華南高校高層學生宿舍生活熱水需求模式研究

張海璇

暨南大學基建處

0 引言

為滿足高校學生對校園生活品質(zhì)日益增長的需求，各地高校學生宿舍的建設(shè)標準越來越高。其中，集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)成為高校學生宿舍的標準配置[1]。而學生宿舍的生活熱水需求模式直接影響集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的配置以及運行方案的選擇[2-3]。雖然現(xiàn)行《建筑給排水設(shè)計標準》（GB50015-2019）[4]已經(jīng)對學生宿舍的生活熱水用量給出定額，但生活熱水需求模式受包括地域，氣候，人群性別和人群生活習慣等的影響。而我國地域遼闊，南北人群生活習慣有很大的不同，兩地生活熱水需求模式必然有所差異。

已有研究者對[5-7]對重慶，長沙和浙江多個高校的學生宿舍進行生活熱水需求模式分析，但對華南地區(qū)高校學生宿舍的生活熱水需求模式研究仍較少。本文對華南地區(qū)J 大學新校區(qū)學生宿舍近兩年的實際生活熱水流量進行分析，并引入“ 負荷率”[8]的概念來評估學生宿舍的集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的運行效果，以期提出華南地區(qū)高校學生宿舍最高日用水定額的合理推薦值，為華南地區(qū)高校學生宿舍樓的建設(shè)提供參考。

1 項目概況

1.1 所在地區(qū)氣候條件

J 大學新校區(qū)建設(shè)所在地區(qū)屬南亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和，日照充足。該地區(qū)平均氣溫 21.8 ℃，最高月（7 月）平均氣溫28.4 ℃，絕對最高氣溫38.7 ℃，歷年極端最低氣溫0 ℃。年平均日照1895.2 小時，7 月份日照最長，4 月份日照最短。全年日照率為 42.9%，年總輻射量（Q）4 390.2 MJ/m2。

1.2 校區(qū)宿舍熱水供水系統(tǒng)

校區(qū)目前共建有8 棟學生宿舍，每間宿舍內(nèi)設(shè)置獨立衛(wèi)浴。校區(qū)內(nèi)學生宿舍樓的熱水供應(yīng)均采用太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)，太陽能為主供熱能源，空氣源熱泵作為輔助熱源。熱水設(shè)計溫度為55 ℃?？刂葡到y(tǒng)由冷水供水控制，溫差循環(huán)控制，過渡水泵運行控制，熱泵輔助系統(tǒng)控制和供回水控制幾個控制模塊組成（見圖1）。

圖1 太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

2 學生熱水用水規(guī)律

J 大學新校區(qū)內(nèi)建設(shè)有節(jié)能監(jiān)控中心，可讀取保存每間宿舍內(nèi)每日智能冷熱水表的讀數(shù)。由于校園內(nèi)寒假期間（1～2 月）基本沒有學生入住，本研究選取校區(qū)內(nèi) 2 個典型宿舍樓（男生宿舍 A 和女生宿舍 B，宿舍建設(shè)指標詳見表1）作為研究對象，時間范圍為2019年 3～12 月，以及 2020 年下半年（9～12 月）（2020 年上半年疫情影響，無學生入?。?，對這兩段時間區(qū)間的熱水數(shù)據(jù)進行分析。

表1 學生宿舍建設(shè)指標表

2.1 平均日用水量

研究表明，男生宿舍和女生宿舍在全年范圍內(nèi)隨氣溫波動的用水規(guī)律表現(xiàn)一致，季節(jié)性變化規(guī)律比較明顯。且全年人均用水量均高于華中地區(qū)高校的人均用水量。宿舍人均用水量變化規(guī)律見圖2，表2 和表3，與其他高校的對比見表 4（下文中的流量數(shù)據(jù)對應(yīng)的供水溫度為55 ℃ ）。圖2 中，箱型圖箱體中間小方框為統(tǒng)計平均值，橫線為中位數(shù)，箱型圖范圍為數(shù)據(jù)集合中位數(shù)前后 25%的數(shù)據(jù)，箱型圖延長線為數(shù)據(jù)集合中位數(shù)前后95%的數(shù)據(jù)，星號為極值點。

