高校學生宿舍熱水節能改造的實踐與探討

雍小龍 王靖華

浙江大學建筑設計研究院有限公司

1 前言

我國面臨能源短缺和環保問題日益嚴重的困境，國家和各地政府也陸續出臺了一系列節能減排相關的規范規定，其中對工程建設中的集中熱水系統有明確的節能設計要求。傳統的熱水制熱設備（電熱水器、燃氣鍋爐等）由于高污染高能耗的原因，已經不能滿足國家提出的節能減排的要求。高校學生宿舍是典型的集中熱水系統應用項目，目前已建成使用的宿舍相當一部分使用燃氣、電、城市蒸汽管網等化石或二次能源作為熱水系統熱源，污染、浪費且運行成本高。

在夏熱冬冷地區利用熱泵技術來制取生活熱水[1]，是目前公認具有節能意義的技術手段。本文結合浙江大學玉泉校區竺可楨學院熱水改造工程實例，闡述空氣源熱泵熱水系統在夏熱冬冷地區學生宿舍集中熱水系統節能改造中應用的思路和實際做法，并通過運行數據的總結和分析，驗證節能改造的實際效果。

2 工程概況及背景

浙江大學竺可楨國際教育學院大樓（以下稱“大樓”）是供外國留學生使用的6層的多層宿舍，以單人間（帶獨立衛生間淋浴）為主，共459 床。一層設有學生食堂，每天約1000 人·次就餐。房間熱水24h不間斷供應，食堂熱水定時供應。

大樓最初建成時熱水機房設在地下室，宿舍房間熱水由兩臺有效容積8T、換熱面積20m2臥式容積式熱交換器制備，食堂和洗衣房由一臺有效容積3T、換熱面積2.58m2的容積式熱交換器制備，熱源為校區集中鍋爐房提供的管網高溫蒸汽。校區鍋爐房停用后，將熱水機房中容積式熱交換器改為四臺承壓容積式電熱水器制備熱水，每臺熱水器額定最大輸入功率90kW，容積495L。電熱水器投入使用后，大樓每年熱水制備耗電量居高不下。由于效率低能耗大，每立方米熱水制備成本高企，并且與“綠色節能”的整體發展思路相悖。至2016年，對大樓熱水系統進行節能改造。

浙江省DB3 3/1092—2016《綠色建筑設計標準》中7.1.2條指出：“設有集中生活熱水的建筑，應優先采用余熱、廢熱或可再生能源作為熱源的熱水系統，并合理配置輔助熱源”。本次熱水節能改造，設計采用空氣源熱泵機組作為主熱源，制熱、儲熱設備均設于大樓屋頂。原地下室的室熱水機房中電鍋爐不作拆除，留待極其惡劣天氣的備用熱源。屋頂空氣源熱泵熱水系統在熱水罐出水端串聯兩臺300L的容積式電熱水器，作為出水溫度不足時補足出水溫度使用，每臺容積式電熱水器最大額定功率54kW。

3 熱水節能改造計算、系統設計

大樓共459 床，食堂就餐人數1000 人·餐，用水量標準根據GB 50015—2003《建筑給水排水設計規范》（2009 年版）中表5.1.1-1，熱水小時變化系數按表5.3.1計算為3.59，大樓最高日熱水用水量計算見表1。

表1 竺可楨大樓熱水系統用水量計算表

設計考慮宿舍、食堂熱水集中制備，由分水器、集水器分區供水。大樓最高日熱水用水量51.3m3/d，最大時熱水量7.68m3/h。此次計算用水量標準根據《建筑給水排水設計規范》中取值而不是《民用建筑節水設計標準》中相關取值，主要是考慮本大樓使用人員基本為各國留學生，其生活用水習慣不一而足，無法根據普通I、II類宿舍的用水經驗取值，而且本大樓中春節寒假期間（最冷月）使用人員基本不會減員的實際情況而決定的。空氣源熱泵熱水系統計算如下：

最高日平均秒耗熱量：

設計小時平均秒耗熱量：

空氣源熱水熱泵機組制熱量：

機組名義制熱量：

表2 竺可楨大樓熱水系統熱量計算表

式中：

Qg——空氣源熱泵設計小時供熱量（kJ/h）；

Qd——最高日熱水用水量（m3/d）；

Qh——設計小時熱水用水量（m3/h）；

Qwd——最高日平均秒耗熱量（kW）；

Qwh——設計小時平均秒耗熱量（kW）；

C——水的比熱，4.187KJ/（kg·℃）；

tr——熱水溫度（℃），取60℃；

tl——冷水溫度（℃）；

ρr——熱水密度（kg/L）；

T1——熱泵機組設計工作時間（h/d）；

K1——安全系數，1.05～1.10；

K2——使用地區室外計算溫度修正系數，取0.95；

K3——機組容霜修正系數，每小時容霜一次取0.95。

根據計算設計選用空氣源熱泵熱水機組，空氣源熱泵機組按冬季最不利工況下設計，考慮空氣源熱泵機組在冬季最不利工況時COP全天平均值為2.5[3]，冷水設計溫度按5℃，冬天最高日用水量時空氣源熱泵熱水機組工作時間控制在12h[4]以內。空氣源熱泵機組選型采用空氣源熱泵熱水機組6臺，單臺額定功率21.5kW，最大電流50A，標準工況下名義制熱量53.75kW。

