南京市中小学校园建筑能耗定额的研究

唐文龙 沈俊杰 龚延风

南京工业大学城建学院

0 引言

目前，中小学校园建筑数量众多[1]，建筑能耗管理缺失。校园为教育和生活场所，对其特性开展研究，有效降低建筑运行能耗，增强学生们节能环保意识，有力推进整个社会绿色低碳发展。

在研究南京市168所小学和131所中学近3年建筑用电基础上，分析建筑特点和影响因素，探究科学、可行的中小学校园建筑能耗定额方法。

1 中小学能耗统计特征及影响因素分析

1.1 能源消耗现状

对数据运用 SPSS/EXCLE软件分析，得到中小学单位建筑面积能耗和生均能耗，如图1、图2所示，不同类型和同类型学校间用电水平均存在差异性，这种现象源自教育阶段，建筑面积，师生人数和设备使用等因素。

图1 中小学校单位建筑面积能耗

图2 中小学校生均能耗

1.2 中小学校园建筑能耗特点

1.2.1 建筑类型

1）建筑类型

①包括教学楼、行政楼、图书馆、实验室等。大多数公有制中小学不采用寄宿制，不需专设食堂，宿舍和澡堂。

②从图3看出，教学楼是校园建筑重要组成部分，占校园建筑面积75%以上。

图3 各级各类学校教学设施情况

1.2.2 生均建筑面积和班级人数

依据《南京市普通中小学办学条件标准（修订版）》[2]：小学和中学生均建筑面积指标不低于7.3 m2/生和10.45 m2/生。数据分析，校园生均建筑面积分布如图4、图5所示。

图4 小学校园生均建筑面积分布图

图5 中学校园生均建筑面积分布图

按生均建筑面积划分为三个区段，见表1。

表1 生均建筑面积分段表

依据《标准》规定，小学和中学每班分为45人和50人。图6看出，小学班级人数在30～50人之间，平均每班42人，中位值为44人。中学班级人数在38～54人之间，平均每班46人，中位值为45人。

图6 中学校园班级人数分布图

按班级人数划分为三个区段，见表2。

表2 班级人数分段表

1.2.3 学校使用时间

学校作息安排，每天以上午7:00-11:30，下午1:30-5:00为主，每周从周一至周五，每年从9月至1月和2月底至7月初，约为200天。中小学存在寒暑假，避开夏天的酷暑，使其建筑用能具有间断性，这段时间校园建筑使用率较低[3]。

1.2.4 教学楼用能分布

教学楼以电力为主，从图7看出，包括照明，空调和其他设备等。为创造良好学习环境，教育部门会鼓励在中小学教室里安装空调。在研究中，应考虑教室是否安装空调。

照明和空调在电力消耗中所占比例大，着重分析。

1）照明

照明用电与运行时间，照明功率和建筑面积有关，在满足空间基本照度需求后，不受室内人员数量影响。

2）空调

教室空调采用分体壁挂式，行政办公楼采用柜式空调机，无集中式空调系统。空调负荷与两个因素有关系：

①建筑情况：负荷与围护结构，室内人员和使用时间相关。

②空调系统性能：教室安装分体式空调，为地方教育部门统一采购，故认为运行性能不会有太大的差异性。

图7 空调季学校教学楼用电分项情况

1.3 中小学能耗影响因素的分析

1.3.1影响因素相关分析

影响因素包括：建筑年代，建筑面积，师生人数和空调设置。采用相关分析法，确定显著性因素。采用逐步回归分析法确定相关性显著且无共线性的因素。

1）相关性分析

相关性分析法是研究用能和影响因素间相关性大小：

式中：r为相关系数（|r|≤1）；E为建筑能耗值；E为建筑样本平均能耗值；X为影响因素量化值；为影响因素量化平均值。通常情况下用取值范围来判断变量的相关性程度。

2）逐步回归分析法

逐步回归法是引入变量显著性水平α，提出变量临界值Fa，剔除变量临界值Fe。建立回归方程：

式中：E为建筑用电量，kWh；X0、X1、X2、X3为建筑年代，建筑面积，在校师生数和空调使用；b0、b1、b2、b3为各项式系数；a为常数项。

每次引入对E影响显著的变量X，对自变量进行检验，剔除不显著的变量，留在模型中的自变量，对因变量的相关程度较高且无共线性关系。

1.3.2 分析结果

运用SPSS软件，得到建筑年用电量与影响因素相关系数，见表3。

表3 建筑年用电量与影响因素间的相关系数

由表2可知，建筑面积，在校师生数和空调设置与建筑年用电量显著性相关（相关系数|r|＞0.4）。

进行逐步回归分析，从图8可知，第5次RMSE（标准误差）最低，得到显著无共性自变量为建筑面积和空调设置。

图8 建筑年用电量与影响因素的逐步回归模型

2 中小学校园建筑能耗定额编制

2.1 学校能耗定额指标分析

目前，校园的能耗评价指标通常选取单位建筑面积指标或者人均建筑能耗指标[4-5]。

教学楼未安装空调的学校，建筑能耗主要是照明能耗，通过研究发现，照明能耗变化主要受人员作息的影响[6]，教室照明时间和人员相对固定，采用单位建筑面积指标，教学楼安装空调的学校，在空调使用期间，需要考虑师生人数对空调负荷的影响，采用单位建筑面积指标时可以进行修正。

