上海某高校生活区集中热水系统供应方案和节能潜力分析

杨晨安

上海建科节能技术有限公司

0 引言

高等学校是社会的重要组成部分，伴随着我国居民生活水平的不断提高，高校学生对校园生活品质的需求也日益增长，随之增长的是为保障生活品质的能源需求。据统计，我国高等学校年能源消耗量近3 000万tce，能耗总量占社会总能耗的8%，我国高校每名学生的能耗是居民的4倍［1］。在新时代节能减排的背景下，如何平衡高校学生对于校园生活品质日益增长的需求和能耗总量、能耗强度的双控要求值得思考。

提升校园生活品质比较常见的手段包括增加教室和学生宿舍空调提高热舒适度、生活热水接入学生宿舍提高热水使用灵活性等。某上海高校设计建造时采用了集中能源站为学校教学楼、图书馆、教师办公楼、学生宿舍、教师宿舍、食堂等主要区域提供集中空调和生活热水供应。近年来，该校集中能源站能源供应量增幅显著，其中，生活热水系统的供热量陡增。以该校集中生活热水系统为案例，结合必要的测试和数据分析，找出导致其供热量陡增的原因和节能潜力，并探讨其可行的节能措施，为高等学校节能提供参考和借鉴。

1 高校生活区热水系统概况

1.1 生活区建筑概况

某高校生活区热水供应范围包含10栋学生宿舍、6栋教师宿舍和3栋食堂，总建筑面积182 947 m2，建筑生活区信息详见表1。学生宿舍和教师宿舍日常使用时间为每天0:00-24:00，食堂供应一日三餐。2020年学生住宿总人数为4 574人，教师住宿总人数为763人。

1.2 热水系统概况

生活区热水热源为学校能源站分布式供能系统的工艺余热废热。热媒水为能源站发电机组的高温冷却水（供水温度约85℃）通过管网送至位于生活区食堂地下室的换热站，并利用换热站内的容积式换热器进行换热。生活热水水源取自该换热站内的不锈钢生活水箱，在容积式换热器被热媒水加热至60℃后，通过热水管网送至学生宿舍、教师宿舍和食堂的用水点。生活区热水供应原理见图1。

表1 建筑生活区信息

图1 生活区热水供应原理图

生活区热水系统分区域设置，分区方式同冷水分区，以确保冷热水压力一致。分区方式为：学生宿舍和教室宿舍1至6层为宿舍低区、7层及以上为宿舍高区、食堂单独成一分区。共配置12台容积式换热器，其中宿舍低区和宿舍高区分别配置5台、食堂配置2台，相关参数见表2。

共配置6台热水循环泵，其中宿舍高区配置2台热水循环泵、宿舍低区配置2台热水循环泵、食堂配置2台热水循环泵，参数见表3。

2 生活区热水系统综合供热效率测试

生活热水系统测试目的是理清生活区学生宿舍学生人均生活热水耗热量指标和生活热水系统二次侧与一次侧之间换热的效率，以便进一步量化和确定生活热水系统运行存在的问题和挖掘节能潜力。

表2 容积式换热器参数

表3 热水循环泵参数

能源站提供的用于生活热水系统的热量，一部分在容积式换热器换热时损耗，另一部分在热水管道输送时损耗。因此二次侧（宿舍和食堂）实际消耗的热量和一次侧（能源站）生活热水系统总供热量的比值，即为热水系统综合供热效率。见式（1）。

由公式（1）表达为：

式中：Q二次侧——生活热水二次侧耗热量；

Q一次侧——能源站一次侧供热量。

2.1 宿舍区人均耗热量

通过在现场实施简单的测试后，结合学校提供的住宿学生人数、住宿教师人数计算得到宿舍区人均耗热量指标。二次侧实际耗热量可通过公式（2）计算。

式中：Q——二次侧耗热量，kJ/per；

c——水的比热容，4．186 kJ/kg·℃；

m——生活热水用水量，L/per；

ΔT——供水温度和自来水温度温差，℃。

上述公式中，水的比热容为物理常数，生活热水用水量、供水温度和自来水温度通过仪器测试获得。生活热水用水量即为换热站生活热水补水量，宿舍区低区、宿舍区高区和食堂补水管上分别有水表计量。经记录低区和高区热水日用量分别为140．13 m3和241．58 m3，并计算得到低区和高区人均热水日用量分别为53．98 L和86．68 L。

利用安装在低区热水供水管、高区热水供水管和自来水管上的温度自记仪，以10 min为间隔记录了连续27天的低区热水供水温度、高区热水供水温度和自来水温度，见图2。监测期间高区供水温度最大值为78．2℃、最低温度为42．5℃、平均温度为65．1℃；低区供水温度最大值为50．3℃、最低温度为40．3℃、平均温度为46．5℃。

图2 宿舍区温度监测曲线

分别利用低区和高区逐日加热的热水温差和热水日用量，计算得到27天低区和高区实际二次侧耗热量累计值分别为340．66 GJ和1 095．41 GJ，日均耗热量分别为12．62 GJ和40．57 GJ。

