华南高校高层学生宿舍生活热水需求模式研究

张海璇

暨南大学基建处

0 引言

为满足高校学生对校园生活品质日益增长的需求，各地高校学生宿舍的建设标准越来越高。其中，集中热水供应系统成为高校学生宿舍的标准配置[1]。而学生宿舍的生活热水需求模式直接影响集中热水供应系统的配置以及运行方案的选择[2-3]。虽然现行《建筑给排水设计标准》（GB50015-2019）[4]已经对学生宿舍的生活热水用量给出定额，但生活热水需求模式受包括地域，气候，人群性别和人群生活习惯等的影响。而我国地域辽阔，南北人群生活习惯有很大的不同，两地生活热水需求模式必然有所差异。

已有研究者对[5-7]对重庆，长沙和浙江多个高校的学生宿舍进行生活热水需求模式分析，但对华南地区高校学生宿舍的生活热水需求模式研究仍较少。本文对华南地区J 大学新校区学生宿舍近两年的实际生活热水流量进行分析，并引入“ 负荷率”[8]的概念来评估学生宿舍的集中热水供应系统的运行效果，以期提出华南地区高校学生宿舍最高日用水定额的合理推荐值，为华南地区高校学生宿舍楼的建设提供参考。

1 项目概况

1.1 所在地区气候条件

J 大学新校区建设所在地区属南亚热带海洋性气候，气候温和，日照充足。该地区平均气温 21.8 ℃，最高月（7 月）平均气温28.4 ℃，绝对最高气温38.7 ℃，历年极端最低气温0 ℃。年平均日照1895.2 小时，7 月份日照最长，4 月份日照最短。全年日照率为 42.9%，年总辐射量（Q）4 390.2 MJ/m2。

1.2 校区宿舍热水供水系统

校区目前共建有8 栋学生宿舍，每间宿舍内设置独立卫浴。校区内学生宿舍楼的热水供应均采用太阳能-空气源热泵系统，太阳能为主供热能源，空气源热泵作为辅助热源。热水设计温度为55 ℃。控制系统由冷水供水控制，温差循环控制，过渡水泵运行控制，热泵辅助系统控制和供回水控制几个控制模块组成（见图1）。

图1 太阳能-空气源热泵系统原理图

2 学生热水用水规律

J 大学新校区内建设有节能监控中心，可读取保存每间宿舍内每日智能冷热水表的读数。由于校园内寒假期间（1～2 月）基本没有学生入住，本研究选取校区内 2 个典型宿舍楼（男生宿舍 A 和女生宿舍 B，宿舍建设指标详见表1）作为研究对象，时间范围为2019年 3～12 月，以及 2020 年下半年（9～12 月）（2020 年上半年疫情影响，无学生入住），对这两段时间区间的热水数据进行分析。

表1 学生宿舍建设指标表

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围内随气温波动的用水规律表现一致，季节性变化规律比较明显。且全年人均用水量均高于华中地区高校的人均用水量。宿舍人均用水量变化规律见图2，表2 和表3，与其他高校的对比见表 4（下文中的流量数据对应的供水温度为55 ℃ ）。图2 中，箱型图箱体中间小方框为统计平均值，横线为中位数，箱型图范围为数据集合中位数前后 25%的数据，箱型图延长线为数据集合中位数前后95%的数据，星号为极值点。

图2 宿舍全年人均用水量与气温变化

表2 男生宿舍人均用水量统计

表3 女生宿舍人均用水量统计

表4 学生宿舍冬季人均用水量对比表（L/(人 ·d)）

根据图表可以看出，2020 年的人均用水量略大于2019 年相应月份的人均用水量，女生宿舍的人均用水量要明显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现在2020 年 12 月。男女宿舍的热水用量随气温变化规律明显，随着气温降低，用水量明显增加。剔除暑假期间（7 月～8 月）学生离校造成用水量大幅减少的影响，在气温（平均气温26 ℃）依然很高的 6 月和 9 月，宿舍的热水用量相较于气温较低（平均气温13 ℃）的冬季下降趋势明显。因此在用水定额选取和系统设计时，需要考虑到用水量变化规律与温度的关系，既要满足冬季热水用量的需求，又要有随气温变化调整系统运行规模的合理措施。J 大学新校区宿舍楼采用的太阳能-空气源热泵系统的温差控制运行模式，可较好的契合气温对于用水规律的影响，达到最佳的节能效果。

2.2 最高日用水定额

两栋学生宿舍的最高日用水量均出现在冬季，男女生宿舍的用水规律受气温影响明显，且最高日人均用水量高于我国华中和西南地区高校的用水量，具体结果详见表5。

表5 学生宿舍最高日用水量对比表（55 ℃）（L/(人· d)）

考虑到 3 月和 12 月均是全年中用水最大的月份，为避免取值过大，导致最终设备选型过大，选取2019 年和 2020 年的 3 月和 12 月份中最高日用水量的平均值作为全年最高日用水量的最终取值。计算得出，男生宿舍的最高日用水量为 54.26 L/(人·d)，女生宿舍最高日用水量为66.59 L/(人· d)。两栋宿舍的最高日用水量均低于现行规范规定最高日热水用水定额（70～100 L/(人·d)）中最低值（70 L/(人·d)），但其与《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]中Ⅲ、Ⅳ 宿舍楼的最高日热水定额（40～80 L/(人· d)）相吻合。这也能说明现行规范与华南地区热水使用规律的匹配度比较高，且具有预见性。

