張海璇

暨南大學(xué)基建處

0 引言

為滿(mǎn)足高校學(xué)生對(duì)校園生活品質(zhì)日益增長(zhǎng)的需求，各地高校學(xué)生宿舍的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。其中，集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)成為高校學(xué)生宿舍的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。而學(xué)生宿舍的生活熱水需求模式直接影響集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的配置以及運(yùn)行方案的選擇[2-3]。雖然現(xiàn)行《建筑給排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[4]已經(jīng)對(duì)學(xué)生宿舍的生活熱水用量給出定額，但生活熱水需求模式受包括地域，氣候，人群性別和人群生活習(xí)慣等的影響。而我國(guó)地域遼闊，南北人群生活習(xí)慣有很大的不同，兩地生活熱水需求模式必然有所差異。

已有研究者對(duì)[5-7]對(duì)重慶，長(zhǎng)沙和浙江多個(gè)高校的學(xué)生宿舍進(jìn)行生活熱水需求模式分析，但對(duì)華南地區(qū)高校學(xué)生宿舍的生活熱水需求模式研究仍較少。本文對(duì)華南地區(qū)J 大學(xué)新校區(qū)學(xué)生宿舍近兩年的實(shí)際生活熱水流量進(jìn)行分析，并引入“ 負(fù)荷率”[8]的概念來(lái)評(píng)估學(xué)生宿舍的集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，以期提出華南地區(qū)高校學(xué)生宿舍最高日用水定額的合理推薦值，為華南地區(qū)高校學(xué)生宿舍樓的建設(shè)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 所在地區(qū)氣候條件

J 大學(xué)新校區(qū)建設(shè)所在地區(qū)屬南亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和，日照充足。該地區(qū)平均氣溫 21.8 ℃，最高月（7 月）平均氣溫28.4 ℃，絕對(duì)最高氣溫38.7 ℃，歷年極端最低氣溫0 ℃。年平均日照1895.2 小時(shí)，7 月份日照最長(zhǎng)，4 月份日照最短。全年日照率為 42.9%，年總輻射量（Q）4 390.2 MJ/m2。

1.2 校區(qū)宿舍熱水供水系統(tǒng)

校區(qū)目前共建有8 棟學(xué)生宿舍，每間宿舍內(nèi)設(shè)置獨(dú)立衛(wèi)浴。校區(qū)內(nèi)學(xué)生宿舍樓的熱水供應(yīng)均采用太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)，太陽(yáng)能為主供熱能源，空氣源熱泵作為輔助熱源。熱水設(shè)計(jì)溫度為55 ℃?？刂葡到y(tǒng)由冷水供水控制，溫差循環(huán)控制，過(guò)渡水泵運(yùn)行控制，熱泵輔助系統(tǒng)控制和供回水控制幾個(gè)控制模塊組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

2 學(xué)生熱水用水規(guī)律

J 大學(xué)新校區(qū)內(nèi)建設(shè)有節(jié)能監(jiān)控中心，可讀取保存每間宿舍內(nèi)每日智能冷熱水表的讀數(shù)。由于校園內(nèi)寒假期間（1～2 月）基本沒(méi)有學(xué)生入住，本研究選取校區(qū)內(nèi) 2 個(gè)典型宿舍樓（男生宿舍 A 和女生宿舍 B，宿舍建設(shè)指標(biāo)詳見(jiàn)表1）作為研究對(duì)象，時(shí)間范圍為2019年 3～12 月，以及 2020 年下半年（9～12 月）（2020 年上半年疫情影響，無(wú)學(xué)生入?。?，對(duì)這兩段時(shí)間區(qū)間的熱水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 學(xué)生宿舍建設(shè)指標(biāo)表

2.1 平均日用水量

研究表明，男生宿舍和女生宿舍在全年范圍內(nèi)隨氣溫波動(dòng)的用水規(guī)律表現(xiàn)一致，季節(jié)性變化規(guī)律比較明顯。且全年人均用水量均高于華中地區(qū)高校的人均用水量。宿舍人均用水量變化規(guī)律見(jiàn)圖2，表2 和表3，與其他高校的對(duì)比見(jiàn)表 4（下文中的流量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的供水溫度為55 ℃ ）。圖2 中，箱型圖箱體中間小方框?yàn)榻y(tǒng)計(jì)平均值，橫線為中位數(shù)，箱型圖范圍為數(shù)據(jù)集合中位數(shù)前后 25%的數(shù)據(jù)，箱型圖延長(zhǎng)線為數(shù)據(jù)集合中位數(shù)前后95%的數(shù)據(jù)，星號(hào)為極值點(diǎn)。

圖2 宿舍全年人均用水量與氣溫變化

表2 男生宿舍人均用水量統(tǒng)計(jì)