2.2 食堂耗热量

利用安装在食堂热水供水管和自来水管上的温度自记仪，以10 min为间隔记录了连续27天的食堂热水供水温度和自来水温度，见图3。监测期间，内食堂供水温度最大值为79．2℃、最低温度为57．3℃、平均温度为70．5℃。

根据食堂补水表得到食堂每天热水用量约为30 m3，结合食堂热水加热温差，计算得到27天食堂实际二次侧耗热量累计值为154．36 GJ，日均耗热量为5．72 GJ。

2.3 能源站一次侧供热量

能源站一次侧供热量以1 h为间隔记录一次侧供水温度、一次侧回水温度和循环水量。如图4所示，测试期间一次侧供水温度最高值为84．8℃，最低值为62．4℃，平均值为77．6℃；回水温度最高值为79．5℃、最低值为58．8℃、平均值为71．7℃；供回水温差平均值为5．9℃。能源站一次侧供回水温度趋势见图4。

图3 食堂温度监测曲线

图4 能源站一次侧供回水温度

测试期间一次侧循环流量较为稳定，在180 m3/h左右。通过逐时循环流量和供回水温差计算得到一次侧供热量日平均值为107．64 GJ。

2.4 热水综合供热效率

汇总2．1节和2．2节的测试和计算结果，该高校生活热水二次侧日均耗热量汇总见表4。

供应区域宿舍低区宿舍高区食堂合计日均耗热量（GJ/d）12．62 40．57 5．72 58．91

热水系统综合供热效率见式（3）。

因此，该高校生活热水系统综合供热效率为54．73%。

3 生活热水系统主要问题和节能潜力

3.1 主要问题

经测试计算，该高校生活热水系统综合供热效率为54．73%，综合供热效率偏低。经现场勘察，主要存在以下两方面问题。

1）容积式换热器老化

在换热站现场发现容积式换热器老化严重，多台存在一次水（85℃）和二次水（60℃）窜水、跑冒滴漏问题。另外从容积式换热器的构造来看，不仅占地空间大，其换热元件在热水罐体内部容易导致结垢且清洗难度大，每年设备维护和检修的费用高昂，水质也难以保障。

2）热水供水管网存在漏水

经计算，宿舍低区和高区人均热水用量分别为53．98 L/d和86．68 L/d。根据《民用建筑节水设计标准》（GB 50555-2010），I类和II类宿舍热水平均节水用水定额为40～55 L/d［2］。根据该标准，该高校宿舍低区人均热水日用量在节水定额范围内，高区用量远远高出节水要求。

经与高校物业人员核实，证实学校二次侧室外生活热水埋地管网和室内热水管道发生过漏水。由于室外管网埋地，漏水初期不易被发现，发现后排查难度大。

3.2 节能潜力

针对3．1节锁定的换热站容积式换热器和二次侧输送管道的漏水损失两个主要问题，提出以下建议：

1）采用板式换热器替代容积式换热器

该高校换热站使用的容积式换热器的传热系数约2 200 K/m2·℃，而板式换热器的传热系数可达3 000～4 700 K/m2·℃，板式换热器的传热更良好。

因此，建议拆除换热站内的12台容积式换热器，更换为板式换热器。板式换热器节省设备占地，运行维护简便，提升了设备运行的可靠性并降低了维护成本。同时，按原有热水供水系统分别更换原食堂、宿舍低区和宿舍高区共计6台热水循环泵，并分别在食堂、宿舍低区和宿舍高区设置储热水罐。改造后的板式换热器和热水循环泵、储热水罐重新组成新的循环系统。

2）更换二次侧热水管道

生活热水二次侧室外部分管道目前采用埋地敷设、卡箍连接，铺设于室外柏油路面或绿化下。若仍然采用埋地敷设的方式改造室外管道，一方面施工开挖对学校环境破坏较大，另一方面施工难度和施工成本也较高。因此建议采用架空敷设的方式，沿建筑外立面利用建筑挑檐和风雨连廊铺设管道，穿越道路部分采用局部埋地铺设，节省施工成本、缩短施工工期，便于未来及时发现管道异常。

在管道材料方面，原先室外埋地管采用外镀锌内衬塑的钢塑复合管，考虑到管道防腐和水质要求，改造后建议采用成品不锈钢保温管，焊接连接，降低管道腐蚀造成的泄漏风险。

4 结语

通过必要的测试和数据分析发现某上海高校生活区的集中热水系统的综合供热效率为54．73%，综合供热效率偏低。进一步分析发现其存在容积式换热器老化、换热效率低和热水供水管网漏水问题。针对这些问题，建议将老化严重的容积式换热器更换为换热效率更高的板式换热器，并将埋地热水钢塑复合管道更换为薄壁不锈钢管并架空敷设。经过改造后不仅可以提升该校集中热水系统的综合供热效率，同时减少管道跑冒滴漏造成的水资源的浪费，促进可持续发展。