根据上文各高校学生宿舍的平均日用水量和最高日用水量的对比表可以看出，J 大学内宿舍的平均日用水量和最高日用水量均高于华中地区高校学生宿舍热水用水量[5-7]。笔者认为造成此种差异与研究的年份、不同地域人群的用水习惯和最高日热水用水出现的季节有关系。此次选取的宿舍内居住的学生均是属于 00 代，他们成长在我国经济腾飞的年代，且大部分来自经济较发达的沿海地区，单位用水量较他们的前生代也会更高（对比表中的华中地区高校研究均在2013 年以前）。另外，经跟踪调查，华南地区气候温和，J 大学内大部分学生有每日淋浴的生活习惯。在冬季时由于气温降低，学生淋浴的时间相较于其他季节会更长，且存在采用热水替代其他用水的情况，故而最高日用水量出现在冬季且用水量更大。

3 太阳能-空气源热泵系统运行评估

J 大学新校区内的学生宿舍建设时采用的设计规范均为《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]，按照宿舍居住人数套用规范中Ⅲ、Ⅳ 宿舍楼的热水用水定额（40～80 L/(人·d)）进行设计。其中，首批宿舍楼选用的定额为50 L/(人· d)，只能勉强满足学生对于热水的要求，设计定额也明显低于本文的统计结果（66.59 L/(人· d)）。预留的余量太小，不利于后期宿舍楼的改造。因此，本研究所涉及的两栋宿舍楼在设计时将用水定额调整至80 L/(人·d)，选用的设备机型和水箱容量也相应增大。这种做法虽然保证了供水的安全性和可靠性，但也增加了项目初期的投资压力。基于此，本研究借鉴杨柳等人提出的“ 负荷率”对这两栋宿舍楼太阳能-空气源热泵系统的运行情况进行评估[8]，以期能为后续宿舍楼的建设提出更加合理的选值意见。

当前宿舍楼设计时还未根据性别进行个性设计，男女宿舍的建设标准是一致的。但文理学科偏重不同的大学，校园内男女学生比例存在显著差异，故对男女宿舍分开评估对校园建设具有现实意义。因此，女生宿舍选取设计定额 80 L/(人·d)、《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019）[4]中学生宿舍热水定额中的最低值70 L/(人·d)和女生宿舍最高日用水定额 66.59 L/(人·d)进行评估；男生宿舍选取系统设计定额 80 L/(人·d)、女生宿舍最高日用水定额 66.59 L/(人·d)和男生宿舍最高日用水定额54.26 L/(人·d)进行评估，计算系统每日的实际热水负荷率（每日实际热水负荷与设计负荷的比值）。男生宿舍和女生宿舍在 2019 年和2020 年不同月份负荷率的分布情况，如图3、表 6、表 7所示。

图3 不同额定用水量下负荷率的变化情况

表6 女生宿舍负荷率统计

表7 男生宿舍负荷率统计

对女生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的热水负荷率进行统计，结论如下：

1）最高日用水定额取值80 L/(人·d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数 2019 年有38 d，2020 年有11 d，约占总天数的 32.03%；负荷率在50%～60%的天数2019 年有14 d，2020 年有 34 d，约占总天数的 31.38%；负荷率在 60%～70%的天数2019 年有9 d，2020 年有34 d，约占总天数的28.1%；负荷率在70～80%的天数都出现在2020 年，共有10 d，约占冬季的 6.53%；负荷率超过 80%的天数有 3 d，均出现在2020 年，占冬季的1.96%。2020 年冬季的负荷率相较于2019 年冬季的负荷率有增长。由以上结果可知，采用80 L/(人·d)作为女生宿舍热水设计定额，能完全能满足女生宿舍全年的热量需求，且为宿舍楼内单位热量需求的增长预留了足够的空间，故将 80 L/(人·d)作为女生宿舍生活热水最高日用水定额上限取值。

2）最高日用水定额取值 70 L/(人· d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数 2019 年有22 d，2020 年仅有 2 d，约占总天数的 15.68%；负荷率在 50%～60%的天数 2019 年有 24 d，2020 年有 20 d，约占总天数的 28.76%；负荷率在 60%～70%的天数2019 年有11d，2020 年有29 d，约占总天数的26.14%；负荷率在 70%～80%的天数 2019 年有 4 d，2020 年有30 d，约占总天数的 22.22%；负荷率超过 80%的天数出现在2020 年，共有11 d，占总天数的7.2%。根据以上结果可知，采用 70 L/(人· d)作为女生宿舍热水设计定额，可满足女生宿舍全年的热量需求，但预留的余量较小，作为上限值略小。

