廣東高校群供熱水系統的改進設想及節能潛力評估

林生佐

（廣東環境保護工程職業學院，廣東佛山 528000）

1 引言

長期以來，我國的建筑耗能量占社會總耗能量的比例維持在20%～25%，位居社會總耗能的第2位，僅低于工業能耗，至2020 年左右，我國的建筑消耗能源總量達到社會總耗能的1/3 以上［1］。其中，公共建筑的單位面積耗能量為住宅建筑面積耗能的10～15 倍，是建筑耗能中的大戶。

2 公共建筑生活熱水耗能現狀分析

2.1 研究現狀

供暖和通風空調能耗是建筑耗能的主要組成部分，國內對此有著充分的節能研究，而生活熱水方面則較少得到關注。文獻表明，熱水能耗占建筑總耗能比例達到了7%～35%，主要分布在15%～25%之間。其中，據陳海峰針對高校學生的生活熱水調查數據的分析統計，男生熱水用量為19.0 L/（人·d），女生熱水用量為36.66 L/（人·d）［2］。鄧光薇等提出目前普通住宅每戶每天的生活熱水用量僅為20～80 L，供應水溫為45～50 ℃。而王珊珊指出，住宅小區集中供應熱水時，GB 50015—2019《建筑設計給水排水設計規范》中設計熱水溫度為60 ℃，人均每天熱水用量為45～50 L［3］，在我國最高日用水量與用熱量在一年內出現的次數并不多，可以看出，在生活熱水供應方面具備巨大的節能節水潛力。據王紅麗等調查核算，在夏熱冬暖地區，熱水供應到戶人均能耗在639 769.6～1 242 979.0 kJ/a，集中澡堂系統人均能耗在486 224.1～1 017 232 kJ/a［4］。本研究基于氣溫提出一種優化方案，通過采集氣溫和用水終端的數據，使供熱水系統的用水終端的供熱水流量、水箱端的蓄水溫度和蓄水量形成隨環境氣溫變化并自適應的動態量，實現最優控制。

2.2 耗能原因分析

2.2.1 節能意識薄弱

現階段人們沒有充分認識建筑節能工作的重要性和緊迫性，同時對建筑節能的基本知識也缺乏深刻的了解。加之一些地區為追求“政績”，只注重建筑數量和規模，放松或放棄了對建筑節能的監督管理職能［5］。

2.2.2 供熱水系統供熱參數設計不合理

通常集中供熱水系統采用的集中供熱的溫度、流量等參數是人為預先設定的固定值。這樣，在春夏季節，往往因水溫過高需加入大量冷水以調節水溫，熱水供過于求，許多熱水最后沒有使用完而浪費；而秋冬季節，熱水又供不應求，較晚使用的用戶則發現水不夠熱甚至是冷水。為此，供應方在設計時往往將設備容量要求提高，并在秋冬季節會額外增加熱水儲備量或熱水機長期運作以保證用戶滿意度，這直接導致能源浪費且設備老化嚴重，壽命縮短。

2.2.3 供熱水系統智能化水平不高

由于供熱系統的非線性、時變性、隨機干擾及對象模型參數的不確定因素，加之參數設計不合理，使得傳統控制方式難以精確地完成控制任務［6］，而且個人生活熱水用量指標偏高，生活熱水冷水計算溫度偏低，用戶終端冷熱水的流量配比沒有數據監控，加熱系統加熱的熱水溫度、輸出熱水流量及蓄水箱水量等指標沒有智能擇優控制，不同人群實行無區別對待等一系列問題，造成對能源的極大浪費。

2.3 政策支持

目前建筑耗能問題已經引起廣東省的重視，廣東省建設廳根據建設部的有關規章，結合省情，出臺一系列有關建筑節能工作的文件，如2007 年廣東省建設廳制定了《廣東省建筑節能管理辦法》，并組織有關部門、建筑科研單位、大專院校等共同編寫了DBJ 15—51—2007《〈公共建筑節能設計標準〉廣東省實施細則》［7］。同時還根據廣東省氣候特點，編寫了DBJ—15—52—2007《公共和居住建筑太陽能熱水系統一體化設計施工及驗收規程》。佛山市雖然沒有針對熱水系統相關的節能規章，但在建筑節能方面，佛山市建設局發布了《佛山市建筑節能中長期專項規劃》，該規劃在佛山市建筑節能工作現狀的調查基礎上，根據國家和地方有關建筑節能的法律、法規及文件精神，提出了符合佛山市2006—2020 年期間建筑節能發展實際的指導思想、工作原則和發展目標等。