表3 女生宿舍人均用水量統(tǒng)計(jì)

表4 學(xué)生宿舍冬季人均用水量對(duì)比表（L/(人 ·d)）

根據(jù)圖表可以看出，2020 年的人均用水量略大于2019 年相應(yīng)月份的人均用水量，女生宿舍的人均用水量要明顯高于男生宿舍的人均用水量。男生宿舍和女生宿舍的最高日用水量均出現(xiàn)在2020 年 12 月。男女宿舍的熱水用量隨氣溫變化規(guī)律明顯，隨著氣溫降低，用水量明顯增加。剔除暑假期間（7 月～8 月）學(xué)生離校造成用水量大幅減少的影響，在氣溫（平均氣溫26 ℃）依然很高的 6 月和 9 月，宿舍的熱水用量相較于氣溫較低（平均氣溫13 ℃）的冬季下降趨勢(shì)明顯。因此在用水定額選取和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到用水量變化規(guī)律與溫度的關(guān)系，既要滿(mǎn)足冬季熱水用量的需求，又要有隨氣溫變化調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)模的合理措施。J 大學(xué)新校區(qū)宿舍樓采用的太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)的溫差控制運(yùn)行模式，可較好的契合氣溫對(duì)于用水規(guī)律的影響，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

2.2 最高日用水定額

兩棟學(xué)生宿舍的最高日用水量均出現(xiàn)在冬季，男女生宿舍的用水規(guī)律受氣溫影響明顯，且最高日人均用水量高于我國(guó)華中和西南地區(qū)高校的用水量，具體結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 學(xué)生宿舍最高日用水量對(duì)比表（55 ℃）（L/(人· d)）

考慮到 3 月和 12 月均是全年中用水最大的月份，為避免取值過(guò)大，導(dǎo)致最終設(shè)備選型過(guò)大，選取2019 年和 2020 年的 3 月和 12 月份中最高日用水量的平均值作為全年最高日用水量的最終取值。計(jì)算得出，男生宿舍的最高日用水量為 54.26 L/(人·d)，女生宿舍最高日用水量為66.59 L/(人· d)。兩棟宿舍的最高日用水量均低于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定最高日熱水用水定額（70～100 L/(人·d)）中最低值（70 L/(人·d)），但其與《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]中Ⅲ、Ⅳ 宿舍樓的最高日熱水定額（40～80 L/(人· d)）相吻合。這也能說(shuō)明現(xiàn)行規(guī)范與華南地區(qū)熱水使用規(guī)律的匹配度比較高，且具有預(yù)見(jiàn)性。

根據(jù)上文各高校學(xué)生宿舍的平均日用水量和最高日用水量的對(duì)比表可以看出，J 大學(xué)內(nèi)宿舍的平均日用水量和最高日用水量均高于華中地區(qū)高校學(xué)生宿舍熱水用水量[5-7]。筆者認(rèn)為造成此種差異與研究的年份、不同地域人群的用水習(xí)慣和最高日熱水用水出現(xiàn)的季節(jié)有關(guān)系。此次選取的宿舍內(nèi)居住的學(xué)生均是屬于 00 代，他們成長(zhǎng)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的年代，且大部分來(lái)自經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，單位用水量較他們的前生代也會(huì)更高（對(duì)比表中的華中地區(qū)高校研究均在2013 年以前）。另外，經(jīng)跟蹤調(diào)查，華南地區(qū)氣候溫和，J 大學(xué)內(nèi)大部分學(xué)生有每日淋浴的生活習(xí)慣。在冬季時(shí)由于氣溫降低，學(xué)生淋浴的時(shí)間相較于其他季節(jié)會(huì)更長(zhǎng)，且存在采用熱水替代其他用水的情況，故而最高日用水量出現(xiàn)在冬季且用水量更大。

3 太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估

J 大學(xué)新校區(qū)內(nèi)的學(xué)生宿舍建設(shè)時(shí)采用的設(shè)計(jì)規(guī)范均為《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003，2009 年版）[9]，按照宿舍居住人數(shù)套用規(guī)范中Ⅲ、Ⅳ 宿舍樓的熱水用水定額（40～80 L/(人·d)）進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，首批宿舍樓選用的定額為50 L/(人· d)，只能勉強(qiáng)滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)于熱水的要求，設(shè)計(jì)定額也明顯低于本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（66.59 L/(人· d)）。預(yù)留的余量太小，不利于后期宿舍樓的改造。因此，本研究所涉及的兩棟宿舍樓在設(shè)計(jì)時(shí)將用水定額調(diào)整至80 L/(人·d)，選用的設(shè)備機(jī)型和水箱容量也相應(yīng)增大。這種做法雖然保證了供水的安全性和可靠性，但也增加了項(xiàng)目初期的投資壓力。基于此，本研究借鑒楊柳等人提出的“ 負(fù)荷率”對(duì)這兩棟宿舍樓太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估[8]，以期能為后續(xù)宿舍樓的建設(shè)提出更加合理的選值意見(jiàn)。

