高校学生宿舍热水节能改造的实践与探讨

雍小龙 王靖华

浙江大学建筑设计研究院有限公司

1 前言

我国面临能源短缺和环保问题日益严重的困境，国家和各地政府也陆续出台了一系列节能减排相关的规范规定，其中对工程建设中的集中热水系统有明确的节能设计要求。传统的热水制热设备（电热水器、燃气锅炉等）由于高污染高能耗的原因，已经不能满足国家提出的节能减排的要求。高校学生宿舍是典型的集中热水系统应用项目，目前已建成使用的宿舍相当一部分使用燃气、电、城市蒸汽管网等化石或二次能源作为热水系统热源，污染、浪费且运行成本高。

在夏热冬冷地区利用热泵技术来制取生活热水[1]，是目前公认具有节能意义的技术手段。本文结合浙江大学玉泉校区竺可桢学院热水改造工程实例，阐述空气源热泵热水系统在夏热冬冷地区学生宿舍集中热水系统节能改造中应用的思路和实际做法，并通过运行数据的总结和分析，验证节能改造的实际效果。

2 工程概况及背景

浙江大学竺可桢国际教育学院大楼（以下称“大楼”）是供外国留学生使用的6层的多层宿舍，以单人间（带独立卫生间淋浴）为主，共459 床。一层设有学生食堂，每天约1000 人·次就餐。房间热水24h不间断供应，食堂热水定时供应。

大楼最初建成时热水机房设在地下室，宿舍房间热水由两台有效容积8T、换热面积20m2卧式容积式热交换器制备，食堂和洗衣房由一台有效容积3T、换热面积2.58m2的容积式热交换器制备，热源为校区集中锅炉房提供的管网高温蒸汽。校区锅炉房停用后，将热水机房中容积式热交换器改为四台承压容积式电热水器制备热水，每台热水器额定最大输入功率90kW，容积495L。电热水器投入使用后，大楼每年热水制备耗电量居高不下。由于效率低能耗大，每立方米热水制备成本高企，并且与“绿色节能”的整体发展思路相悖。至2016年，对大楼热水系统进行节能改造。

浙江省DB3 3/1092—2016《绿色建筑设计标准》中7.1.2条指出：“设有集中生活热水的建筑，应优先采用余热、废热或可再生能源作为热源的热水系统，并合理配置辅助热源”。本次热水节能改造，设计采用空气源热泵机组作为主热源，制热、储热设备均设于大楼屋顶。原地下室的室热水机房中电锅炉不作拆除，留待极其恶劣天气的备用热源。屋顶空气源热泵热水系统在热水罐出水端串联两台300L的容积式电热水器，作为出水温度不足时补足出水温度使用，每台容积式电热水器最大额定功率54kW。

3 热水节能改造计算、系统设计

大楼共459 床，食堂就餐人数1000 人·餐，用水量标准根据GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》（2009 年版）中表5.1.1-1，热水小时变化系数按表5.3.1计算为3.59，大楼最高日热水用水量计算见表1。

表1 竺可桢大楼热水系统用水量计算表

设计考虑宿舍、食堂热水集中制备，由分水器、集水器分区供水。大楼最高日热水用水量51.3m³/d，最大时热水量7.68m³/h。此次计算用水量标准根据《建筑给水排水设计规范》中取值而不是《民用建筑节水设计标准》中相关取值，主要是考虑本大楼使用人员基本为各国留学生，其生活用水习惯不一而足，无法根据普通I、II类宿舍的用水经验取值，而且本大楼中春节寒假期间（最冷月）使用人员基本不会减员的实际情况而决定的。空气源热泵热水系统计算如下：

最高日平均秒耗热量：

设计小时平均秒耗热量：

空气源热水热泵机组制热量：

机组名义制热量：

表2 竺可桢大楼热水系统热量计算表

式中：

Qg——空气源热泵设计小时供热量（kJ/h）；

Qd——最高日热水用水量（m³/d）；

Qh——设计小时热水用水量（m³/h）；

Qwd——最高日平均秒耗热量（kW）；

Qwh——设计小时平均秒耗热量（kW）；

C——水的比热，4.187KJ/（kg·℃）；

tr——热水温度（℃），取60℃；

tl——冷水温度（℃）；

ρr——热水密度（kg/L）；

T1——热泵机组设计工作时间（h/d）；

K1——安全系数，1.05～1.10；

K2——使用地区室外计算温度修正系数，取0.95；

K3——机组容霜修正系数，每小时容霜一次取0.95。

根据计算设计选用空气源热泵热水机组，空气源热泵机组按冬季最不利工况下设计，考虑空气源热泵机组在冬季最不利工况时COP全天平均值为2.5[3]，冷水设计温度按5℃，冬天最高日用水量时空气源热泵热水机组工作时间控制在12h[4]以内。空气源热泵机组选型采用空气源热泵热水机组6台，单台额定功率21.5kW，最大电流50A，标准工况下名义制热量53.75kW。

