湖南高校生活熱水供應現狀與節能對策

文_陳樹文 湖南城建職業技術學院

堅持節約資源和保護環境，是從源頭上扭轉生態環境惡化趨勢實現生態文明的重要手段。節約能源，應提高能源的使用效率，高校應充分發揮在節能減排工作中的示范和帶動作用，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態環境作出貢獻。

隨著社會的發展，高校的規模擴張，學生人數的增加，高校學生的生活熱水量需求大增。目前我國校園能耗占社會總能耗的8%。全國大學生人均能耗、水耗分別是全國居民人均能耗的4倍和2倍。據調查夏熱冬冷地區的13所高校發現，學生平均能耗為全國人均能耗的2倍左右，其中最高的達4倍之多，可見高校建筑能耗存在較大的節能潛力。因此，如何合理利用可再生能源，減少環境污染，減少能源消耗成為高校校園生活熱水供應值得重點關注的問題，這對高校的節能減排乃至整個國家的節能減排目標的實現，將會起到積極的促進作用。

1 高校生活熱水供應現狀與要求

通過調研，當前湖南地區高校的生活熱水供應系統存在以下特點：

①每個學校都建有澡堂，同時每個宿舍亦有洗澡噴頭及洗臉盆。學生平時的洗漱基本上在宿舍進行，而洗澡則可以在澡堂也可以在宿舍。據調研，由于大部分學校學生選擇在宿舍洗澡。

②各高校的衛生熱水供應為定時供應方式，供水時段為早上6：30～8：00，中午12：00～14：00，晚上則為17：30～23：30。

③生活熱水的制取采用集中+局部的混合方式。每個學校都有集中制取生活熱水的設備，加熱設備有燃氣鍋爐房、空氣源熱泵熱水系統、電加熱系統等等，這些設備制取的生活熱水一般只供應澡堂。80%的學生宿舍無集中供熱水，宿舍一般采用電熱水器制取生活熱水的形式。如湖南某985高校，其學生宿舍的衛生熱水供應，全部采用小型的電熱水器。

④學生在澡堂洗澡時須插卡用水，按用水量收費。學生在宿舍用水時，如宿舍是集中供熱水，則需插IC卡取水；無集中供熱水時，由于宿舍的生活熱水采用電熱水器制備，所以直接按耗電量收取費用。

⑤各校在集中制取生活熱水時，各季節制取的生活熱水量一致。

顯然，從上述調研可以看出，使用高能耗設備如電熱水器且無節能措施是衛生熱水能耗居高不下的主要原因。

2 高校生活熱水供應系統選擇

2.1 湖南地區氣候特點

湖南地處長江以南，屬亞熱帶大陸性季風氣候類型，為典型的冬冷夏熱地區，冬寒夏熱，四季分明；春秋短促，冬夏綿長。以長沙為例，長沙地區夏季約118～127d，冬季117～122d，春季61～64d，秋季59～69d。年平均氣溫16.8～17.2℃；夏季日平均氣溫在30℃以上有85d；全年以1月最冷，月平均為4.4～5.1℃，極端低溫-11.3℃。長沙地區各月太陽總輻射量數據見表1，累計全年的太陽總輻射量為3853.9MJ/m2，年平均日太陽能輻射量為10.55MJ/m2，年平均日照數3.22h/d。

2.2 目前生活熱水集中供應系統分析

2.2.1 電熱鍋爐

電熱是一種以電能為能源制備熱水的熱水器，它采用加熱管直接加熱的方式，將電能轉化為熱能。該設備簡單可靠，初投資低。但是耗電量大，運行成本高，用戶的電力設備投資也比較高。

2.2.2 空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵熱水系統采用逆卡諾循環原理，以空氣為低溫熱源，利用少量的電能做功從低溫側吸收熱量來加熱生活用水。它是一種高效節能且環保的設備。空氣源熱泵系統在湖南地區能效比（COP）可達2.5～3.0，具有運行能效高、運行費低的特點。但在環境溫度較低的情況下需要開啟輔助加熱設備方可滿足要求，另外系統的初投資也比較高。

2.2.3 太陽能熱水器

太陽能熱水器是利用集熱管收集太陽能制取生活熱水的裝置，無污染，既環保，又能滿足人們的用熱需求，且技術非常成熟。但初投資高，且需要安裝太陽能集熱器，占地面大。但在太陽能集熱系統接收的輻射能較低時，需要通過輔助加熱系統加強制熱效果。

2.2.4 燃氣或燃油鍋爐

燃氣鍋爐制取生活熱水是一種傳統的制熱方式，系統簡單，且制熱效果不受環境的變化而影響，穩定可靠，運行費用較低。但需要有天然氣源且需要一定的天然氣初裝費，是輔助熱源的選擇。

