗受使用时长和温度设定影响较大，通过聚类分析发现空调使用时长对用能行为特征聚类贡献最大。
上述研究大多基于高校宿舍建筑总能耗，而对占宿舍总能耗很大比例的空调能耗特性的研究较少，且空调电耗指标缺乏。因此，本文以上海某高校研究生宿舍2018年4月至2019年3月空调电耗作为研究对象，综合分析空调电耗使用特性并总结出空调电耗指标，以期对合理匹配空调供配电系统以及制定节能措施等提供参考。
1 上海地区气候特征上海地区位于长江下游，属典型夏热冬冷地区，春秋较短，冬夏较长，居民普遍采用空调来调节室内环境，而室外环境的变化对室内温湿度影响极大。结合上海某高校气象站提供的上海地区2018年4月至2019年3月的室外气象参数，得到2018年4月至2019年3月日平均温度随时间变化，结果如图1所示。从图可以看出，在该期间日平均温度的变化呈S型，全年温度波动较大；夏季7、8、9三个月日平均温度较高，8月温度达到最高，最高日平均温度为32 ℃；冬季12、1、2、3月气温较低，最低日平均气温为0.2 ℃，出现在1月；由于全年降水量较多，因此空气相对湿度较高。
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图 1 全年日平均温度变化 Fig.1 Annual daily average temperature variation |
本次研究以上海某高校男、女研究生宿舍楼各一栋作为取样样本。该两栋研究生宿舍楼均始建于20世纪90年代，为普通砖混结构建筑，每栋楼高7层，每层共42间学生宿舍。1号楼为男生宿舍，建筑面积约为7 554 m2，2号楼为女生宿舍，建筑面积约为7 361 m2；每间宿舍房间尺寸（长 × 宽 × 高）均为5.1 m × 3.5 m × 3 m，面积约为18 m2，外围护结构为240 mm厚砖墙加内外抹灰砂浆，窗户为普通塑钢窗，面积约为5 m2，每间房间均为4人间，所配备的空调为相同厂家的1.5HP分体式空调。
2.1.2 空调电耗监测系统该高校2017年进行了电力扩容改造。与照明、设备电耗不同，空调电耗以房间为单位单独计量，通过后勤在线电耗监测系统，可以调取各个房间每日、每月、每年空调用电量数据。本次研究在该两栋宿舍楼采用分层抽样的方法各选取6间朝向、位置相同的房间，通过该电耗监测系统获取对应房间2018年4月至2019年3月每日空调用电量数据，以此来研究该校研究生宿舍空调电耗使用特性。
2.2 所有房间空调总电耗数据分析由于性别、生活习惯等不同，会造成空调电耗有所差异［6-7］，因此分别对该两栋宿舍楼空调电耗情况展开分析。图2为该两栋宿舍楼所有抽样房间4月至9月、10月至转年3月每日空调电耗变化。从图中可以明显看出，夏季空调电耗集中于7、8、9月，冬季空调电耗集中于12、1、3月，2月寒假期间空调电耗较少，其中女生宿舍楼个别天空调电耗极高，女生宿舍楼空调电耗随日期变化波动较大。表1为该两栋宿舍楼夏、冬季空调电耗统计数据结果。从表中可以看出，该男、女宿舍楼每日平均空调电耗在20～25 kW·h内变化，夏季空调电耗峰值出现在7月底、8月初，冬季空调电耗峰值出现在1月，且男、女生宿舍抽样房间冬季空调电耗高于夏季。
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图 2 夏、冬季每日空调总电耗变化 Fig.2 Daily total electricity consumption of air conditioners varies in Summer and Winter |
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表 1 男、女生宿舍全楼空调电耗统计 Table 1 Statistics on the electricity consumption of air conditioners in male and female dormitories |
图3为抽样房间每月空调电耗的变化。从图可知，全年男、女生宿舍每月空调电耗差异不大，夏、冬季空调电耗均呈先升高后降低的趋势。夏季每月空调电耗与图1中日平均温度变化趋势相同，4月至7月，随日平均温度升高，空调电耗逐渐上升，7月空调电耗达到最高，男、女生抽样房间该月空调电耗分别为1 013.72、1 055.75 kW·h，8月至10月日平均温度逐渐降低，空调电耗减少。冬季每月空调电耗与日平均温度变化趋势相反，11月至1月日平均温度逐渐降低，空调电耗升高，1月空调电耗最高，男、女生抽样房间该月空调电耗分别为1 249.47、1 383.31 kW·h，高于夏季。2月正值寒假，因此空调电耗较1月下降较快，3月空调电耗有略微回升。
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图 3 男、女生宿舍楼每月空调电耗变化 Fig.3 The electricity consumption of air conditioning varies month by month |
由于全年空调电耗波动较大，仅用平均空调电耗不能代表全年空调电耗水平。将单位面积空调电耗作为衡量建筑用能情况的重要指标，对于实际建筑的能耗分析、制定节能措施等具有重要意义［8-9］。以电耗较高的夏季7、8月，冬季12、1月为例，图4（a）、（b）分别为夏季7、8月，冬季12、1月男、女生宿舍抽样房间每日平均单位面积空调电耗变化，表2、3分别为所抽样房间夏、冬季单位面积空调电耗数据。
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图 4 夏季7、8月，冬季12、1月男、女生宿舍楼每日单位面积空调电耗变化 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 |
