上海某高校生活區(qū)集中熱水系統(tǒng)供應(yīng)方案和節(jié)能潛力分析

楊晨安

上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司

0 引言

高等學(xué)校是社會(huì)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(xué)生對(duì)校園生活品質(zhì)的需求也日益增長，隨之增長的是為保障生活品質(zhì)的能源需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高等學(xué)校年能源消耗量近3 000萬tce，能耗總量占社會(huì)總能耗的8%，我國高校每名學(xué)生的能耗是居民的4倍［1］。在新時(shí)代節(jié)能減排的背景下，如何平衡高校學(xué)生對(duì)于校園生活品質(zhì)日益增長的需求和能耗總量、能耗強(qiáng)度的雙控要求值得思考。

提升校園生活品質(zhì)比較常見的手段包括增加教室和學(xué)生宿舍空調(diào)提高熱舒適度、生活熱水接入學(xué)生宿舍提高熱水使用靈活性等。某上海高校設(shè)計(jì)建造時(shí)采用了集中能源站為學(xué)校教學(xué)樓、圖書館、教師辦公樓、學(xué)生宿舍、教師宿舍、食堂等主要區(qū)域提供集中空調(diào)和生活熱水供應(yīng)。近年來，該校集中能源站能源供應(yīng)量增幅顯著，其中，生活熱水系統(tǒng)的供熱量陡增。以該校集中生活熱水系統(tǒng)為案例，結(jié)合必要的測試和數(shù)據(jù)分析，找出導(dǎo)致其供熱量陡增的原因和節(jié)能潛力，并探討其可行的節(jié)能措施，為高等學(xué)校節(jié)能提供參考和借鑒。

1 高校生活區(qū)熱水系統(tǒng)概況

1.1 生活區(qū)建筑概況

某高校生活區(qū)熱水供應(yīng)范圍包含10棟學(xué)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(qū)信息詳見表1。學(xué)生宿舍和教師宿舍日常使用時(shí)間為每天0:00-24:00，食堂供應(yīng)一日三餐。2020年學(xué)生住宿總?cè)藬?shù)為4 574人，教師住宿總?cè)藬?shù)為763人。

1.2 熱水系統(tǒng)概況

生活區(qū)熱水熱源為學(xué)校能源站分布式供能系統(tǒng)的工藝余熱廢熱。熱媒水為能源站發(fā)電機(jī)組的高溫冷卻水（供水溫度約85℃）通過管網(wǎng)送至位于生活區(qū)食堂地下室的換熱站，并利用換熱站內(nèi)的容積式換熱器進(jìn)行換熱。生活熱水水源取自該換熱站內(nèi)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(wǎng)送至學(xué)生宿舍、教師宿舍和食堂的用水點(diǎn)。生活區(qū)熱水供應(yīng)原理見圖1。

表1 建筑生活區(qū)信息

圖1 生活區(qū)熱水供應(yīng)原理圖

生活區(qū)熱水系統(tǒng)分區(qū)域設(shè)置，分區(qū)方式同冷水分區(qū)，以確保冷熱水壓力一致。分區(qū)方式為：學(xué)生宿舍和教室宿舍1至6層為宿舍低區(qū)、7層及以上為宿舍高區(qū)、食堂單獨(dú)成一分區(qū)。共配置12臺(tái)容積式換熱器，其中宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)分別配置5臺(tái)、食堂配置2臺(tái)，相關(guān)參數(shù)見表2。

共配置6臺(tái)熱水循環(huán)泵，其中宿舍高區(qū)配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵、宿舍低區(qū)配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵、食堂配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵，參數(shù)見表3。

2 生活區(qū)熱水系統(tǒng)綜合供熱效率測試

生活熱水系統(tǒng)測試目的是理清生活區(qū)學(xué)生宿舍學(xué)生人均生活熱水耗熱量指標(biāo)和生活熱水系統(tǒng)二次側(cè)與一次側(cè)之間換熱的效率，以便進(jìn)一步量化和確定生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題和挖掘節(jié)能潛力。

表2 容積式換熱器參數(shù)

表3 熱水循環(huán)泵參數(shù)

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

由公式（1）表達(dá)為：

式中：Q二次側(cè)——生活熱水二次側(cè)耗熱量；

Q一次側(cè)——能源站一次側(cè)供熱量。

2.1 宿舍區(qū)人均耗熱量

通過在現(xiàn)場實(shí)施簡單的測試后，結(jié)合學(xué)校提供的住宿學(xué)生人數(shù)、住宿教師人數(shù)計(jì)算得到宿舍區(qū)人均耗熱量指標(biāo)。二次側(cè)實(shí)際耗熱量可通過公式（2）計(jì)算。

式中：Q——二次側(cè)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(shù)，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(bǔ)水量，宿舍區(qū)低區(qū)、宿舍區(qū)高區(qū)和食堂補(bǔ)水管上分別有水表計(jì)量。經(jīng)記錄低區(qū)和高區(qū)熱水日用量分別為140．13 m3和241．58 m3，并計(jì)算得到低區(qū)和高區(qū)人均熱水日用量分別為53．98 L和86．68 L。

利用安裝在低區(qū)熱水供水管、高區(qū)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(xù)27天的低區(qū)熱水供水溫度、高區(qū)熱水供水溫度和自來水溫度，見圖2。監(jiān)測期間高區(qū)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(qū)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(qū)溫度監(jiān)測曲線