空氣源熱泵系統貯熱設備的有效容積按最高日總用水量扣去熱泵機組高峰用水時段產水量計算（高峰用水時段即設計小時耗熱量持續時間）[5]。考慮到本大樓使用情況中，可能出現學生集體活動后回到宿舍出現集中的用水高峰，系統儲存70%的平均日熱水用水量。根據計算大樓平均日熱水用水量為39.1m3/d，儲熱水罐容積：

選有效容積7.6T承壓儲熱水罐四座。

空氣源熱泵熱水機組循環流量：

空氣源熱泵熱水機組循環流量計算如表3所示

式中：

qrx——熱泵機組設計循環流量，m3/h；

Δtj——熱泵機組的進出口溫差，一般取5℃。

Qg——熱泵機組設計小時平均秒供熱量，kW；

ρr——水的密度，1kg/L；

K4——安全系數，一般取1.10。

表3 空氣源熱泵熱水機組循環流量設計計算

熱水系統空氣源熱泵熱水機組選用加熱循環泵3 臺，2 用1備，單臺qx=0～45m3/h，揚程H=20m，功率P=4.5kW。

空氣源熱泵機組工作需要良好的室外通風條件，綜合考慮大樓周圍及本身的條件，將機組設置在大樓樓梯間屋頂。新熱水系統采用閉式系統，冷水水源接自原大樓地下室生活給水泵房，使冷熱水供水點達到壓力同源。儲熱水罐進出水管、空氣源熱泵機組出水管均設置電動閥門，精確控制，可以做到每組、每臺根據制熱量需求啟閉，以便于將系統調試至最節能、最高效的運行狀態[6]。熱水系統原理圖如圖1。

圖1 空氣源熱泵系統原理圖

空氣源熱泵機組分兩組，每組三臺，放置于樓梯間屋頂。儲熱水罐、循環設備、控制柜等設置在南北塔樓間略低處的屋面，頂部設置彩鋼屋頂，結合東西側4米高女兒墻構成相對封閉的屋頂“熱水機房”，有利于設備、管道的保溫，減少熱量損耗。同時對整個系統的控制器等部分進行保護，減緩老化。熱水設備布置圖如圖2。

圖2 空氣源熱泵熱水系統設備布置平面圖

4 運行數據對比及分析

大樓節能改造后的新熱水系統于2017年9月份正式投入使用。穩定運行已滿一年，因大樓中留學生為主，冬季寒假期間熱水系統不停止運行。未出現最寒冷天設備制熱量不足現象，。

大樓熱水系統單獨設置電表箱，大樓管理方記錄并提供了空氣源熱泵系統投入運行一年中各個月份制備熱水所耗的電量（千瓦時），整合2016年至2017年（空氣源熱泵未投入使用）各相同月份的耗電量，對比數據如表4。

表4 相同月份每月制備熱水耗電量表

根據表中數據不難看出，大樓熱水系統改造后，每月熱水制備所耗電能相比前一年同期均有明顯下降。空氣源熱泵在夏天環境溫度高時能效比最佳，然而根據表中數據，夏季7月、8月、9月三個月中節省電能效果不明顯，其原因是暑假期間學生住宿率低，熱水總用水量極少。其余季節，空氣源熱泵系統節能效果均令人滿意。

大樓用電每度電價0.558元，可計算得每月制備熱水所耗資金、相比節能改造前每月節省的資金，可得到如下直觀的對比圖如圖3。

圖3 相同月份每月制備熱水所耗資金

相比去年同期，每個月均有明顯的節資效果。本次節能改造，新增空氣源熱泵機組及設備相關費用總計約552000元，經統計運行一整年全年相較前一年同期，大樓在熱水系統能耗中總節省資金約172802元，靜態回收期約40個月，效益可觀。

5 結語

節能環保是當今社會的焦點議題，熱水使用又是人們生活中不可避免的固有需求。在滿足人們的熱水用水需求的同時兼顧節能、可持續發展，才是真正的綠色節能設計。已有的很多有集中熱水系統的工程項目，熱源仍沿用原有的鍋爐、電熱水器等，已不能滿足節能環保的要求，高能耗也損害了使用方的經濟利益。結合原有設備更換等因素考慮針對熱水系統的節能改符合國情、符合經濟效益最大化的思路。空氣源熱泵熱水系統是一種能效比高、運行穩定的成熟系統，再加上其改造所需要的占地、環境等外在條件不苛刻，在宿舍、食堂等常見項目的熱水系統中有很大的應用價值。通過系統設置多機組多水罐，根據使用情況調整運行參數，能夠達到更加理想的運行效果。