楊晨安
上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司
高等學(xué)校是社會(huì)的重要組成部分,伴隨著我國居民生活水平的不斷提高,高校學(xué)生對(duì)校園生活品質(zhì)的需求也日益增長(zhǎng),隨之增長(zhǎng)的是為保障生活品質(zhì)的能源需求。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國高等學(xué)校年能源消耗量近3 000萬tce,能耗總量占社會(huì)總能耗的8%,我國高校每名學(xué)生的能耗是居民的4倍[1]。在新時(shí)代節(jié)能減排的背景下,如何平衡高校學(xué)生對(duì)于校園生活品質(zhì)日益增長(zhǎng)的需求和能耗總量、能耗強(qiáng)度的雙控要求值得思考。
提升校園生活品質(zhì)比較常見的手段包括增加教室和學(xué)生宿舍空調(diào)提高熱舒適度、生活熱水接入學(xué)生宿舍提高熱水使用靈活性等。某上海高校設(shè)計(jì)建造時(shí)采用了集中能源站為學(xué)校教學(xué)樓、圖書館、教師辦公樓、學(xué)生宿舍、教師宿舍、食堂等主要區(qū)域提供集中空調(diào)和生活熱水供應(yīng)。近年來,該校集中能源站能源供應(yīng)量增幅顯著,其中,生活熱水系統(tǒng)的供熱量陡增。以該校集中生活熱水系統(tǒng)為案例,結(jié)合必要的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,找出導(dǎo)致其供熱量陡增的原因和節(jié)能潛力,并探討其可行的節(jié)能措施,為高等學(xué)校節(jié)能提供參考和借鑒。
某高校生活區(qū)熱水供應(yīng)范圍包含10棟學(xué)生宿舍、6棟教師宿舍和3棟食堂,總建筑面積182 947 m2,建筑生活區(qū)信息詳見表1。學(xué)生宿舍和教師宿舍日常使用時(shí)間為每天0:00-24:00,食堂供應(yīng)一日三餐。2020年學(xué)生住宿總?cè)藬?shù)為4 574人,教師住宿總?cè)藬?shù)為763人。
生活區(qū)熱水熱源為學(xué)校能源站分布式供能系統(tǒng)的工藝余熱廢熱。熱媒水為能源站發(fā)電機(jī)組的高溫冷卻水(供水溫度約85℃)通過管網(wǎng)送至位于生活區(qū)食堂地下室的換熱站,并利用換熱站內(nèi)的容積式換熱器進(jìn)行換熱。生活熱水水源取自該換熱站內(nèi)的不銹鋼生活水箱,在容積式換熱器被熱媒水加熱至60℃后,通過熱水管網(wǎng)送至學(xué)生宿舍、教師宿舍和食堂的用水點(diǎn)。生活區(qū)熱水供應(yīng)原理見圖1。
表1 建筑生活區(qū)信息
圖1 生活區(qū)熱水供應(yīng)原理圖
生活區(qū)熱水系統(tǒng)分區(qū)域設(shè)置,分區(qū)方式同冷水分區(qū),以確保冷熱水壓力一致。分區(qū)方式為:學(xué)生宿舍和教室宿舍1至6層為宿舍低區(qū)、7層及以上為宿舍高區(qū)、食堂單獨(dú)成一分區(qū)。共配置12臺(tái)容積式換熱器,其中宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)分別配置5臺(tái)、食堂配置2臺(tái),相關(guān)參數(shù)見表2。
共配置6臺(tái)熱水循環(huán)泵,其中宿舍高區(qū)配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵、宿舍低區(qū)配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵、食堂配置2臺(tái)熱水循環(huán)泵,參數(shù)見表3。
生活熱水系統(tǒng)測(cè)試目的是理清生活區(qū)學(xué)生宿舍學(xué)生人均生活熱水耗熱量指標(biāo)和生活熱水系統(tǒng)二次側(cè)與一次側(cè)之間換熱的效率,以便進(jìn)一步量化和確定生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題和挖掘節(jié)能潛力。
表2 容積式換熱器參數(shù)
表3 熱水循環(huán)泵參數(shù)
能源站提供的用于生活熱水系統(tǒng)的熱量,一部分在容積式換熱器換熱時(shí)損耗,另一部分在熱水管道輸送時(shí)損耗。因此二次側(cè)(宿舍和食堂)實(shí)際消耗的熱量和一次側(cè)(能源站)生活熱水系統(tǒng)總供熱量的比值,即為熱水系統(tǒng)綜合供熱效率。見式(1)。
