Management Science and Engineering
Vol.3 No.02(2014), Article ID:13725,7 pages
DOI:10.12677/MSE.2014.32008
Analysis on Energy Consumption and Energy-Saving Potential of the Main Teaching Building of a University in Beijing
1School of Economics and Management, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing
2Narvik College University, Narvik, Norway
3College of Statistics and Mathematics, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou
Email: suochenxia@bipt.edu.cn, wds@hin.no, yangyonghebei@126.com
Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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Received: Apr. 18th, 2014; revised: May 20th, 2014; accepted: Jun. 6th, 2014
ABSTRACT
The energy-saving transformation of buildings is an effective way to solve the energy shortage. The paper forecasts three situations about the energy consumption of the main teaching building of a university by using the scenario analysis method and IPAT equation and reaches the energysaving potential of the main teaching building of the university through comparing the gap between the current situation and forecasting situations. Based on the case, the paper puts forward suggestions for the architectural design of Chinese colleges and universities and the prospect for the future building energy efficiency.
Keywords:Office Building, Energy Consumption, Scenario Analysis Method, IPAT Equation
某高校教学主楼能源使用现状及节能潜力分析
索晨霞1，Wei Deng Solvang2，杨 勇3，张志慧1
1北京石油化工学院经管学院，北京
2纳尔维克工学院，纳尔维克，挪威
3浙江工商大学数理统计学院，杭州
Email: suochenxia@bipt.edu.cn, wds@hin.no, yangyonghebei@126.com
收稿日期：2014年4月18日；修回日期：2014年5月20日；录用日期：2014年6月6日
摘 要
建筑节能改造是解决能源短缺的有效办法。本文使用情景分析法及IPAT 方程对某高校主教学楼的能源消耗进行三种情况的预测，通过比较现状与预测情况的差距，得出某高校主教学楼的建筑节能潜力。在此案例的基础上提出中国高校建筑设计的建议和未来建筑节能的展望。
关键词
教学楼，能源消耗，情景分析法，IPAT方程
1. 引言
在全球面临能源危机和经济危机的背景下，节能减排成为全球社会的主题而备受关注。我国作为一个处于高速经济发展期的发展中国家，面临巨大的能源及环境挑战。21世纪以来，我国高等教育规模迅速扩大，在校人数、建筑面积和教学设备等急剧增加。校园建筑数量庞大，建筑类型繁多。据统计，我国大学数量近2000余所，在校生人数达2300多万，占全国人口的4.4%，消费着社会总能耗的8%；全国大学生生均能耗、水耗分别是全国居民人均能耗的4倍和2倍，大学校园间的能耗水平差异大、增长快、预示着校园蕴藏着的巨大的节能潜力。然而，校园建筑设施量大面广，基础数据严重缺失，能源管理水平低，严重制约着校园节能工作深入持久地开展。