當(dāng)前宿舍樓設(shè)計(jì)時(shí)還未根據(jù)性別進(jìn)行個(gè)性設(shè)計(jì)，男女宿舍的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是一致的。但文理學(xué)科偏重不同的大學(xué)，校園內(nèi)男女學(xué)生比例存在顯著差異，故對(duì)男女宿舍分開(kāi)評(píng)估對(duì)校園建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，女生宿舍選取設(shè)計(jì)定額 80 L/(人·d)、《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[4]中學(xué)生宿舍熱水定額中的最低值70 L/(人·d)和女生宿舍最高日用水定額 66.59 L/(人·d)進(jìn)行評(píng)估；男生宿舍選取系統(tǒng)設(shè)計(jì)定額 80 L/(人·d)、女生宿舍最高日用水定額 66.59 L/(人·d)和男生宿舍最高日用水定額54.26 L/(人·d)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算系統(tǒng)每日的實(shí)際熱水負(fù)荷率（每日實(shí)際熱水負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比值）。男生宿舍和女生宿舍在 2019 年和2020 年不同月份負(fù)荷率的分布情況，如圖3、表 6、表 7所示。

圖3 不同額定用水量下負(fù)荷率的變化情況

表6 女生宿舍負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)

表7 男生宿舍負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)

對(duì)女生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的熱水負(fù)荷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)論如下：

1）最高日用水定額取值80 L/(人·d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有38 d，2020 年有11 d，約占總天數(shù)的 32.03%；負(fù)荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有14 d，2020 年有 34 d，約占總天數(shù)的 31.38%；負(fù)荷率在 60%～70%的天數(shù)2019 年有9 d，2020 年有34 d，約占總天數(shù)的28.1%；負(fù)荷率在70～80%的天數(shù)都出現(xiàn)在2020 年，共有10 d，約占冬季的 6.53%；負(fù)荷率超過(guò) 80%的天數(shù)有 3 d，均出現(xiàn)在2020 年，占冬季的1.96%。2020 年冬季的負(fù)荷率相較于2019 年冬季的負(fù)荷率有增長(zhǎng)。由以上結(jié)果可知，采用80 L/(人·d)作為女生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，能完全能滿(mǎn)足女生宿舍全年的熱量需求，且為宿舍樓內(nèi)單位熱量需求的增長(zhǎng)預(yù)留了足夠的空間，故將 80 L/(人·d)作為女生宿舍生活熱水最高日用水定額上限取值。

2）最高日用水定額取值 70 L/(人· d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有22 d，2020 年僅有 2 d，約占總天數(shù)的 15.68%；負(fù)荷率在 50%～60%的天數(shù) 2019 年有 24 d，2020 年有 20 d，約占總天數(shù)的 28.76%；負(fù)荷率在 60%～70%的天數(shù)2019 年有11d，2020 年有29 d，約占總天數(shù)的26.14%；負(fù)荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 4 d，2020 年有30 d，約占總天數(shù)的 22.22%；負(fù)荷率超過(guò) 80%的天數(shù)出現(xiàn)在2020 年，共有11 d，占總天數(shù)的7.2%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 70 L/(人· d)作為女生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，可滿(mǎn)足女生宿舍全年的熱量需求，但預(yù)留的余量較小，作為上限值略小。

3）最高日用水定額取值 66.59 L/(人· d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù)只出現(xiàn)在2019 年，共有16 d，約占總天數(shù)的10.46%；其中負(fù)荷率在 50%～60% 的天數(shù) 2019 年有 22 d，2020 年有11 d，約占總天數(shù)的 21.56%；負(fù)荷率在 60%～70%的天數(shù) 2019 年有 12 d，2020 年有 28 d，約占總天數(shù)的26.14%；負(fù)荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 9 d，2020 年有 30 d，約占總天數(shù)的 25.5%；負(fù)荷率超過(guò)80%的天數(shù)有25 d，占總天數(shù)的 16.34%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用66.59 L/(人 ·d)作為女生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，可滿(mǎn)足女生宿舍全年的熱量需求，但系統(tǒng)在冬季需要全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的天數(shù)較長(zhǎng)，會(huì)降低系統(tǒng)的安全性和可靠性。故可將66.59 L/(人 · d)作為女生宿舍生活熱水最高日用水定額的取值下限。

