随着高等教育事业的飞速发展,与之相应的高校基础设施建设也在不断完善,师生普遍对校园生活舒适度、便捷性提出了更高层次、高质量的需求,而学校公共浴室的热水供应需求量大、要求高,成为广大师生每天校园生活的重要组成部分。按每人每天的热水需求量在50L测算,上海市约75万在校生一天的生活热水需求量约为37 500m³。上海地区学校热水需求的能耗量大,对学校热水系统开展节能新技术的应用改造是节约型校园建设的一项重要举措。

同时,国家针对校园节能减排给予了大量专项资金的支持,鼓励全国各高校大力开展节约型校园建设;上海地区也投入专项资金鼓励各学校开展节能技改的示范建设,然而,由于热水系统应用的规模不尽相同,不同学校、不同季节、不同学生对热水的需求也存在明显差别,因此在热源选择的模式上也有所不同,且由于这些模式设计和运行的差异导致了实施的热水系统未达到预计的节能效益和经济效益。为此,本文将探索高校不同的热水系统设计模式,对不同模式的热水系统进行定量的节能效益分析。

为解决国内高校学生的洗浴问题,学生宿舍的热水供应模式有整个宿舍群集中供应、每栋宿舍楼分散供应和每间宿舍单位供应3种模式。其中集中浴室统一供应一定区域范围内全部学生的洗浴需求,热水供应量大,但随着学生生活品质的提升,设置集中浴室给学生洗浴带来一定程度的不便。分布式浴室通常设置在宿舍楼内或学生寝室内,离学生更近,洗浴更方便、条件更好。因此,分布式的供热方式越来越多为高校基建管理和设计部门所采用。

传统的分布式浴室热源有:燃气锅炉、燃油锅炉、电热水器等^[1]。根据东华大学理论计算和实践应用,上述单一热源中以柴油锅炉的经济性及效率最差,天然气锅炉最优。为进一步降低热水的产出成本,同时提高热水系统的效率,许多热水系统引入了如太阳能集热器、空气源热泵等集热设备,与上述单一热源组合形成复合热源热水系统。东华大学太阳能+空气源热泵热水系统单位热水产出成本为9.96元/m^3[1];上海海洋大学的太阳能+燃气锅炉热水系统单位热水产出成本为7～9元/m^3[2];哈尔滨江北某学院的太阳能+蒸汽锅炉热水系统系统成本回收年限为10.6年^[3];南京铁道职业技术学院苏州校区采用土壤源热泵供给学生洗浴及取暖^[4],2008年10月实测土壤源热泵效率在300%以上,热水费用4.87元/m³。

除上述高校的实际运行数据外,一些专家学者也对华东地区高校热水系统的解决方案进行了理论分析和推算。文献[4]经过计算得出,从运行经济性上来说,地源热泵、太阳能+电加热辅助、燃气锅炉、空气源热泵+电加热辅助、电热水器5种热源年运行费用依次升高。

2014年下半年起,上海交通大学对闵行校区学生公寓D20～D33的14栋楼进行加装热水系统改造,为学生提供日常的洗浴热水。该热水系统有太阳能+燃气锅炉和空气源热泵+燃气锅炉2种混合匹配方案。常用的太阳能+燃气锅炉或空气源热泵+燃气锅炉混合热源的运行策略,是优先以太阳能或空气源热泵供热为主,当太阳能或空气源热泵供热不能满足要求时,开启燃气锅炉进行补充。

本文采集系统的运行数据,从经济性和能耗性2个方面对2种混合系统方案进行对比评价。其中,经济性考察设备本身成本和单位热水产出成本,对设备整个运行周期进行经济性评价;能耗性考察设备在运行时的效率问题,以系统运行效率η为重点考察对象。

以单位热水成本为“经济性”的重点考察指标,其含义为产出单位水量热水消耗的各类能源成本,计算公式见式(1):

式中C_i＿water———产出单位热水花费的成本,元/m³;

q_water———用水量,m³;

C_water———单位冷水成本,元/m³;

q_gas———耗气量,m³;

C_gas———单位燃气成本,取3.05元/m³;

q_electricity———耗电量,kW·h;

C_electricity———单位电价成本;取0.64元/(kW·h)。

以系统运行效率η为能耗性的重点考察指标,为计算η的值,需要知道产出热水的热量Q_hot＿_water和投入的能量Q_input。热量为比热容、质量与温度差三者的乘积,即