2.2 南京市中小学学校建筑能耗定额指标体系

将学校分为四种类型，建筑能耗指标为单位建筑面积能耗（kWh/(m2·a)），见表4。

2.3 南京市中小学校园建筑能耗定额计算

依据统计定额编制中小学校园建筑能耗定额，以I类校园建筑为例进行计算。

1）制定过程

①能耗数据分布

将单位建筑面积能耗频数经过 MATLAB概率化处理，得到概率分布密度，如图9所示。

图9 I类校园单位建筑面积能耗频数和概率密度分布图

求样本能耗数据平均值V和标准差S，计算不同定额水平下的定额值Q：

式中：Zα表示累积概率为（1-α）时所对应的标准正态分布概率密度值。

②正态检验

从图10可知，各组段累积频率近似于在一条直线上的，可认为样本建筑能耗水平服从正态分布。

图10 Ⅰ类建筑正态性检验

③定额水平表

对不同定额水平下的能耗进行计算，得到建筑定额水平表，见表5。

表5 Ⅰ类校园单位建筑面积定额水平表

将建筑能耗定额水平选取 0.2，即保证建筑用能水平通过率为80%，得到南京市中小学校建筑能耗定额值，见表6。

表6 南京市中小学校园建筑能耗定额值

3 建筑能耗定额修正系数模型与计算

单位面积能耗指标忽略主体“人”对建筑能耗的影响，无法客观公平反映能耗水平[7]，显然同类型学校执行相同定额值，存在不合理性。因此，对于Ⅰ、Ⅱ类型学校，根据生均建筑面积分段修正，对于Ⅲ、Ⅳ类型学校，通过班级人数分段修正。

3.1 Ⅰ、Ⅱ类型学校修正系数模型

利用SPSS 软件得出在校师生人数与年用电回归模型，公式为：

式中：y为小学和中学校园建筑年用电量，kWh；p为在校师生人数，人。

通过建筑预测用电与实际用电的比值α，计算修正系数η1，公式为：

式中：η1为修正系数；E为样本建筑年实际用电量，kWh；n为样本建筑数量。

3.2 Ⅲ、Ⅳ类型学校修正系数模型

Ⅲ、Ⅳ类学校考虑空调对建筑能耗影响，提出基于DeST-C能耗模拟分析手段的修正系数计算模型。

3.2.1 模型建立说明

以学校教学楼为参考，构建一个三层教学楼建筑，占地面积为555 m2，高度为10.8 m，每层为3.6 m，每间教室长10 m，宽8 m，建筑模型如图11所示。

图11 学校教学楼每层的DeST模型

1）围护结构热工参数

建筑围护结构传热系数和遮阳系数取值，参考《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中夏热冬冷地区数据，见表7。

表7 建筑围护结构的热工参数

2）房间人员，照明以及空调作息时间

根据中小学作息规定，人员作息安排如下（假设室内数齐整时为1），见表8。

表8 中小学教室人员作息情况

《建筑照明设计标准》规定，教室照明功率为11W/m2，照度标准值为300Lx。问卷调查可知，教室照明开关情况见表9。

表9 教室照明开关情况

分体式空调开启和关闭均是人为设置，通过现场调研，得到教学楼空调的实际控制策略，空调的控制情况见表10。

表10 教室空调控制情况

根据1.2.3中分析，采暖季设定为12月1日到1月14日，空调季设定为6月10日到7月7日。

3.2.2 模拟结果对比分析

构建模型，设定参数，采用能耗模拟软件进行校园建筑全年负荷动态计算，结果如图12、图13所示。

图12 小学校园建筑全年负荷与人数关系图

图13 中学校园建筑全年负荷与人数关系图

从图12、图13看出，随教室人数的增加，全年热负荷逐渐减少。相反，全年冷负荷随着人数增加而增大。由于人数增加，群体发热量变大，导致供热减少，而夏季需要提供更多制冷量。从总负荷变化可以看出，随着人数的增加，总负荷还是增大。

3.2.3 修正系数计算

得到不同班级人数下的建筑全年空调负荷，回归出空调负荷与人数的模型，公式为：

式中：y为回归模型得到的空调负荷，kWh/m2；x为班级人数，人。

计算建筑实际班级人数下的预测空调负荷与班级人数中位值下的空调负荷比值β，使用分段函数含义为：学校班级人数在规定范围内时，不予修正。反之，若班级人数在规定范围外时，需 要进行修正，公式为：

式中：y*为根据回归模型，在班级人数中位值下得到的空调负荷，kWh/m2；x1、x2分别为中小学班级人数规定下限值和上限值，人。

通过β来修正建筑空调能耗，得到修正系数η2，公式为：式中：Eh为建筑空调能耗，kWh；Et为建筑其他能耗，kWh。

3.3 能耗定额修正系数

根据上述方法，计算各类型学校的修正系数，结果如表11、表12所示。

表11 Ⅰ、Ⅱ类型学校修正系数表

表12 Ⅲ、Ⅳ类型学校修正系数表

在生均建筑面积和班级人数区段内，对能耗定额进行相应的修正。该方法的优点是考虑到了师生人数对建筑能耗的影响，同时对于每个类型的学校，能耗也都能得到合理的修正。

4 结论

1）分析南京市中小学校园建筑的能耗特征，主要影响因素是校园建筑面积，在校师生人数和空调设置，将校园建筑分成四种类型，进而建立建筑能耗定额指标体系。

2）基于南京市中小学校园建筑近3年用能数据，利用定额水平法编制了中小学校园建筑能耗定额。

3）为兼顾各类中小学校的用能特征和利益，依据生均建筑面积和班级人数对中小学校园建筑进行划分，计算各区段内能耗修正系数，为评价我国中小学的用能水平提供了一种科学有效的方法，具有一定的实践意义。