圖2 宿舍全年人均用水量與氣溫變化

表2 男生宿舍人均用水量統(tǒng)計

表3 女生宿舍人均用水量統(tǒng)計

表4 學生宿舍冬季人均用水量對比表（L/(人 ·d)）

根據(jù)圖表可以看出，2020 年的人均用水量略大于2019 年相應(yīng)月份的人均用水量，女生宿舍的人均用水量要明顯高于男生宿舍的人均用水量。男生宿舍和女生宿舍的最高日用水量均出現(xiàn)在2020 年 12 月。男女宿舍的熱水用量隨氣溫變化規(guī)律明顯，隨著氣溫降低，用水量明顯增加。剔除暑假期間（7 月～8 月）學生離校造成用水量大幅減少的影響，在氣溫（平均氣溫26 ℃）依然很高的 6 月和 9 月，宿舍的熱水用量相較于氣溫較低（平均氣溫13 ℃）的冬季下降趨勢明顯。因此在用水定額選取和系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮到用水量變化規(guī)律與溫度的關(guān)系，既要滿足冬季熱水用量的需求，又要有隨氣溫變化調(diào)整系統(tǒng)運行規(guī)模的合理措施。J 大學新校區(qū)宿舍樓采用的太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)的溫差控制運行模式，可較好的契合氣溫對于用水規(guī)律的影響，達到最佳的節(jié)能效果。

2.2 最高日用水定額

兩棟學生宿舍的最高日用水量均出現(xiàn)在冬季，男女生宿舍的用水規(guī)律受氣溫影響明顯，且最高日人均用水量高于我國華中和西南地區(qū)高校的用水量，具體結(jié)果詳見表5。

表5 學生宿舍最高日用水量對比表（55 ℃）（L/(人· d)）

考慮到 3 月和 12 月均是全年中用水最大的月份，為避免取值過大，導致最終設(shè)備選型過大，選取2019 年和 2020 年的 3 月和 12 月份中最高日用水量的平均值作為全年最高日用水量的最終取值。計算得出，男生宿舍的最高日用水量為 54.26 L/(人·d)，女生宿舍最高日用水量為66.59 L/(人· d)。兩棟宿舍的最高日用水量均低于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定最高日熱水用水定額（70～100 L/(人·d)）中最低值（70 L/(人·d)），但其與《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]中Ⅲ、Ⅳ 宿舍樓的最高日熱水定額（40～80 L/(人· d)）相吻合。這也能說明現(xiàn)行規(guī)范與華南地區(qū)熱水使用規(guī)律的匹配度比較高，且具有預見性。

根據(jù)上文各高校學生宿舍的平均日用水量和最高日用水量的對比表可以看出，J 大學內(nèi)宿舍的平均日用水量和最高日用水量均高于華中地區(qū)高校學生宿舍熱水用水量[5-7]。筆者認為造成此種差異與研究的年份、不同地域人群的用水習慣和最高日熱水用水出現(xiàn)的季節(jié)有關(guān)系。此次選取的宿舍內(nèi)居住的學生均是屬于 00 代，他們成長在我國經(jīng)濟騰飛的年代，且大部分來自經(jīng)濟較發(fā)達的沿海地區(qū)，單位用水量較他們的前生代也會更高（對比表中的華中地區(qū)高校研究均在2013 年以前）。另外，經(jīng)跟蹤調(diào)查，華南地區(qū)氣候溫和，J 大學內(nèi)大部分學生有每日淋浴的生活習慣。在冬季時由于氣溫降低，學生淋浴的時間相較于其他季節(jié)會更長，且存在采用熱水替代其他用水的情況，故而最高日用水量出現(xiàn)在冬季且用水量更大。

3 太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)運行評估

J 大學新校區(qū)內(nèi)的學生宿舍建設(shè)時采用的設(shè)計規(guī)范均為《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]，按照宿舍居住人數(shù)套用規(guī)范中Ⅲ、Ⅳ 宿舍樓的熱水用水定額（40～80 L/(人·d)）進行設(shè)計。其中，首批宿舍樓選用的定額為50 L/(人· d)，只能勉強滿足學生對于熱水的要求，設(shè)計定額也明顯低于本文的統(tǒng)計結(jié)果（66.59 L/(人· d)）。預留的余量太小，不利于后期宿舍樓的改造。因此，本研究所涉及的兩棟宿舍樓在設(shè)計時將用水定額調(diào)整至80 L/(人·d)，選用的設(shè)備機型和水箱容量也相應(yīng)增大。這種做法雖然保證了供水的安全性和可靠性，但也增加了項目初期的投資壓力。基于此，本研究借鑒楊柳等人提出的“ 負荷率”對這兩棟宿舍樓太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)的運行情況進行評估[8]，以期能為后續(xù)宿舍樓的建設(shè)提出更加合理的選值意見。