2.3 制熱設備的主要技術與經濟比較、分析（見表2）

從表2分析可以看出，太陽能熱水器由于不要消耗任何能源，效率高，運行費用極低；但是初投資較大。湖南省屬亞熱帶大陸性季風氣候類型，年平均日太陽能輻射量較好，具備使用太陽能熱水器的條件。太陽能熱水系統在初投資可以保證的前提下，是生活熱水供應系統的有效選擇。

在選擇輔助加熱裝置時，如從運行成本角度考慮，可以采用空氣源熱泵熱水器；考慮到空氣熱源在環境溫度較低時，制熱量會產生衰減，從可靠性方面考慮，并且如項目所在城市的天然氣的供應可靠，如湖南省的絕大部分地級市，則建議采用燃氣鍋爐。如所在城市天然氣的供應存在問題，如湖南省的縣級城市和偏遠地區的城市，則可以考慮采用電加熱系統作為輔助熱源。

2.4 推薦采用的生活熱水供應系統技術實現路徑

簡要介紹太陽能熱水器+燃氣鍋爐的系統形式。

2.4.1 太陽能+燃氣鍋爐系統的工作原理

圖1為太陽能+燃氣鍋爐制取衛生熱水的系統原理圖。該系統在太陽能集熱器接收到的太陽能輻射熱能滿足制備符合要求的衛生熱水量，采用太陽能制取生活熱水，如太陽能集熱器接收到的輻射熱低于制取足量的生活熱水時，或制取的生活熱水溫度不能滿足供水系統的需要時，需開啟燃氣鍋爐補充制熱。

表1 長沙地區各月太陽總輻射量

表2 各種類型生活熱水供應設備技術特點分析表

圖1 太陽能+燃氣鍋爐系統原理圖

考慮到高校的用水時間與用水量的變化，在系統設計時注意以下原則：

①由于一般高校的用水高峰主要處于早上、中午與晚上三個時間段，如采用即熱設備制取熱水滿足需要，則制熱設備會非常大，初投資與很高。因此，建議系統中設置相應數量的蓄熱水箱，利用制熱設備在每天的大部分時間段連續運行以制取生活熱水并儲存在蓄熱水箱以備使用。

②由于不同季節的天氣變化，導致生活熱水的用水量處于不斷的變化中。因此，建議采用變頻供水系統，滿足不同時段的供水量變化。同時，增加天氣跟蹤系統，及時靈活調整每天的生活熱水制取量，以需定產，減少能源消耗，降低運行費用。

③增加能源管理系統，防止浪費。學生用水必須插IC卡取水。

2.4.2 太陽能+燃氣鍋爐的控制

太陽能集熱系統的控制需要考慮大系統所有可能的運行模式，如集熱、放熱、停電保護、防凍保護、輔助加熱、過熱保護和排水等。控制系統要遵循簡單可靠的原則，選擇可靠的控制器和傳感器。為保證生活熱水的供水溫度，其運行的控制建議采用定溫控制，供水溫度設定為55～60℃。主要控制內容包括補水裝置、太陽能溫差循環控制、防凍排空裝置、太陽能集熱器與水箱溫度傳感裝置、定溫輔助加熱控制、防干燒及鍋爐保護裝置（保證鍋爐安全）、變頻定時供熱水裝置（保證供水穩定）、定時定溫回水控制等。

2.5 節能效益分析

太陽能具有明顯的經濟效益。以長沙地區某高校為例，該校有學生約10000人，計算得到春秋兩季每天需要衛生熱水量為400t，其運行費用對比見表3。

表3 不同設備類型下的運行費用一覽表

按上述計算，每年可以節約的電費是非常可觀的。作為可再生能源，太陽能熱水系統獲得了良好的社會效益。太陽能熱水系統無污染、無噪聲、無廢物廢氣排放，具有重要的環境效益。

3 結語

太陽能制熱+燃氣鍋爐輔助加熱的生活熱水供應系統的節能效益是非常顯著的。考慮到湖南的氣候與太陽能輻射量，太陽能制熱+燃氣鍋爐輔助加熱的生活熱水供應系統是湖南高校適宜的節能型生活熱水供應系統。該系統在太陽能輻射強度滿足要求時可以利用太陽能制取生活熱水；在日照不足時采用燃氣鍋爐補充制熱量，系統穩定可靠且節能。在系統設計與使用時，應同時加裝制熱量控制系統，以靈活調節制取的生活熱水量以滿足不同季節、不同時段的生活熱水量變化。該系統通過實例應用顯示，節能效益明顯，且同時取得了較好的經濟效益與社會效益。