广东高校群供热水系统的改进设想及节能潜力评估

林生佐

（广东环境保护工程职业学院，广东佛山 528000）

1 引言

长期以来，我国的建筑耗能量占社会总耗能量的比例维持在20%～25%，位居社会总耗能的第2位，仅低于工业能耗，至2020 年左右，我国的建筑消耗能源总量达到社会总耗能的1/3 以上［1］。其中，公共建筑的单位面积耗能量为住宅建筑面积耗能的10～15 倍，是建筑耗能中的大户。

2 公共建筑生活热水耗能现状分析

2.1 研究现状

供暖和通风空调能耗是建筑耗能的主要组成部分，国内对此有着充分的节能研究，而生活热水方面则较少得到关注。文献表明，热水能耗占建筑总耗能比例达到了7%～35%，主要分布在15%～25%之间。其中，据陈海峰针对高校学生的生活热水调查数据的分析统计，男生热水用量为19.0 L/（人·d），女生热水用量为36.66 L/（人·d）［2］。邓光薇等提出目前普通住宅每户每天的生活热水用量仅为20～80 L，供应水温为45～50 ℃。而王珊珊指出，住宅小区集中供应热水时，GB 50015—2019《建筑设计给水排水设计规范》中设计热水温度为60 ℃，人均每天热水用量为45～50 L［3］，在我国最高日用水量与用热量在一年内出现的次数并不多，可以看出，在生活热水供应方面具备巨大的节能节水潜力。据王红丽等调查核算，在夏热冬暖地区，热水供应到户人均能耗在639 769.6～1 242 979.0 kJ/a，集中澡堂系统人均能耗在486 224.1～1 017 232 kJ/a［4］。本研究基于气温提出一种优化方案，通过采集气温和用水终端的数据，使供热水系统的用水终端的供热水流量、水箱端的蓄水温度和蓄水量形成随环境气温变化并自适应的动态量，实现最优控制。

2.2 耗能原因分析

2.2.1 节能意识薄弱

现阶段人们没有充分认识建筑节能工作的重要性和紧迫性，同时对建筑节能的基本知识也缺乏深刻的了解。加之一些地区为追求“政绩”，只注重建筑数量和规模，放松或放弃了对建筑节能的监督管理职能［5］。

2.2.2 供热水系统供热参数设计不合理

通常集中供热水系统采用的集中供热的温度、流量等参数是人为预先设定的固定值。这样，在春夏季节，往往因水温过高需加入大量冷水以调节水温，热水供过于求，许多热水最后没有使用完而浪费；而秋冬季节，热水又供不应求，较晚使用的用户则发现水不够热甚至是冷水。为此，供应方在设计时往往将设备容量要求提高，并在秋冬季节会额外增加热水储备量或热水机长期运作以保证用户满意度，这直接导致能源浪费且设备老化严重，寿命缩短。

2.2.3 供热水系统智能化水平不高

由于供热系统的非线性、时变性、随机干扰及对象模型参数的不确定因素，加之参数设计不合理，使得传统控制方式难以精确地完成控制任务［6］，而且个人生活热水用量指标偏高，生活热水冷水计算温度偏低，用户终端冷热水的流量配比没有数据监控，加热系统加热的热水温度、输出热水流量及蓄水箱水量等指标没有智能择优控制，不同人群实行无区别对待等一系列问题，造成对能源的极大浪费。

2.3 政策支持

目前建筑耗能问题已经引起广东省的重视，广东省建设厅根据建设部的有关规章，结合省情，出台一系列有关建筑节能工作的文件，如2007 年广东省建设厅制定了《广东省建筑节能管理办法》，并组织有关部门、建筑科研单位、大专院校等共同编写了DBJ 15—51—2007《〈公共建筑节能设计标准〉广东省实施细则》［7］。同时还根据广东省气候特点，编写了DBJ—15—52—2007《公共和居住建筑太阳能热水系统一体化设计施工及验收规程》。佛山市虽然没有针对热水系统相关的节能规章，但在建筑节能方面，佛山市建设局发布了《佛山市建筑节能中长期专项规划》，该规划在佛山市建筑节能工作现状的调查基础上，根据国家和地方有关建筑节能的法律、法规及文件精神，提出了符合佛山市2006—2020 年期间建筑节能发展实际的指导思想、工作原则和发展目标等。