高校建筑节能潜力巨大，高校建筑能源浪费现象较为普遍，这阻碍了高校节约型校园的建设。本文运用情景分析法并结合IPAT模型，对北京某高校教学主楼的能源消耗状况进行分析、预测，探究建筑能源消耗与节能之间的关系，对推动高校建筑节能减排计划有着重要意义。
2. 研究方法
能源消耗预测方法种类繁多，其中通过对IPAT方程进行情景分析，对北京某高校教学主楼的能源消耗状况进行分析、预测。
(1) IPAT[1] 方程是用于形容人类活动对环境影响的成因，是人口、富裕程度和技术因素共同作用的结果。IPAT方程是20世纪70年代由巴里ž康门勒，保罗žRž埃利希和约翰ž霍尔德伦等人提出的。他认为决定环境影响状况的因素主要有三种：人口(P)、富裕程度(A)和技术水平(T)，并由此建立了四个变量的恒等关系式：
(1)
式中I为环境负荷；P为人口；A为人均GDP；T为单位GDP的环境负荷；G为GDP总量。
如果以E表示自然资源生产率，则有：
(2)
即E与T是倒数关系。环境负荷可以指各种能量物质资源的消耗量。以能耗为例，作为式(2)的特例，有
(3)
式中
为i年的能源消耗总量，
为i年的GDP，
为i年的能源生产率。按照资源生产率与经济增长率的“脱钩”理论。如果用g代表GDP的年增长率，用e代表自然资源生产率的年提高率，研究表明有如下结果：(1)
若e < g，环境负荷必随GDP的增长而逐年上升，且e与g之间的差值愈大，环境负荷上升愈快。(2) 若e = g，环境负荷与经济增长“脱钩”(无论GDP怎样增长，环境负荷或资源消耗也不会上升)。(3)
若e > g，环境负荷必在GDP增长过程中逐年下降，且e与g之间的差值愈大，环境负荷下降得愈快[2] 。
(2) 情景分析法
情景分析法[3] (Scenario Analysis)是假定某种现象或某种趋势将持续到未来的前提下，对预测对象可能出现的情况或引起的后果做出预测的方法。
情景分析法确定规划目标年份的环境负荷和生态效率，此时一般需构建三种情景模式进行分析，即当前模式(悲观的)、理想模s式(乐观的)和适宜模式(现实的)。三种模式的具体内容如下：
① 当前模式。不改变目前的经济发展模式，按照以往的发展速度继续向前发展，即GDP和生态效率都维持以往增长速度不变，任由规划期内的资源消耗和污染排放随着GDP和生态效率相应变化。
② 理想模式。是以国内外先进水平为标杆，即大幅改变目前的经济发展模式，GDP仍然维持快速增长，同时资源消耗和污染排放改善状况达到国内外先进水平，要求规划期内的生态效率增长速度能够解决经济快速增长和根本改善环境负荷带来的双重压力。理想模式即为上述的资源消耗与经济增长相“脱钩”的模式。
③ 适宜模式。此种模式是在国内外先进水平与历史发展趋势两个标杆之间根据自身实际选择的一条发展道路，即逐步改变目前的经济发展模式，GDP仍然维持快速增长，同时实现生态效率比历史趋势有较大幅度提高，资源消耗和污染排放状况得到明显改善。这种发展模式是通过发展循环经济，同时适度开发资源和加强污染治理，使未来一段时间既能保持经济快速增长又能保证环境质量有所改善。
用情景分析法确定规划目标年份的环境负荷和生态效率时，通常作如下假定：基准年为第0年，其生态效率为E0，环境负荷为I0，GDP为G0；规划目标年为第sn年，其生态效率表示为En，环境负荷表示为In，GDP表示为Gn。由于生态效率可以作为循环经济发展的测度，因此循环经济规划目标实质上就是基于E0确定En。根据公式
，有
，其中
，
(g和e分别为GDP和生态效率的年增长率)。
3. 北京市某高校教学主楼用能现状分析
3.1. 教学主楼用能现状描述
教学主楼用能系统包括HVAC系统(供暖、空调和换气系统)和照明系统。
(1)供暖系统s
从建成到2009年，校园由自己的热力站向全校区供热。2009后整个校园供热系统并入联片集中供暖，学校自己烧生活热水。供热站不向主楼提供生活用热水，主楼内学生的饮用热水由放置在大门口的电热水器供应。每个热水器装机容量5千瓦。2009年校区并入联片供暖时安装了热交换器。
(2)通风系统
在建筑物内没有安装机械通风系统。通风是通过打开窗户和门。
(3) 空调系统
此学校主教学楼没有中央空调系统。一些地方有独立的空调机。总共有240台，524千瓦的机组总容量。这些空调机安装年份不同和品牌不同。容量从0.735千瓦至3.675千瓦。
(4)照明系统
各教室在天花板安装了荧光灯。手动灯光开关。没有安装自动控制照明系统。有些地方的灯光设施在是大楼建成时安装的，有些是新安装的节能灯。单管和双管照明灯具并存使用。在安装新灯盒的地方没有安装新开关。
3.2. 教学主楼用能现状分析
从表1中，发现教学主楼的总能源消耗情况是2009年上升，到2010年下降。固定电力2010年比2009年节约能耗20.59%，集中供暖2012年比2009年节约能耗8.8%，总能耗2010年比2009年节能11.79%。总之，2010年节能情况较好，已初步有了节能意识。