3 系統優化方案

3.1 系統優化

在現有供熱水系統基礎上，需要進行一系列優化，如采取與天氣預報聯網或加設溫度傳感器、用水終端增設溫度流量傳感器等措施，供熱水系統優化結構見圖1。

圖1 供熱水系統優化結構

優化后的供熱系統能采集的用水特征因子見表1。

表1 用水特征因子

同時，在用水終端熱水管處加設電動節水閥，見圖2，系統可通過比例閥限制終端的熱水使用量。

圖2 用水終端優化結構

3.2 控制方案

該方法包括建立用水特征數據模塊、用戶終端熱水流量控制與自適應模塊、水箱端蓄水溫度控制與自適應模塊和水箱端蓄水量控制與自適應模塊。控制方法是基于上述系統結構采集用戶用水特征數據，實現用戶終端控制和水箱端控制。用戶終端控制是給每個用戶建立用水特征數據表，按照該用戶的用水特征數據表為其提供熱水流量（控制熱水管電動節水閥的開度）。控制系統根據系統參數和采集數據，對用戶的用水流量、熱水設定溫度及蓄水池水量進行限制，并在每次用水結束后自適應更新修正該用戶的用水特征數據。水箱端控制是根據所有用戶的用水數據特征表，控制蓄水箱的蓄水溫度和蓄水量。最終使用戶終端的供熱水流量、水箱端的蓄水溫度和蓄水量在節水節能的前提下形成隨環境氣溫變化并自適應的動態量。

用戶終端用水控制包含建立用水特征數據模塊和用戶終端熱水流量控制與自適應模塊。在滿足節能目標的前提下，為了保證用水的舒適性，使系統對用戶熱水流量的供給能夠逼近個人習慣，滿足個體差異化要求，可以在控制系統上針對每個用戶建立對應的用戶用水特征數據表，實質就是通過大數據和自適應的方式，即通過隸屬度函數確認模糊集合，基于模糊邏輯找到系統對于用戶的熱水調控流量（Q控）與氣溫（T氣）的映射關系：Q控＝fQ（T氣），關系確立后，控制系統對個體熱水流量的供給基于此映射進行控制。系統建立用水特征模塊用于給每個用戶建立用水特征數據表，用水特征數據表基于表1 的6 個因子的采集，形成數據記錄，包括氣溫（T氣）及與氣溫（T氣）對應的熱水調控流量（Q控）、用戶終端實際熱水使用流量（Q測）、用戶終端流量均值（Q終測均）、用戶終端水溫均值（T終測均）以及用戶用水時間均值（t均）。系統將根據用水特征數據模塊，對用戶終端每一次的熱水用量進行調控，監測用戶終端的用水情況，完成對其用水數據的采集，并基于自適應控制算法實現對用戶用水特征數據進行修正，使得映射關系Q控＝fQ（T氣）隨著使用次數的增加不斷逼近用戶終端的用水習慣。

水箱端控制包含水箱端蓄水溫度控制與自適應模塊和水箱端蓄水量控制與自適應模塊。水箱端蓄水溫度控制與自適應模塊用于計算一定環境溫度（T氣）下蓄水箱的熱水水溫加熱目標值（T熱水）。基于節能目標和系統收集的用戶用水特征數據，結合蓄水箱處傳感器采集的冷水溫度（T冷水），通過智能算法模糊推理蓄水箱的熱水加熱溫度（T熱水）與氣溫（T氣）的映射關系：T熱水＝fT（T氣）；同理，水箱端蓄水量控制與自適應模塊用于計算一定環境溫度（T氣）下蓄水箱的蓄水量（V），基于系統收集的用戶用水特征數據，結合蓄水箱處傳感器采集的蓄水量（V），通過智能算法模糊推理蓄水箱的蓄水量（V水）與氣溫（T氣）的映射關系：V水＝fV（T氣）。水箱端蓄水量控制與自適應模塊對蓄水箱的加熱溫度及蓄水箱的蓄水量基于此映射進行調控，并保證適當的設計裕量。大數據自適應模糊控制方法示意見圖3。

圖3 大數據自適應模糊控制方法示意

4 節能潛力評估

基于上述的調整方案，通過對廣東環境保護工程職業學院學生的生活熱水使用情況進行調研，得出較合理的生活熱水加熱溫度及使用量調控值，并進一步評估高校的生活熱水節能潛力及帶來的經濟效益。

4.1 樣本調查與數據歸納

考慮本次調研的學院所在地為廣東南海，學生使用熱水的高峰期為11—12 月，且一般為沐浴用水。因此本次調研主要調查學生沐浴耗時、沐浴的熱水使用量和沐浴水溫，選取時間為2020 年11—12月，共計61 d，調查人數507 人次，每日收集數據，統計為日結表（見表2），計算出每日平均值。