當前宿舍樓設(shè)計時還未根據(jù)性別進行個性設(shè)計，男女宿舍的建設(shè)標準是一致的。但文理學科偏重不同的大學，校園內(nèi)男女學生比例存在顯著差異，故對男女宿舍分開評估對校園建設(shè)具有現(xiàn)實意義。因此，女生宿舍選取設(shè)計定額 80 L/(人·d)、《建筑給水排水設(shè)計標準》（GB50015-2019）[4]中學生宿舍熱水定額中的最低值70 L/(人·d)和女生宿舍最高日用水定額 66.59 L/(人·d)進行評估；男生宿舍選取系統(tǒng)設(shè)計定額 80 L/(人·d)、女生宿舍最高日用水定額 66.59 L/(人·d)和男生宿舍最高日用水定額54.26 L/(人·d)進行評估，計算系統(tǒng)每日的實際熱水負荷率（每日實際熱水負荷與設(shè)計負荷的比值）。男生宿舍和女生宿舍在 2019 年和2020 年不同月份負荷率的分布情況，如圖3、表 6、表 7所示。

圖3 不同額定用水量下負荷率的變化情況

表6 女生宿舍負荷率統(tǒng)計

表7 男生宿舍負荷率統(tǒng)計

對女生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的熱水負荷率進行統(tǒng)計，結(jié)論如下：

1）最高日用水定額取值80 L/(人·d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有38 d，2020 年有11 d，約占總天數(shù)的 32.03%；負荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有14 d，2020 年有 34 d，約占總天數(shù)的 31.38%；負荷率在 60%～70%的天數(shù)2019 年有9 d，2020 年有34 d，約占總天數(shù)的28.1%；負荷率在70～80%的天數(shù)都出現(xiàn)在2020 年，共有10 d，約占冬季的 6.53%；負荷率超過 80%的天數(shù)有 3 d，均出現(xiàn)在2020 年，占冬季的1.96%。2020 年冬季的負荷率相較于2019 年冬季的負荷率有增長。由以上結(jié)果可知，采用80 L/(人·d)作為女生宿舍熱水設(shè)計定額，能完全能滿足女生宿舍全年的熱量需求，且為宿舍樓內(nèi)單位熱量需求的增長預留了足夠的空間，故將 80 L/(人·d)作為女生宿舍生活熱水最高日用水定額上限取值。

2）最高日用水定額取值 70 L/(人· d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有22 d，2020 年僅有 2 d，約占總天數(shù)的 15.68%；負荷率在 50%～60%的天數(shù) 2019 年有 24 d，2020 年有 20 d，約占總天數(shù)的 28.76%；負荷率在 60%～70%的天數(shù)2019 年有11d，2020 年有29 d，約占總天數(shù)的26.14%；負荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 4 d，2020 年有30 d，約占總天數(shù)的 22.22%；負荷率超過 80%的天數(shù)出現(xiàn)在2020 年，共有11 d，占總天數(shù)的7.2%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 70 L/(人· d)作為女生宿舍熱水設(shè)計定額，可滿足女生宿舍全年的熱量需求，但預留的余量較小，作為上限值略小。

3）最高日用水定額取值 66.59 L/(人· d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù)只出現(xiàn)在2019 年，共有16 d，約占總天數(shù)的10.46%；其中負荷率在 50%～60% 的天數(shù) 2019 年有 22 d，2020 年有11 d，約占總天數(shù)的 21.56%；負荷率在 60%～70%的天數(shù) 2019 年有 12 d，2020 年有 28 d，約占總天數(shù)的26.14%；負荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 9 d，2020 年有 30 d，約占總天數(shù)的 25.5%；負荷率超過80%的天數(shù)有25 d，占總天數(shù)的 16.34%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用66.59 L/(人 ·d)作為女生宿舍熱水設(shè)計定額，可滿足女生宿舍全年的熱量需求，但系統(tǒng)在冬季需要全負荷運轉(zhuǎn)的天數(shù)較長，會降低系統(tǒng)的安全性和可靠性。故可將66.59 L/(人 · d)作為女生宿舍生活熱水最高日用水定額的取值下限。