3.3. 北京市某高校及其教学主楼能耗现状汇总分析
为了便于比较分析，本文将北京市2001~2010年的GDP(当年价格)通过GDP换算公式(即：实际GDP=名义GDP/GDP平减指数)折算为以2000年不变价格表示，并通过北京市常住人口、北京市某高校总人口数，计算出了按人数比例平摊到此高校的GDP，如表2所示。
表3为根据公式
和北京市某高校能源审计报告所求得的2008~2010年北京市某高校能源消
Table 1. The main teaching building of the energy consumption in 2008-2010
表1. 教学主楼2008~2010年各项能耗
数据来源：某学校审计资料。
Table 2. GDP, the growth rate of population
表2. GDP、人口数及增长率现状
数据来源：北京统计年鉴及作者整理制作。
耗总量、按人数比例平摊到此高校的GDP、北京市某高校能源生产率和这一时期的平均增长率。通过计算可以发现北京市某高校2008~2010年的能源生产率增长率平均为6.22%。
4. 基于情景分析法的教学主楼能源消s耗预测
4.1. 北京市2012~2015年及2020年经济总量、人口数、此高校人口数预测
经济总量的预测是情景分析法的基础，本文首先对北京市2012~2015年及2020年的GDP增长率及经济总量进行预测。预测的依据是《北京市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中提出“十二五”时期北京市经济平稳较快发展，主要目标是地区生产总值年均增长8%。那么2012~s2015年及2020年GDP的数值如表4所示。
北京市常住人口数和某高校人口数的预s测依据是各自平均增长率的情况。根据表2北京市常住人口平均增长率为3.98%，北京市某高校总人口平均增长率为1.83%，那么2012~2015年及2020年的北京市常住人口、北京市某高校总人口分别可以计算求得，如表5所示。
4.2. 按人数比例平摊到此高校的GDP预测
按人数比例平摊到此高校的GDP的预测依据是平均增长率的情况和公式按人数比例平摊到此高校的GDP = 北京市GDP/北京市常住人口数 × 此高校人口数及以上预测数据。根据表2按人数比例平摊到
Table 3. Energy consumption, per capita energy consumption, GDP, energy productivity
表3. 能源消耗、人均能源消耗、GDP、能源生产率及增长率现状
数据来源：北京统计年鉴及作者整理制作。
Table 4. Prediction of GDP in Beijing in 2020 (Unit: Billion yuan)
表4. 北京市2012~2015年及2020年GDP预测(单位：亿元)
资料来源：作者计算整理。
Table 5. The forecast 2020 Beijing city resident population and the total number of a university
表5. 2012~2015年及2020年北京市常住人口、某高校总人口预测
资料来源：作者计算整理。
此高校的GDP平均增长率为6.75%，可以得到2012-2015年及2020年按人数比例平摊到此高校的GDP，ss如表6所示。
4.3. 情景选择
(1) 当前模式：以2006~2010年北京市能源消耗、北京市某高校能源消耗及此高校主教学楼能源消耗现状为依据，对2012~2015年及2020年此高校主教学楼能源消耗进行预测。
(2) 理想模式：以经济发展与能源消耗的“脱钩”理论为依据，对2012~2015年及2020年此高校主教学楼能源消耗进行预测。
(3) 适宜模式：以北京市“十二五”规划的大型公共建筑能源消耗约束性指标为依据，对2012~2015年及2020年此高校主教学楼能源消耗进行预测。
4.4. 情景分析
(1) 如果教学主楼的能源消耗量采用当前的经济发展模式[4] ，即：教学主楼能源生产率的预测依据是平均增长率的情况。根据表3北京市某高校能源生产率平均增长率为6.22%。那么2012~2015年及2020年教学主楼能源生产率预测值，如表7所示(我们在此假设全校的能源生产率约等于教学主楼的能源生产率)。
这样，运用IPAT方程式的派生方程
，就可以测算出2012~2015年及2020年教学主楼能源消耗总量，如表9所示。
(2) 如果教学主楼能源生产率平均增长率达到14.14%，即教学主楼能源生产率增长率等于北京市GDP平均增长率，那么资源消耗与经济增长将实现“脱钩”。则2012~2015年及2020年的能源生产率如表8所示。