3）最高日用水定额取值 66.59 L/(人· d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数只出现在2019 年，共有16 d，约占总天数的10.46%；其中负荷率在 50%～60% 的天数 2019 年有 22 d，2020 年有11 d，约占总天数的 21.56%；负荷率在 60%～70%的天数 2019 年有 12 d，2020 年有 28 d，约占总天数的26.14%；负荷率在 70%～80%的天数 2019 年有 9 d，2020 年有 30 d，约占总天数的 25.5%；负荷率超过80%的天数有25 d，占总天数的 16.34%。根据以上结果可知，采用66.59 L/(人 ·d)作为女生宿舍热水设计定额，可满足女生宿舍全年的热量需求，但系统在冬季需要全负荷运转的天数较长，会降低系统的安全性和可靠性。故可将66.59 L/(人 · d)作为女生宿舍生活热水最高日用水定额的取值下限。

对男生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的热水负荷率进行统计，结论如下：

1）最高日用水定额取值 80 L/(人·d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数 2019 年有47 d，2 020 年有36 d，约占总天数的54.25%；负荷率在50%～60%的天数2019 年有 12 d，2020 年有 42 d，约占总天数的 35.3%；负荷率在 60%～70%的天数 2019 年仅有 2 d，2020 年有 13 d，约占总天数的 9.8%；负荷率在70～80%的天数出现在 2020 年，仅有 1 d，约占冬季的0.65%；两个冬季的负荷率都没有超过80%。由以上结果可知，采用80 L/(人·d)作为男生宿舍热水设计定额，预留的余量过大，设备大部分时间处于不饱和工作状态。将80 L/(人· d)作为男生宿舍生活热水最高日用水定额的话，会使设备选型过大，造成浪费。

2）最高日用水定额取值 66.59 L/(人·d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数 2019 年有20 d，2020 年有12 d，约占总天数的20.92%；负荷率在50%～60%的天数 2019 年有 26 d，2020 年有 24 d，约占总天数的32.68%；负荷率在60%～70%的天数2019年有12 d，2020 年有34 d，约占总天数的30.06%；负荷率在 70%～80%的天数 2019 年有 3 d，2020 年有 19 d，约占总天数的14.38%；负荷率超过80%的天数仅出现在2020 年，有 3 d，占总天数的 1.96%。根据以上结果可知，采用 66.59 L/(人·d)作为男生宿舍热水设计定额，可满足男生宿舍全年的热量需求，且有充足余量。故将 66.59 L/(人·d)作为男生宿舍生活热水最高日用水定额取值上限。

3）最高日用水定额取值54.26 L/(人·d)时，在两年冬季的 153 d 中，负荷率低于 50%的天数只出现在2019 年，有 2 d，约占总天数的 1.31%；其中负荷率在50%～60%的天数2019 年有15 d，2020 年有 9 d，约占总天数的 15.68%；负荷率在60%～70%的天数 2019 年有22 d，2020 年有20 d，约占总天数的27.45%；负荷率在 70%～80%的天数 2019 年有 11 d，2020 年有 26 d，约占总天数的 24.19%；负荷率超过 80%的天数 2019年有11 d，2020 年有37 d，占总天数的的31.37%；其中负荷率超过90%的天数2019 年有 1 d，2020 年有 8 d。根据以上结果可知，采用 66.59 L/(人·d)作为男生宿舍热水设计定额，可满足男生宿舍全年的热量需求，但系统在冬季需要全负荷运转的天数较长，会降低系统的安全性和可靠性。故可将54.26 L/(人·d)作为男生宿舍生活热水最高日用水定额的下限取值。

根据以上结论可以得出，女生宿舍最高日用水定额取值为 66.59 L/(人·d)～80 L/(人·d)，男生宿舍最高日用水定额取值为 54.26 L/(人·d)～66.59 L/(人·d)，是比较合理的取值范围，能满足生活热水的热量需求。

4 结论

1）通过对华南地区的J 大学新校区内2 栋高层学生宿舍的集中供热系统连续2 年热水用量进行检测，发现男女生宿舍在全年范围内用水量及日用水规律表现一致，季节性变化规律比较明显；且全年人均用水量均高于华中和西南地区的人均用水量。两栋学生宿舍的最高日用水均出现在冬季，其中男生宿舍的最高日用水量为54.26 L/(人 ·d)，女生宿舍的最高日用水量为66.59 L/(人 · d)。

2）通过引入“负荷率”的概念，评估在不同取值下集中热水供应系统的运行情况，以寻找男女宿舍合理的最高日用水定额的取值。分析结果表明，女生宿舍最高日用水定额推荐取值范围为 66.59～80 L/(人· d)，男生宿舍最高日用水定额推荐取值范围为54.26～66.59 L/(人· d)，既能满足宿舍楼全年的热量需求，又预留一定的负荷余量。