空气源热泵系统贮热设备的有效容积按最高日总用水量扣去热泵机组高峰用水时段产水量计算（高峰用水时段即设计小时耗热量持续时间）[5]。考虑到本大楼使用情况中，可能出现学生集体活动后回到宿舍出现集中的用水高峰，系统储存70%的平均日热水用水量。根据计算大楼平均日热水用水量为39.1m³/d，储热水罐容积：

选有效容积7.6T承压储热水罐四座。

空气源热泵热水机组循环流量：

空气源热泵热水机组循环流量计算如表3所示

式中：

qrx——热泵机组设计循环流量，m3/h；

Δtj——热泵机组的进出口温差，一般取5℃。

Qg——热泵机组设计小时平均秒供热量，kW；

ρr——水的密度，1kg/L；

K4——安全系数，一般取1.10。

表3 空气源热泵热水机组循环流量设计计算

热水系统空气源热泵热水机组选用加热循环泵3 台，2 用1备，单台qx=0～45m3/h，扬程H=20m，功率P=4.5kW。

空气源热泵机组工作需要良好的室外通风条件，综合考虑大楼周围及本身的条件，将机组设置在大楼楼梯间屋顶。新热水系统采用闭式系统，冷水水源接自原大楼地下室生活给水泵房，使冷热水供水点达到压力同源。储热水罐进出水管、空气源热泵机组出水管均设置电动阀门，精确控制，可以做到每组、每台根据制热量需求启闭，以便于将系统调试至最节能、最高效的运行状态[6]。热水系统原理图如图1。

图1 空气源热泵系统原理图

空气源热泵机组分两组，每组三台，放置于楼梯间屋顶。储热水罐、循环设备、控制柜等设置在南北塔楼间略低处的屋面，顶部设置彩钢屋顶，结合东西侧4米高女儿墙构成相对封闭的屋顶“热水机房”，有利于设备、管道的保温，减少热量损耗。同时对整个系统的控制器等部分进行保护，减缓老化。热水设备布置图如图2。

图2 空气源热泵热水系统设备布置平面图

4 运行数据对比及分析

大楼节能改造后的新热水系统于2017年9月份正式投入使用。稳定运行已满一年，因大楼中留学生为主，冬季寒假期间热水系统不停止运行。未出现最寒冷天设备制热量不足现象，。

大楼热水系统单独设置电表箱，大楼管理方记录并提供了空气源热泵系统投入运行一年中各个月份制备热水所耗的电量（千瓦时），整合2016年至2017年（空气源热泵未投入使用）各相同月份的耗电量，对比数据如表4。

表4 相同月份每月制备热水耗电量表

根据表中数据不难看出，大楼热水系统改造后，每月热水制备所耗电能相比前一年同期均有明显下降。空气源热泵在夏天环境温度高时能效比最佳，然而根据表中数据，夏季7月、8月、9月三个月中节省电能效果不明显，其原因是暑假期间学生住宿率低，热水总用水量极少。其余季节，空气源热泵系统节能效果均令人满意。

大楼用电每度电价0.558元，可计算得每月制备热水所耗资金、相比节能改造前每月节省的资金，可得到如下直观的对比图如图3。

图3 相同月份每月制备热水所耗资金

相比去年同期，每个月均有明显的节资效果。本次节能改造，新增空气源热泵机组及设备相关费用总计约552000元，经统计运行一整年全年相较前一年同期，大楼在热水系统能耗中总节省资金约172802元，静态回收期约40个月，效益可观。

5 结语

节能环保是当今社会的焦点议题，热水使用又是人们生活中不可避免的固有需求。在满足人们的热水用水需求的同时兼顾节能、可持续发展，才是真正的绿色节能设计。已有的很多有集中热水系统的工程项目，热源仍沿用原有的锅炉、电热水器等，已不能满足节能环保的要求，高能耗也损害了使用方的经济利益。结合原有设备更换等因素考虑针对热水系统的节能改符合国情、符合经济效益最大化的思路。空气源热泵热水系统是一种能效比高、运行稳定的成熟系统，再加上其改造所需要的占地、环境等外在条件不苛刻，在宿舍、食堂等常见项目的热水系统中有很大的应用价值。通过系统设置多机组多水罐，根据使用情况调整运行参数，能够达到更加理想的运行效果。