上海某高校生活區集中熱水系統供應方案和節能潛力分析

楊晨安

上海建科節能技術有限公司

0 引言

高等學校是社會的重要組成部分，伴隨著我國居民生活水平的不斷提高，高校學生對校園生活品質的需求也日益增長，隨之增長的是為保障生活品質的能源需求。據統計，我國高等學校年能源消耗量近3 000萬tce，能耗總量占社會總能耗的8%，我國高校每名學生的能耗是居民的4倍［1］。在新時代節能減排的背景下，如何平衡高校學生對于校園生活品質日益增長的需求和能耗總量、能耗強度的雙控要求值得思考。

提升校園生活品質比較常見的手段包括增加教室和學生宿舍空調提高熱舒適度、生活熱水接入學生宿舍提高熱水使用靈活性等。某上海高校設計建造時采用了集中能源站為學校教學樓、圖書館、教師辦公樓、學生宿舍、教師宿舍、食堂等主要區域提供集中空調和生活熱水供應。近年來，該校集中能源站能源供應量增幅顯著，其中，生活熱水系統的供熱量陡增。以該校集中生活熱水系統為案例，結合必要的測試和數據分析，找出導致其供熱量陡增的原因和節能潛力，并探討其可行的節能措施，為高等學校節能提供參考和借鑒。

1 高校生活區熱水系統概況

1.1 生活區建筑概況

某高校生活區熱水供應范圍包含10棟學生宿舍、6棟教師宿舍和3棟食堂，總建筑面積182 947 m2，建筑生活區信息詳見表1。學生宿舍和教師宿舍日常使用時間為每天0:00-24:00，食堂供應一日三餐。2020年學生住宿總人數為4 574人，教師住宿總人數為763人。

1.2 熱水系統概況

生活區熱水熱源為學校能源站分布式供能系統的工藝余熱廢熱。熱媒水為能源站發電機組的高溫冷卻水（供水溫度約85℃）通過管網送至位于生活區食堂地下室的換熱站，并利用換熱站內的容積式換熱器進行換熱。生活熱水水源取自該換熱站內的不銹鋼生活水箱，在容積式換熱器被熱媒水加熱至60℃后，通過熱水管網送至學生宿舍、教師宿舍和食堂的用水點。生活區熱水供應原理見圖1。

表1 建筑生活區信息

圖1 生活區熱水供應原理圖

生活區熱水系統分區域設置，分區方式同冷水分區，以確保冷熱水壓力一致。分區方式為：學生宿舍和教室宿舍1至6層為宿舍低區、7層及以上為宿舍高區、食堂單獨成一分區。共配置12臺容積式換熱器，其中宿舍低區和宿舍高區分別配置5臺、食堂配置2臺，相關參數見表2。

共配置6臺熱水循環泵，其中宿舍高區配置2臺熱水循環泵、宿舍低區配置2臺熱水循環泵、食堂配置2臺熱水循環泵，參數見表3。

2 生活區熱水系統綜合供熱效率測試

生活熱水系統測試目的是理清生活區學生宿舍學生人均生活熱水耗熱量指標和生活熱水系統二次側與一次側之間換熱的效率，以便進一步量化和確定生活熱水系統運行存在的問題和挖掘節能潛力。

表2 容積式換熱器參數

表3 熱水循環泵參數

能源站提供的用于生活熱水系統的熱量，一部分在容積式換熱器換熱時損耗，另一部分在熱水管道輸送時損耗。因此二次側（宿舍和食堂）實際消耗的熱量和一次側（能源站）生活熱水系統總供熱量的比值，即為熱水系統綜合供熱效率。見式（1）。

由公式（1）表達為：

式中：Q二次側——生活熱水二次側耗熱量；

Q一次側——能源站一次側供熱量。

2.1 宿舍區人均耗熱量

通過在現場實施簡單的測試后，結合學校提供的住宿學生人數、住宿教師人數計算得到宿舍區人均耗熱量指標。二次側實際耗熱量可通過公式（2）計算。

式中：Q——二次側耗熱量，kJ/per；

c——水的比熱容，4．186 kJ/kg·℃；

m——生活熱水用水量，L/per；

ΔT——供水溫度和自來水溫度溫差，℃。

上述公式中，水的比熱容為物理常數，生活熱水用水量、供水溫度和自來水溫度通過儀器測試獲得。生活熱水用水量即為換熱站生活熱水補水量，宿舍區低區、宿舍區高區和食堂補水管上分別有水表計量。經記錄低區和高區熱水日用量分別為140．13 m3和241．58 m3，并計算得到低區和高區人均熱水日用量分別為53．98 L和86．68 L。

利用安裝在低區熱水供水管、高區熱水供水管和自來水管上的溫度自記儀，以10 min為間隔記錄了連續27天的低區熱水供水溫度、高區熱水供水溫度和自來水溫度，見圖2。監測期間高區供水溫度最大值為78．2℃、最低溫度為42．5℃、平均溫度為65．1℃；低區供水溫度最大值為50．3℃、最低溫度為40．3℃、平均溫度為46．5℃。

圖2 宿舍區溫度監測曲線

分別利用低區和高區逐日加熱的熱水溫差和熱水日用量，計算得到27天低區和高區實際二次側耗熱量累計值分別為340．66 GJ和1 095．41 GJ，日均耗熱量分別為12．62 GJ和40．57 GJ。