對男生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的熱水負荷率進行統(tǒng)計，結(jié)論如下：

1）最高日用水定額取值 80 L/(人·d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有47 d，2 020 年有36 d，約占總天數(shù)的54.25%；負荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有 12 d，2020 年有 42 d，約占總天數(shù)的 35.3%；負荷率在 60%～70%的天數(shù) 2019 年僅有 2 d，2020 年有 13 d，約占總天數(shù)的 9.8%；負荷率在70～80%的天數(shù)出現(xiàn)在 2020 年，僅有 1 d，約占冬季的0.65%；兩個冬季的負荷率都沒有超過80%。由以上結(jié)果可知，采用80 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計定額，預留的余量過大，設(shè)備大部分時間處于不飽和工作狀態(tài)。將80 L/(人· d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額的話，會使設(shè)備選型過大，造成浪費。

2）最高日用水定額取值 66.59 L/(人·d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有20 d，2020 年有12 d，約占總天數(shù)的20.92%；負荷率在50%～60%的天數(shù) 2019 年有 26 d，2020 年有 24 d，約占總天數(shù)的32.68%；負荷率在60%～70%的天數(shù)2019年有12 d，2020 年有34 d，約占總天數(shù)的30.06%；負荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 3 d，2020 年有 19 d，約占總天數(shù)的14.38%；負荷率超過80%的天數(shù)僅出現(xiàn)在2020 年，有 3 d，占總天數(shù)的 1.96%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計定額，可滿足男生宿舍全年的熱量需求，且有充足余量。故將 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額取值上限。

3）最高日用水定額取值54.26 L/(人·d)時，在兩年冬季的 153 d 中，負荷率低于 50%的天數(shù)只出現(xiàn)在2019 年，有 2 d，約占總天數(shù)的 1.31%；其中負荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有15 d，2020 年有 9 d，約占總天數(shù)的 15.68%；負荷率在60%～70%的天數(shù) 2019 年有22 d，2020 年有20 d，約占總天數(shù)的27.45%；負荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 11 d，2020 年有 26 d，約占總天數(shù)的 24.19%；負荷率超過 80%的天數(shù) 2019年有11 d，2020 年有37 d，占總天數(shù)的的31.37%；其中負荷率超過90%的天數(shù)2019 年有 1 d，2020 年有 8 d。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計定額，可滿足男生宿舍全年的熱量需求，但系統(tǒng)在冬季需要全負荷運轉(zhuǎn)的天數(shù)較長，會降低系統(tǒng)的安全性和可靠性。故可將54.26 L/(人·d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額的下限取值。

根據(jù)以上結(jié)論可以得出，女生宿舍最高日用水定額取值為 66.59 L/(人·d)～80 L/(人·d)，男生宿舍最高日用水定額取值為 54.26 L/(人·d)～66.59 L/(人·d)，是比較合理的取值范圍，能滿足生活熱水的熱量需求。

4 結(jié)論

1）通過對華南地區(qū)的J 大學新校區(qū)內(nèi)2 棟高層學生宿舍的集中供熱系統(tǒng)連續(xù)2 年熱水用量進行檢測，發(fā)現(xiàn)男女生宿舍在全年范圍內(nèi)用水量及日用水規(guī)律表現(xiàn)一致，季節(jié)性變化規(guī)律比較明顯；且全年人均用水量均高于華中和西南地區(qū)的人均用水量。兩棟學生宿舍的最高日用水均出現(xiàn)在冬季，其中男生宿舍的最高日用水量為54.26 L/(人 ·d)，女生宿舍的最高日用水量為66.59 L/(人 · d)。

2）通過引入“負荷率”的概念，評估在不同取值下集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的運行情況，以尋找男女宿舍合理的最高日用水定額的取值。分析結(jié)果表明，女生宿舍最高日用水定額推薦取值范圍為 66.59～80 L/(人· d)，男生宿舍最高日用水定額推薦取值范圍為54.26～66.59 L/(人· d)，既能滿足宿舍樓全年的熱量需求，又預留一定的負荷余量。