由于使用人员的性别、行为特征、生活习惯等差异，空调的使用时间及模式均有所不同，空调电耗也受其影响［6-7］。从图4（a）、（b）可明显看出，无论冬季还是夏季，女生宿舍每日单位面积空调电耗波动较大，男生宿舍每日单位面积空调电耗较为平均；夏季男、女生宿舍单位面积空调电耗分别在0～0.54、0～1.42 kW·h·m−2范围内波动，冬季男、女生宿舍单位面积空调电耗分别在0～1.05、0～1.98 kW·h·m−2范围内波动，与夏季相比，冬季单位面积空调电耗波动范围较大，且女生宿舍波动范围扩大较多。
由表2可知，夏季典型日男、女生宿舍最高单位面积空调电耗分别为1.35、2.51 kW·h·m−2，冬季典型日男、女生宿舍最高单位面积空调电耗分别为1.81、5.79 kW·h·m−2，不同季节、房间之间空调电耗差异较大。由表3可知，夏季7、8月男、女生宿舍每日平均单位面积空调电耗分别为0.29、0.30 kW·h·m−2，冬季12、1月男、女生宿舍平均单位面积空调电耗分别为0.37、0.39 kW·h·m−2，与夏季相比分别增长27.6%、34.5%。由于男、女生体质方面以及生活习惯等方面的差异，在相同的寒冷环境中，女生的空调使用频率较高［5］，因此女生宿舍单位面积空调电耗高于男生。冬季单位面积空调电耗与夏季相比较高，其主要原因在于冬季热泵空调器受室外温度影响。当室外温度较低时，空调蒸发温度降低，导致热泵能效比（COP）也随之降低，因此制取相同的热量，冬季所耗电能较高，且冬季空调器运行时常采用辅助加热，也会增加空调电耗。
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表 2 夏、冬季典型日男、女生各宿舍房间单位面积空调电耗 Table 2 Unit area air conditioning electricity consumption of each male and female dormitory on typical day of summer and winter |
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表 3 夏、冬季男、女生各宿舍房间平均每日单位面积空调电耗 Table 3 Average daily electricity consumption of air conditioners per unit area of male and female dormitories in summer and winter |
通过对空调电耗数据分析发现，室外气温变化对空调电耗有一定影响。为探究空调电耗与室外气温之间的关系，采用Matlab软件对单位面积空调电耗与室外日平均温度进行拟合，并对拟合结果进行定量分析。图5（a）、（b）分别为夏、冬季单位面积空调电耗随室外日平均温度的变化。
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图 5 夏、冬季单位面积空调电耗随温度变化 Fig.5 Electricity consumption per unit area varies with temperature in summer and winter |
由图5（a）、（b）可知：夏季日平均温度越高，男、女生宿舍单位面积空调电耗越高；冬季则与之相反，室外日平均温度越低，单位面积空调电耗越高。但各房间单位面积空调电耗受室外温度影响有所差异，部分房间单位面积空调电耗随温度升高较快，但也有房间单位面积空调电耗变化不大，因此单位面积空调电耗随室外温度的关联性是基于集体表现，对单个房间并不适用。下面分别为夏、冬季男、女生宿舍单位面积空调电耗与室外日平均温度的拟合公式。
夏季男生宿舍
| $\qquad W = 1.003\;3\overline T - 0.661\;1,\;\;{R^2} = 0.839\;5 $ | (1) |
夏季女生宿舍
| $\qquad W = 0.916\;3\overline T - 0.413\;6,\;\;{R^2} = 0.836\;3 $ | (2) |
冬季男生宿舍
| $\qquad W = 0.575\overline T - 1.183,\;\;{R^2} = 0.858\;1 $ | (3) |
冬季女生宿舍
| $\qquad W = 0.414\;9\overline T - 0.421,\;\;{R^2} = 0.912\;5 $ | (4) |
式中：W为单位面积空调电耗，kW·h·m−2；
上述拟合结果中
本文以上海某高校研究生宿舍为例，综合分析了该地区2018年4月到2019年3月室外气象参数以及该校两栋男、女研究生宿舍楼空调电耗的使用特性，主要结论为：
（1）从全年来看，夏季空调电耗集中于7、8、9月，男、女生宿舍平均每日空调电耗分别为22.05、20.32 kW·h，夏季空调总电耗分别为1 953.01、2 027.08 kW·h，冬季空调电耗集中于12、1、3月（2月寒假放假），男、女生宿舍每日平均空调电耗分别为22.62、24.31 kW·h，冬季空调总电耗分别为2 737.51 、2 940.31 kW·h；从每月来看，男、女生宿舍每月空调电耗差异不大，受气温变化影响明显；
（2）夏季7、8月男、女生抽样房间每日单位面积空调电耗分别为0.29、0.30 kW·h·m−2，冬季12、1月男、女生抽样房间每日单位面积空调电耗分别为0.37、0.39 kW·h·m−2，与夏季相比，冬季男、女生宿舍单位面积空调电耗分别高27.6%、34.5%，冬季单位面积空调电耗较高。
（3）夏季单位面积空调电耗与日平均温度呈正相关，冬季单位面积空调电耗与日平均温度呈负相关，且与夏季相比，冬季单位面积空调电耗受室外温度影响较小。
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