3 系统优化方案

3.1 系统优化

在现有供热水系统基础上，需要进行一系列优化，如采取与天气预报联网或加设温度传感器、用水终端增设温度流量传感器等措施，供热水系统优化结构见图1。

图1 供热水系统优化结构

优化后的供热系统能采集的用水特征因子见表1。

表1 用水特征因子

同时，在用水终端热水管处加设电动节水阀，见图2，系统可通过比例阀限制终端的热水使用量。

图2 用水终端优化结构

3.2 控制方案

该方法包括建立用水特征数据模块、用户终端热水流量控制与自适应模块、水箱端蓄水温度控制与自适应模块和水箱端蓄水量控制与自适应模块。控制方法是基于上述系统结构采集用户用水特征数据，实现用户终端控制和水箱端控制。用户终端控制是给每个用户建立用水特征数据表，按照该用户的用水特征数据表为其提供热水流量（控制热水管电动节水阀的开度）。控制系统根据系统参数和采集数据，对用户的用水流量、热水设定温度及蓄水池水量进行限制，并在每次用水结束后自适应更新修正该用户的用水特征数据。水箱端控制是根据所有用户的用水数据特征表，控制蓄水箱的蓄水温度和蓄水量。最终使用户终端的供热水流量、水箱端的蓄水温度和蓄水量在节水节能的前提下形成随环境气温变化并自适应的动态量。

用户终端用水控制包含建立用水特征数据模块和用户终端热水流量控制与自适应模块。在满足节能目标的前提下，为了保证用水的舒适性，使系统对用户热水流量的供给能够逼近个人习惯，满足个体差异化要求，可以在控制系统上针对每个用户建立对应的用户用水特征数据表，实质就是通过大数据和自适应的方式，即通过隶属度函数确认模糊集合，基于模糊逻辑找到系统对于用户的热水调控流量（Q控）与气温（T气）的映射关系：Q控＝fQ（T气），关系确立后，控制系统对个体热水流量的供给基于此映射进行控制。系统建立用水特征模块用于给每个用户建立用水特征数据表，用水特征数据表基于表1 的6 个因子的采集，形成数据记录，包括气温（T气）及与气温（T气）对应的热水调控流量（Q控）、用户终端实际热水使用流量（Q测）、用户终端流量均值（Q终测均）、用户终端水温均值（T终测均）以及用户用水时间均值（t均）。系统将根据用水特征数据模块，对用户终端每一次的热水用量进行调控，监测用户终端的用水情况，完成对其用水数据的采集，并基于自适应控制算法实现对用户用水特征数据进行修正，使得映射关系Q控＝fQ（T气）随着使用次数的增加不断逼近用户终端的用水习惯。

水箱端控制包含水箱端蓄水温度控制与自适应模块和水箱端蓄水量控制与自适应模块。水箱端蓄水温度控制与自适应模块用于计算一定环境温度（T气）下蓄水箱的热水水温加热目标值（T热水）。基于节能目标和系统收集的用户用水特征数据，结合蓄水箱处传感器采集的冷水温度（T冷水），通过智能算法模糊推理蓄水箱的热水加热温度（T热水）与气温（T气）的映射关系：T热水＝fT（T气）；同理，水箱端蓄水量控制与自适应模块用于计算一定环境温度（T气）下蓄水箱的蓄水量（V），基于系统收集的用户用水特征数据，结合蓄水箱处传感器采集的蓄水量（V），通过智能算法模糊推理蓄水箱的蓄水量（V水）与气温（T气）的映射关系：V水＝fV（T气）。水箱端蓄水量控制与自适应模块对蓄水箱的加热温度及蓄水箱的蓄水量基于此映射进行调控，并保证适当的设计裕量。大数据自适应模糊控制方法示意见图3。

图3 大数据自适应模糊控制方法示意

4 节能潜力评估

基于上述的调整方案，通过对广东环境保护工程职业学院学生的生活热水使用情况进行调研，得出较合理的生活热水加热温度及使用量调控值，并进一步评估高校的生活热水节能潜力及带来的经济效益。

4.1 样本调查与数据归纳

考虑本次调研的学院所在地为广东南海，学生使用热水的高峰期为11—12 月，且一般为沐浴用水。因此本次调研主要调查学生沐浴耗时、沐浴的热水使用量和沐浴水温，选取时间为2020 年11—12月，共计61 d，调查人数507 人次，每日收集数据，统计为日结表（见表2），计算出每日平均值。