對(duì)男生宿舍在冬季（2019 年 11、12 月和 2020 年3、11、12 月）的熱水負(fù)荷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)論如下：

1）最高日用水定額取值 80 L/(人·d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有47 d，2 020 年有36 d，約占總天數(shù)的54.25%；負(fù)荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有 12 d，2020 年有 42 d，約占總天數(shù)的 35.3%；負(fù)荷率在 60%～70%的天數(shù) 2019 年僅有 2 d，2020 年有 13 d，約占總天數(shù)的 9.8%；負(fù)荷率在70～80%的天數(shù)出現(xiàn)在 2020 年，僅有 1 d，約占冬季的0.65%；兩個(gè)冬季的負(fù)荷率都沒(méi)有超過(guò)80%。由以上結(jié)果可知，采用80 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，預(yù)留的余量過(guò)大，設(shè)備大部分時(shí)間處于不飽和工作狀態(tài)。將80 L/(人· d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額的話，會(huì)使設(shè)備選型過(guò)大，造成浪費(fèi)。

2）最高日用水定額取值 66.59 L/(人·d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù) 2019 年有20 d，2020 年有12 d，約占總天數(shù)的20.92%；負(fù)荷率在50%～60%的天數(shù) 2019 年有 26 d，2020 年有 24 d，約占總天數(shù)的32.68%；負(fù)荷率在60%～70%的天數(shù)2019年有12 d，2020 年有34 d，約占總天數(shù)的30.06%；負(fù)荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 3 d，2020 年有 19 d，約占總天數(shù)的14.38%；負(fù)荷率超過(guò)80%的天數(shù)僅出現(xiàn)在2020 年，有 3 d，占總天數(shù)的 1.96%。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，可滿(mǎn)足男生宿舍全年的熱量需求，且有充足余量。故將 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額取值上限。

3）最高日用水定額取值54.26 L/(人·d)時(shí)，在兩年冬季的 153 d 中，負(fù)荷率低于 50%的天數(shù)只出現(xiàn)在2019 年，有 2 d，約占總天數(shù)的 1.31%；其中負(fù)荷率在50%～60%的天數(shù)2019 年有15 d，2020 年有 9 d，約占總天數(shù)的 15.68%；負(fù)荷率在60%～70%的天數(shù) 2019 年有22 d，2020 年有20 d，約占總天數(shù)的27.45%；負(fù)荷率在 70%～80%的天數(shù) 2019 年有 11 d，2020 年有 26 d，約占總天數(shù)的 24.19%；負(fù)荷率超過(guò) 80%的天數(shù) 2019年有11 d，2020 年有37 d，占總天數(shù)的的31.37%；其中負(fù)荷率超過(guò)90%的天數(shù)2019 年有 1 d，2020 年有 8 d。根據(jù)以上結(jié)果可知，采用 66.59 L/(人·d)作為男生宿舍熱水設(shè)計(jì)定額，可滿(mǎn)足男生宿舍全年的熱量需求，但系統(tǒng)在冬季需要全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的天數(shù)較長(zhǎng)，會(huì)降低系統(tǒng)的安全性和可靠性。故可將54.26 L/(人·d)作為男生宿舍生活熱水最高日用水定額的下限取值。

根據(jù)以上結(jié)論可以得出，女生宿舍最高日用水定額取值為 66.59 L/(人·d)～80 L/(人·d)，男生宿舍最高日用水定額取值為 54.26 L/(人·d)～66.59 L/(人·d)，是比較合理的取值范圍，能滿(mǎn)足生活熱水的熱量需求。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)華南地區(qū)的J 大學(xué)新校區(qū)內(nèi)2 棟高層學(xué)生宿舍的集中供熱系統(tǒng)連續(xù)2 年熱水用量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)男女生宿舍在全年范圍內(nèi)用水量及日用水規(guī)律表現(xiàn)一致，季節(jié)性變化規(guī)律比較明顯；且全年人均用水量均高于華中和西南地區(qū)的人均用水量。兩棟學(xué)生宿舍的最高日用水均出現(xiàn)在冬季，其中男生宿舍的最高日用水量為54.26 L/(人 ·d)，女生宿舍的最高日用水量為66.59 L/(人 · d)。

2）通過(guò)引入“負(fù)荷率”的概念，評(píng)估在不同取值下集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以尋找男女宿舍合理的最高日用水定額的取值。分析結(jié)果表明，女生宿舍最高日用水定額推薦取值范圍為 66.59～80 L/(人· d)，男生宿舍最高日用水定額推薦取值范圍為54.26～66.59 L/(人· d)，既能滿(mǎn)足宿舍樓全年的熱量需求，又預(yù)留一定的負(fù)荷余量。