这样测算出2012~2015年及2020年教学主楼能源消耗总量，如表9所示。
(3) 如果按照2012年北京市发布的公共建筑节能指标，人均综合能耗下降3.5%来进行预测，那么结合表2、表3的2010年北京市某高校人均能耗量、高校人数和节能指标，可以求得2012~2015年及2020
Table 6. Predict 2020 the GDP of the university (Unit: Billion yuan)
表6. 2012~2015年及2020年按人数比例平摊到此高校的GDP预测(单位：亿元)
资料来源：作者计算整理。
Table 7. Predict 2020 teaching building energy productivity in situation I (Unit: yuan/tons of standard coal)
表7. 2012~2015年及2020年情况I的教学主楼能源生产率预测(单位：元/吨标准煤)
资料来源：作者计算整理。
Table 8. Predict 2020 teaching building energy productivity in situation Ⅱ (Unit: yuan/tons of standard coal)
表8. 2012-2015年及2020年情况Ⅱ的教学主楼能源生产率预测(单位：元/吨标准煤)
资料来源：作者计算整理。
年的能源消耗量，如表9所示。
4.5. 教学主楼节能潜力分析
通过表10，对三种模式的数据进行对比，可以发现当前模式即当前的发展模式预测出的2012~2015年及2020年的教学主楼能耗量分别为4283.91吨标准煤、4305.10吨标准煤、4326.26吨标准煤、4347.89
Table 9. Scenario analysis of energy consumption of the main teaching building
表9. 教学主楼能源消耗情景分析
资料来源：作者计算整理。
Table 10. Energy consumption saving of the main teaching
building (Unit: tons of standard coal)
表10. 教学主楼能源消耗潜力(单位：吨标准煤)
资料来源：作者计算整理。
吨标准煤和4457.55吨标准煤。适宜模式即为按北京市节能指标进行预测的，预测出的2012~2015年及2020年的教学主楼能耗量分别为3949.51吨标准煤、3811.28吨标准煤、3677.88吨标准煤、3549.16吨标准煤和3412.27吨标准煤。而理想模式即按“脱钩”理论预测出的2012~2015年及2020年的教学主楼能耗量分别为3710.03吨标准煤、3469.67吨标准煤、3244.79吨标准煤、3034.74吨标准煤和2171.60吨标准煤。我们可以发现按当前模式发展，虽然能耗量的增长率很低，只有大约0.5%，但是不能够达到节能的目的。按适宜模式发展，节能率为3.5%，而按经济发展与能耗相脱钩的理论，节能率能达到6.48%。
5. 结论
从上述该校教学主楼能源利用现状及节能潜力分析，可以看到高校的节能空间大、节能量更大，无论从经济上、环境上，还是从社会上，高校建筑节能都具有极其重大的意义。
(1) 高校建筑节能改造建议
国家和政府层面应出台支持高校建筑节能工作的政策和相关措施，从政策上引导、在经济上帮助、在技术上支持高校搞好建筑节能工作。加强校园内建筑室外热环境的气候适应性设计。通过建筑合理的朝向和布局等技术措施强化教学楼、办公楼建筑群、学生宿舍群及教工住宅小区的自然通风。同时，降低室外硬地率，硬化地面遮阳率不宜低于30%。
做好校园内公共及居住建筑的屋顶、外墙隔热及外窗遮阳，有效组织室内自然通风，改善建筑室内热环境。
(2) 未来高校建筑节能展望
完善建筑节能设计的节能理念。建筑节能应该向“低密、高容、立体化”可持续发展理念发展。在不提高密度的前提下，适当提高容积率，向空中与地下发展建设，是一个较好的对策。建筑节能设计向经济性理念发展，建筑节能设计必须考虑建筑初期投资和运营投资的经济性。
改进建筑节能设计方法。首先，优化建筑设计。建筑造型及围护结构形式对建筑物性能有决定性影响。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。
其次，应用新型建筑围护结构材料。开发新的建筑围护结构部件，以更好的满足保温、隔热、透光、通风等各种需求，甚至可根据变化了外界条件随时改变其物理性能，达到维持室内良好的物理环境同时降低能源消耗的目的。
最后，应用可再生能源技术，使开发利用可再生能s源是持续发展战略的重要组成部分[5] 。
项目基金
教育部人文社科规划项目(10YJA630139)资助。
参考文献 (References)