分別利用低區(qū)和高區(qū)逐日加熱的熱水溫差和熱水日用量，計(jì)算得到27天低區(qū)和高區(qū)實(shí)際二次側(cè)耗熱量累計(jì)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(xù)27天的食堂熱水供水溫度和自來水溫度，見圖3。監(jiān)測期間，內(nèi)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(jù)食堂補(bǔ)水表得到食堂每天熱水用量約為30 m3，結(jié)合食堂熱水加熱溫差，計(jì)算得到27天食堂實(shí)際二次側(cè)耗熱量累計(jì)值為154．36 GJ，日均耗熱量為5．72 GJ。

2.3 能源站一次側(cè)供熱量

能源站一次側(cè)供熱量以1 h為間隔記錄一次側(cè)供水溫度、一次側(cè)回水溫度和循環(huán)水量。如圖4所示，測試期間一次側(cè)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(cè)供回水溫度趨勢見圖4。

圖3 食堂溫度監(jiān)測曲線

圖4 能源站一次側(cè)供回水溫度

測試期間一次側(cè)循環(huán)流量較為穩(wěn)定，在180 m3/h左右。通過逐時(shí)循環(huán)流量和供回水溫差計(jì)算得到一次側(cè)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(jié)和2．2節(jié)的測試和計(jì)算結(jié)果，該高校生活熱水二次側(cè)日均耗熱量匯總見表4。

供應(yīng)區(qū)域宿舍低區(qū)宿舍高區(qū)食堂合計(jì)日均耗熱量（GJ/d）12．62 40．57 5．72 58．91

熱水系統(tǒng)綜合供熱效率見式（3）。

因此，該高校生活熱水系統(tǒng)綜合供熱效率為54．73%。

3 生活熱水系統(tǒng)主要問題和節(jié)能潛力

3.1 主要問題

經(jīng)測試計(jì)算，該高校生活熱水系統(tǒng)綜合供熱效率為54．73%，綜合供熱效率偏低。經(jīng)現(xiàn)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(xiàn)場發(fā)現(xiàn)容積式換熱器老化嚴(yán)重，多臺(tái)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(gòu)造來看，不僅占地空間大，其換熱元件在熱水罐體內(nèi)部容易導(dǎo)致結(jié)垢且清洗難度大，每年設(shè)備維護(hù)和檢修的費(fèi)用高昂，水質(zhì)也難以保障。

2）熱水供水管網(wǎng)存在漏水

經(jīng)計(jì)算，宿舍低區(qū)和高區(qū)人均熱水用量分別為53．98 L/d和86．68 L/d。根據(jù)《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50555-2010），I類和II類宿舍熱水平均節(jié)水用水定額為40～55 L/d［2］。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，該高校宿舍低區(qū)人均熱水日用量在節(jié)水定額范圍內(nèi)，高區(qū)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出節(jié)水要求。

經(jīng)與高校物業(yè)人員核實(shí)，證實(shí)學(xué)校二次側(cè)室外生活熱水埋地管網(wǎng)和室內(nèi)熱水管道發(fā)生過漏水。由于室外管網(wǎng)埋地，漏水初期不易被發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)后排查難度大。

3.2 節(jié)能潛力

針對(duì)3．1節(jié)鎖定的換熱站容積式換熱器和二次側(cè)輸送管道的漏水損失兩個(gè)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(shù)約2 200 K/m2·℃，而板式換熱器的傳熱系數(shù)可達(dá)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(nèi)的12臺(tái)容積式換熱器，更換為板式換熱器。板式換熱器節(jié)省設(shè)備占地，運(yùn)行維護(hù)簡便，提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性并降低了維護(hù)成本。同時(shí)，按原有熱水供水系統(tǒng)分別更換原食堂、宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)共計(jì)6臺(tái)熱水循環(huán)泵，并分別在食堂、宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)設(shè)置儲(chǔ)熱水罐。改造后的板式換熱器和熱水循環(huán)泵、儲(chǔ)熱水罐重新組成新的循環(huán)系統(tǒng)。

2）更換二次側(cè)熱水管道

生活熱水二次側(cè)室外部分管道目前采用埋地敷設(shè)、卡箍連接，鋪設(shè)于室外柏油路面或綠化下。若仍然采用埋地敷設(shè)的方式改造室外管道，一方面施工開挖對(duì)學(xué)校環(huán)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(shè)的方式，沿建筑外立面利用建筑挑檐和風(fēng)雨連廊鋪設(shè)管道，穿越道路部分采用局部埋地鋪設(shè)，節(jié)省施工成本、縮短施工工期，便于未來及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道異常。

在管道材料方面，原先室外埋地管采用外鍍鋅內(nèi)襯塑的鋼塑復(fù)合管，考慮到管道防腐和水質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

通過必要的測試和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)某上海高校生活區(qū)的集中熱水系統(tǒng)的綜合供熱效率為54．73%，綜合供熱效率偏低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其存在容積式換熱器老化、換熱效率低和熱水供水管網(wǎng)漏水問題。針對(duì)這些問題，建議將老化嚴(yán)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?zé)崴撍軓?fù)合管道更換為薄壁不銹鋼管并架空敷設(shè)。經(jīng)過改造后不僅可以提升該校集中熱水系統(tǒng)的綜合供熱效率，同時(shí)減少管道跑冒滴漏造成的水資源的浪費(fèi)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。