由公式(1)表達(dá)為:
式中:Q二次側(cè)——生活熱水二次側(cè)耗熱量;
Q一次側(cè)——能源站一次側(cè)供熱量。
通過在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施簡(jiǎn)單的測(cè)試后,結(jié)合學(xué)校提供的住宿學(xué)生人數(shù)、住宿教師人數(shù)計(jì)算得到宿舍區(qū)人均耗熱量指標(biāo)。二次側(cè)實(shí)際耗熱量可通過公式(2)計(jì)算。
式中:Q——二次側(cè)耗熱量,kJ/per;
c——水的比熱容,4.186 kJ/kg·℃;
m——生活熱水用水量,L/per;
ΔT——供水溫度和自來水溫度溫差,℃。
上述公式中,水的比熱容為物理常數(shù),生活熱水用水量、供水溫度和自來水溫度通過儀器測(cè)試獲得。生活熱水用水量即為換熱站生活熱水補(bǔ)水量,宿舍區(qū)低區(qū)、宿舍區(qū)高區(qū)和食堂補(bǔ)水管上分別有水表計(jì)量。經(jīng)記錄低區(qū)和高區(qū)熱水日用量分別為140.13 m3和241.58 m3,并計(jì)算得到低區(qū)和高區(qū)人均熱水日用量分別為53.98 L和86.68 L。
利用安裝在低區(qū)熱水供水管、高區(qū)熱水供水管和自來水管上的溫度自記儀,以10 min為間隔記錄了連續(xù)27天的低區(qū)熱水供水溫度、高區(qū)熱水供水溫度和自來水溫度,見圖2。監(jiān)測(cè)期間高區(qū)供水溫度最大值為78.2℃、最低溫度為42.5℃、平均溫度為65.1℃;低區(qū)供水溫度最大值為50.3℃、最低溫度為40.3℃、平均溫度為46.5℃。
圖2 宿舍區(qū)溫度監(jiān)測(cè)曲線
分別利用低區(qū)和高區(qū)逐日加熱的熱水溫差和熱水日用量,計(jì)算得到27天低區(qū)和高區(qū)實(shí)際二次側(cè)耗熱量累計(jì)值分別為340.66 GJ和1 095.41 GJ,日均耗熱量分別為12.62 GJ和40.57 GJ。
利用安裝在食堂熱水供水管和自來水管上的溫度自記儀,以10 min為間隔記錄了連續(xù)27天的食堂熱水供水溫度和自來水溫度,見圖3。監(jiān)測(cè)期間,內(nèi)食堂供水溫度最大值為79.2℃、最低溫度為57.3℃、平均溫度為70.5℃。
根據(jù)食堂補(bǔ)水表得到食堂每天熱水用量約為30 m3,結(jié)合食堂熱水加熱溫差,計(jì)算得到27天食堂實(shí)際二次側(cè)耗熱量累計(jì)值為154.36 GJ,日均耗熱量為5.72 GJ。
能源站一次側(cè)供熱量以1 h為間隔記錄一次側(cè)供水溫度、一次側(cè)回水溫度和循環(huán)水量。如圖4所示,測(cè)試期間一次側(cè)供水溫度最高值為84.8℃,最低值為62.4℃,平均值為77.6℃;回水溫度最高值為79.5℃、最低值為58.8℃、平均值為71.7℃;供回水溫差平均值為5.9℃。能源站一次側(cè)供回水溫度趨勢(shì)見圖4。
圖3 食堂溫度監(jiān)測(cè)曲線
圖4 能源站一次側(cè)供回水溫度
測(cè)試期間一次側(cè)循環(huán)流量較為穩(wěn)定,在180 m3/h左右。通過逐時(shí)循環(huán)流量和供回水溫差計(jì)算得到一次側(cè)供熱量日平均值為107.64 GJ。
匯總2.1節(jié)和2.2節(jié)的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果,該高校生活熱水二次側(cè)日均耗熱量匯總見表4。
供應(yīng)區(qū)域宿舍低區(qū)宿舍高區(qū)食堂合計(jì)日均耗熱量(GJ/d)12.62 40.57 5.72 58.91
熱水系統(tǒng)綜合供熱效率見式(3)。
因此,該高校生活熱水系統(tǒng)綜合供熱效率為54.73%。
經(jīng)測(cè)試計(jì)算,該高校生活熱水系統(tǒng)綜合供熱效率為54.73%,綜合供熱效率偏低。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,主要存在以下兩方面問題。
1)容積式換熱器老化
在換熱站現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)容積式換熱器老化嚴(yán)重,多臺(tái)存在一次水(85℃)和二次水(60℃)竄水、跑冒滴漏問題。另外從容積式換熱器的構(gòu)造來看,不僅占地空間大,其換熱元件在熱水罐體內(nèi)部容易導(dǎo)致結(jié)垢且清洗難度大,每年設(shè)備維護(hù)和檢修的費(fèi)用高昂,水質(zhì)也難以保障。