2.2 食堂耗熱量

利用安裝在食堂熱水供水管和自來水管上的溫度自記儀，以10 min為間隔記錄了連續27天的食堂熱水供水溫度和自來水溫度，見圖3。監測期間，內食堂供水溫度最大值為79．2℃、最低溫度為57．3℃、平均溫度為70．5℃。

根據食堂補水表得到食堂每天熱水用量約為30 m3，結合食堂熱水加熱溫差，計算得到27天食堂實際二次側耗熱量累計值為154．36 GJ，日均耗熱量為5．72 GJ。

2.3 能源站一次側供熱量

能源站一次側供熱量以1 h為間隔記錄一次側供水溫度、一次側回水溫度和循環水量。如圖4所示，測試期間一次側供水溫度最高值為84．8℃，最低值為62．4℃，平均值為77．6℃；回水溫度最高值為79．5℃、最低值為58．8℃、平均值為71．7℃；供回水溫差平均值為5．9℃。能源站一次側供回水溫度趨勢見圖4。

圖3 食堂溫度監測曲線

圖4 能源站一次側供回水溫度

測試期間一次側循環流量較為穩定，在180 m3/h左右。通過逐時循環流量和供回水溫差計算得到一次側供熱量日平均值為107．64 GJ。

2.4 熱水綜合供熱效率

匯總2．1節和2．2節的測試和計算結果，該高校生活熱水二次側日均耗熱量匯總見表4。

供應區域宿舍低區宿舍高區食堂合計日均耗熱量（GJ/d）12．62 40．57 5．72 58．91

熱水系統綜合供熱效率見式（3）。

因此，該高校生活熱水系統綜合供熱效率為54．73%。

3 生活熱水系統主要問題和節能潛力

3.1 主要問題

經測試計算，該高校生活熱水系統綜合供熱效率為54．73%，綜合供熱效率偏低。經現場勘察，主要存在以下兩方面問題。

1）容積式換熱器老化

在換熱站現場發現容積式換熱器老化嚴重，多臺存在一次水（85℃）和二次水（60℃）竄水、跑冒滴漏問題。另外從容積式換熱器的構造來看，不僅占地空間大，其換熱元件在熱水罐體內部容易導致結垢且清洗難度大，每年設備維護和檢修的費用高昂，水質也難以保障。

2）熱水供水管網存在漏水

經計算，宿舍低區和高區人均熱水用量分別為53．98 L/d和86．68 L/d。根據《民用建筑節水設計標準》（GB 50555-2010），I類和II類宿舍熱水平均節水用水定額為40～55 L/d［2］。根據該標準，該高校宿舍低區人均熱水日用量在節水定額范圍內，高區用量遠遠高出節水要求。

經與高校物業人員核實，證實學校二次側室外生活熱水埋地管網和室內熱水管道發生過漏水。由于室外管網埋地，漏水初期不易被發現，發現后排查難度大。

3.2 節能潛力

針對3．1節鎖定的換熱站容積式換熱器和二次側輸送管道的漏水損失兩個主要問題，提出以下建議：

1）采用板式換熱器替代容積式換熱器

該高校換熱站使用的容積式換熱器的傳熱系數約2 200 K/m2·℃，而板式換熱器的傳熱系數可達3 000～4 700 K/m2·℃，板式換熱器的傳熱更良好。

因此，建議拆除換熱站內的12臺容積式換熱器，更換為板式換熱器。板式換熱器節省設備占地，運行維護簡便，提升了設備運行的可靠性并降低了維護成本。同時，按原有熱水供水系統分別更換原食堂、宿舍低區和宿舍高區共計6臺熱水循環泵，并分別在食堂、宿舍低區和宿舍高區設置儲熱水罐。改造后的板式換熱器和熱水循環泵、儲熱水罐重新組成新的循環系統。

2）更換二次側熱水管道

生活熱水二次側室外部分管道目前采用埋地敷設、卡箍連接，鋪設于室外柏油路面或綠化下。若仍然采用埋地敷設的方式改造室外管道，一方面施工開挖對學校環境破壞較大，另一方面施工難度和施工成本也較高。因此建議采用架空敷設的方式，沿建筑外立面利用建筑挑檐和風雨連廊鋪設管道，穿越道路部分采用局部埋地鋪設，節省施工成本、縮短施工工期，便于未來及時發現管道異常。

在管道材料方面，原先室外埋地管采用外鍍鋅內襯塑的鋼塑復合管，考慮到管道防腐和水質要求，改造后建議采用成品不銹鋼保溫管，焊接連接，降低管道腐蝕造成的泄漏風險。

4 結語

通過必要的測試和數據分析發現某上海高校生活區的集中熱水系統的綜合供熱效率為54．73%，綜合供熱效率偏低。進一步分析發現其存在容積式換熱器老化、換熱效率低和熱水供水管網漏水問題。針對這些問題，建議將老化嚴重的容積式換熱器更換為換熱效率更高的板式換熱器，并將埋地熱水鋼塑復合管道更換為薄壁不銹鋼管并架空敷設。經過改造后不僅可以提升該校集中熱水系統的綜合供熱效率，同時減少管道跑冒滴漏造成的水資源的浪費，促進可持續發展。