表2 调查日结表

汇总后成月结表，见表3。

表3 调查月结表

基于表3 数据，取气温和用时两列数据，整理出散点图（约12.39 min），见图4。由图4 可看出，人均洗澡用时取决于个人习惯，与气温相关度不大。

图4 2020 年11—12 月日人均洗浴用时散点图

4.2 热水使用量调控节能评估

基于表3 人均热水使用量整理出调查期间日人均洗浴用量，通过最小二乘法推算出日人均热水用量与气温的映射关系，见图5。

图5 日人均热水用量与气温映射关系

图5 表明热水使用流量（Qm）与气温（T）成反比，根据图表数据得出趋势函数为：

进一步，以表3 人均热水使用流量数据为基础整理出热水使用流量的人数分布区间，如图6 所示。由图6 可以直观看出，热水用量基本符合正态分布，每一天热水使用流量会集中在中间部分，表明这个热水使用流量区间适用于大部分人。

图6 热水使用流量人数分布区间

将热水使用流量的最大值限制在此区间的热水使用流量区间均值，这样可以在满足大部分人使用的前提下实现节能。以此为目标，对调查的样本表做处理，抓取落在该区间的数据，并计算出每日平均值，将此结果称为调控热水使用流量，见表4。

表4 热水使用流量调控前后对比

流量控制在限制目标值（2.3～2.7 L/min）后，分别将处理前后的数据制成人均热水使用流量散点图进行对比，见图7。

图7 热水使用流量调控前后对比

通过散点图所得的趋势函数，如图中虚线所代表调控热水使用流量（Qn）与气温（T）的趋势函数为：

对比式（1）和式（2），系统可以将大于此均值对应的能量节省下来，该差值即为热水流量节约空间，见图8。

图8 人均热水流量节能空间

进一步推算出热水使用节能量（Qp）与气温（T）的趋势函数为：

如图8，条纹部分的节能空间可细分为调控后带来的节省的水量和节省的加热电量，按下列公式分别计算。据统计人均洗浴用时为12.39 min，即节省热水量为（J水）与气温（T）的关系为：

已知节省的电量为J电1（kW·h），1 kW·h 可提供的能量为860 kcal/（kW·h）（锅炉加热），转化成热能的效率为90%，全年平均气温为20 ℃，普通供水系统的加热温度为55 ℃，则节电量为：

4.3 热水加热温度调控节能评估

从表2 个人洗浴热水温度角度，整理出每日洗浴水温人数分布区间图，其中11 月1 日的分布区间见图9。

图9 日洗浴水温人数分布区间

如图7，若供热水系统以满足85%以上人数的需求水温作为调控水温，通过最小二乘法推算出热水调控温度与气温的映射关系，见图10。

图10 热水调控温度与气温映射关系

结合现有供热水系统加热温度固定为55 ℃的工况，推算出热水人均水温节能空间（上部条纹区域），见图11，其与气温映射关系Wj＝0.399 3 T＋7.2。可见气温越低，生活热水的节能越大。

图11 人均热水温度节能空间

进一步，根据佛山地区全年平均气温21～28 ℃（天气网），同样根据人均洗浴用时和加热能量，可推算出加热温度调控后的节电量（J电2）：

4.4 节能经济效益评估

结合上述人均节能量（J水＋J电1＋J电2）与水单价3.5 元/t，电单价0.65 元/（kW·h），根据天气网提供的佛山市气温，可简单推算出人均节能经济效益，见表5。

表5 人均节能经济效益汇总

进一步推算该学院一年所带来的节能经济效益，以全校在校生6 000 人进行估算，对优化后集中供热水系统进行节能降耗分析，不考虑设备运行时间节省和维护成本降低等优化效果，优化后单套系统一年总共可节约6 411 t 水，节电298 kW·h，共节省23 190 元。若简单推算到广东省151 所高校（实际大部分高校不止6 000 在校生），保守估计一年可节省968 061 t 水，节电44 998 kW·h，合计节约3 501 690 元。据文献调研，没有实施热水计量使用的酒店、医院等公共建筑将具有更大的节能潜力。本方案若在智慧城市全部公共建筑供热水系统中得到应用，将为城市的能耗带来千万级的节约。

5 结语

据统计，2019 年全国公共建筑单位耗能平均水平180（kW·h）/m2，并呈每年增加的趋势。建筑节能是国家节能工作和能源战略的重要组成部分，搞好建筑节能工作是全国节能减排工作的重点之一，而生活热水作为以前较少关注的点，随着公共建筑数量和面积迅速增长，居民对生活品质要求的逐步提高，今后城市建筑耗能出现的大幅度增长点很可能是生活热水的耗能，在生活热水方面实现节能节水具有重大意义。