表2 調查日結表

匯總后成月結表，見表3。

表3 調查月結表

基于表3 數據，取氣溫和用時兩列數據，整理出散點圖（約12.39 min），見圖4。由圖4 可看出，人均洗澡用時取決于個人習慣，與氣溫相關度不大。

圖4 2020 年11—12 月日人均洗浴用時散點圖

4.2 熱水使用量調控節能評估

基于表3 人均熱水使用量整理出調查期間日人均洗浴用量，通過最小二乘法推算出日人均熱水用量與氣溫的映射關系，見圖5。

圖5 日人均熱水用量與氣溫映射關系

圖5 表明熱水使用流量（Qm）與氣溫（T）成反比，根據圖表數據得出趨勢函數為：

進一步，以表3 人均熱水使用流量數據為基礎整理出熱水使用流量的人數分布區間，如圖6 所示。由圖6 可以直觀看出，熱水用量基本符合正態分布，每一天熱水使用流量會集中在中間部分，表明這個熱水使用流量區間適用于大部分人。

圖6 熱水使用流量人數分布區間

將熱水使用流量的最大值限制在此區間的熱水使用流量區間均值，這樣可以在滿足大部分人使用的前提下實現節能。以此為目標，對調查的樣本表做處理，抓取落在該區間的數據，并計算出每日平均值，將此結果稱為調控熱水使用流量，見表4。

表4 熱水使用流量調控前后對比

流量控制在限制目標值（2.3～2.7 L/min）后，分別將處理前后的數據制成人均熱水使用流量散點圖進行對比，見圖7。

圖7 熱水使用流量調控前后對比

通過散點圖所得的趨勢函數，如圖中虛線所代表調控熱水使用流量（Qn）與氣溫（T）的趨勢函數為：

對比式（1）和式（2），系統可以將大于此均值對應的能量節省下來，該差值即為熱水流量節約空間，見圖8。

圖8 人均熱水流量節能空間

進一步推算出熱水使用節能量（Qp）與氣溫（T）的趨勢函數為：

如圖8，條紋部分的節能空間可細分為調控后帶來的節省的水量和節省的加熱電量，按下列公式分別計算。據統計人均洗浴用時為12.39 min，即節省熱水量為（J水）與氣溫（T）的關系為：

已知節省的電量為J電1（kW·h），1 kW·h 可提供的能量為860 kcal/（kW·h）（鍋爐加熱），轉化成熱能的效率為90%，全年平均氣溫為20 ℃，普通供水系統的加熱溫度為55 ℃，則節電量為：

4.3 熱水加熱溫度調控節能評估

從表2 個人洗浴熱水溫度角度，整理出每日洗浴水溫人數分布區間圖，其中11 月1 日的分布區間見圖9。

圖9 日洗浴水溫人數分布區間

如圖7，若供熱水系統以滿足85%以上人數的需求水溫作為調控水溫，通過最小二乘法推算出熱水調控溫度與氣溫的映射關系，見圖10。

圖10 熱水調控溫度與氣溫映射關系

結合現有供熱水系統加熱溫度固定為55 ℃的工況，推算出熱水人均水溫節能空間（上部條紋區域），見圖11，其與氣溫映射關系Wj＝0.399 3 T＋7.2。可見氣溫越低，生活熱水的節能越大。

圖11 人均熱水溫度節能空間

進一步，根據佛山地區全年平均氣溫21～28 ℃（天氣網），同樣根據人均洗浴用時和加熱能量，可推算出加熱溫度調控后的節電量（J電2）：

4.4 節能經濟效益評估

結合上述人均節能量（J水＋J電1＋J電2）與水單價3.5 元/t，電單價0.65 元/（kW·h），根據天氣網提供的佛山市氣溫，可簡單推算出人均節能經濟效益，見表5。

表5 人均節能經濟效益匯總

進一步推算該學院一年所帶來的節能經濟效益，以全校在校生6 000 人進行估算，對優化后集中供熱水系統進行節能降耗分析，不考慮設備運行時間節省和維護成本降低等優化效果，優化后單套系統一年總共可節約6 411 t 水，節電298 kW·h，共節省23 190 元。若簡單推算到廣東省151 所高校（實際大部分高校不止6 000 在校生），保守估計一年可節省968 061 t 水，節電44 998 kW·h，合計節約3 501 690 元。據文獻調研，沒有實施熱水計量使用的酒店、醫院等公共建筑將具有更大的節能潛力。本方案若在智慧城市全部公共建筑供熱水系統中得到應用，將為城市的能耗帶來千萬級的節約。

5 結語

據統計，2019 年全國公共建筑單位耗能平均水平180（kW·h）/m2，并呈每年增加的趨勢。建筑節能是國家節能工作和能源戰略的重要組成部分，搞好建筑節能工作是全國節能減排工作的重點之一，而生活熱水作為以前較少關注的點，隨著公共建筑數量和面積迅速增長，居民對生活品質要求的逐步提高，今后城市建筑耗能出現的大幅度增長點很可能是生活熱水的耗能，在生活熱水方面實現節能節水具有重大意義。