2)熱水供水管網(wǎng)存在漏水
經(jīng)計(jì)算,宿舍低區(qū)和高區(qū)人均熱水用量分別為53.98 L/d和86.68 L/d。根據(jù)《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50555-2010),I類和II類宿舍熱水平均節(jié)水用水定額為40~55 L/d[2]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),該高校宿舍低區(qū)人均熱水日用量在節(jié)水定額范圍內(nèi),高區(qū)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出節(jié)水要求。
經(jīng)與高校物業(yè)人員核實(shí),證實(shí)學(xué)校二次側(cè)室外生活熱水埋地管網(wǎng)和室內(nèi)熱水管道發(fā)生過漏水。由于室外管網(wǎng)埋地,漏水初期不易被發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)后排查難度大。
針對(duì)3.1節(jié)鎖定的換熱站容積式換熱器和二次側(cè)輸送管道的漏水損失兩個(gè)主要問題,提出以下建議:
1)采用板式換熱器替代容積式換熱器
該高校換熱站使用的容積式換熱器的傳熱系數(shù)約2 200 K/m2·℃,而板式換熱器的傳熱系數(shù)可達(dá)3 000~4 700 K/m2·℃,板式換熱器的傳熱更良好。
因此,建議拆除換熱站內(nèi)的12臺(tái)容積式換熱器,更換為板式換熱器。板式換熱器節(jié)省設(shè)備占地,運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便,提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性并降低了維護(hù)成本。同時(shí),按原有熱水供水系統(tǒng)分別更換原食堂、宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)共計(jì)6臺(tái)熱水循環(huán)泵,并分別在食堂、宿舍低區(qū)和宿舍高區(qū)設(shè)置儲(chǔ)熱水罐。改造后的板式換熱器和熱水循環(huán)泵、儲(chǔ)熱水罐重新組成新的循環(huán)系統(tǒng)。
2)更換二次側(cè)熱水管道
生活熱水二次側(cè)室外部分管道目前采用埋地敷設(shè)、卡箍連接,鋪設(shè)于室外柏油路面或綠化下。若仍然采用埋地敷設(shè)的方式改造室外管道,一方面施工開挖對(duì)學(xué)校環(huán)境破壞較大,另一方面施工難度和施工成本也較高。因此建議采用架空敷設(shè)的方式,沿建筑外立面利用建筑挑檐和風(fēng)雨連廊鋪設(shè)管道,穿越道路部分采用局部埋地鋪設(shè),節(jié)省施工成本、縮短施工工期,便于未來及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道異常。
在管道材料方面,原先室外埋地管采用外鍍鋅內(nèi)襯塑的鋼塑復(fù)合管,考慮到管道防腐和水質(zhì)要求,改造后建議采用成品不銹鋼保溫管,焊接連接,降低管道腐蝕造成的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
通過必要的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)某上海高校生活區(qū)的集中熱水系統(tǒng)的綜合供熱效率為54.73%,綜合供熱效率偏低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其存在容積式換熱器老化、換熱效率低和熱水供水管網(wǎng)漏水問題。針對(duì)這些問題,建議將老化嚴(yán)重的容積式換熱器更換為換熱效率更高的板式換熱器,并將埋地?zé)崴撍軓?fù)合管道更換為薄壁不銹鋼管并架空敷設(shè)。經(jīng)過改造后不僅可以提升該校集中熱水系統(tǒng)的綜合供熱效率,同時(shí)減少管道跑冒滴漏造成的水資源的浪費(fèi),促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。