式中c_water———水的比热容,取4.2kJ/(kg·℃);

T_out———出水温度,℃;

T_in———进水温度,℃。

投入的能量由电和燃气2部分组成,即:

式中Q_gas———单位燃气的热量,取35 880kJ/m³;

Q_electricity———单位电的能量,取3 600kJ/(kW·h)。

系统运行效率η为:

本系统利用太阳能集热器,收集太阳辐射能把水加热。为了保证热水供应率,每幢楼配备2台燃气锅炉,剩余屋顶面积铺满太阳能集热器。

采集了6栋楼在2016年9月～2017年3月期间的相关数据,经过计算得到各个楼每个月的平均单位热水成本,见图1。

从图1可以看出,太阳能+燃气锅炉混合热源热水系统的单位热水产出成本与月份有很大的关系。在数据记录区间月份中,秋季(9～11月)单位热水成本较低,在8～10元/m³的区间内;进入冬季(12～2月)单位热水成本急剧增加,一些楼层一度达到26.63元/m³的价格;到了春季(3月),单位热水成本又呈现出大幅下降的趋势。

太阳能+燃气锅炉的复合热源热水系统通常设定以太阳能提供热量为主、燃气锅炉供热为辅,由此可见,影响整个系统最大的因素就是太阳能的辐射量(见图2)。

从图2可以看出,太阳辐照强度确实与单位水成本有比较明显的关系,且成反比的关系,即太阳辐照强度越大,单位水成本越低。同时也可以发现,D26、D27和6栋楼平均单位水成本的变化趋势、数值区间基本相符,说明该结论具有一定的普适性,可以为太阳能+燃气锅炉为混合热源的热水系统提供有效的参考价值和借鉴意义。

除了太阳辐照强度的影响外,发现用水量对单位水成本也有一定的影响。横向对比6栋楼9月～1月期间每栋楼的用水量和单位水成本(见图3)。

图3中,虚线为单位水成本随用水量变化的线性拟合线。可以看出,除12月外,其他月份的单位热水成本随用水量的增加而缓慢减小。原因在于,设备在运行时有一部分的能耗并未用来直接加热热水,而是为了维持系统的运行稳定所必须付出的能量。如果用水量大,这一部分付出的能量由更多的水来分摊,所以导致单位热水成本的下降。秋季环境温度较低,系统与环境换热消耗能量较小,因此与冬季相比,秋季下降应更加平缓,这种现象在上述图中也可以观察到。

计算各个月的系统运行效率η,结果见图4。系统运行运行效率η与月份关系明显,其原因仍是不同季节的太阳辐照强度的差异导致太阳能占比差距较大。从图4可以看出,秋季系统运行效率η值较高,基本在2左右;入冬后随着环境温度降低和太阳辐照强度的降低,运行效率η急剧下降,冬季3个月只能维持在1左右,相比仅适用燃气锅炉的理论运行效率H值0.8提高不大,说明冬季采用太阳能+燃气锅炉复合热源热水系统效果不理想。

从用水量的关系来看,用水量与系统运行效率也有一定的关系,如图5所示。

从图5可以看出,用水量对运行效率η有影响,尤其在9月、10月、11月太阳能占比较高的时候,运行效率随着用水量增加有上升的趋势。需要解释的是,由于1月20日～2月22日为寒假,学生人数与正常开学时的人数相比有减少,这一特殊情况反映在1月和2月的用水量比较少上。

空气能热水器,又称空气源热泵,是采用制冷原理从空气中吸收热量来加热水的“热量搬运”装置。空气源热泵主要耗费电能,燃气锅炉主要耗费燃气,以空气源热泵为主、燃气锅炉为辅助热源的复合热源系统,冬季空气源热泵制冷效率下降,为保证热水保证率,应提前开启燃气锅炉对热源进行补充。

系统采集了4栋楼在2016年9月～2017年1月期间的相关数据,分析计算上述真实数据,得到了各个楼每个月的平均单位热水成本(图6)。

从图6可以看出,空气源热泵+燃气锅炉复合热源的热水系统产出单位热水的成本总体较高,且随着月份的推移、温度逐渐下降,空气源热泵供热能力下降,单位热水成本有进一步提高的趋势。

通过分析系统各个月耗电量和耗气量的用量变化,可得出空气源热泵和燃气锅炉在整个系统中的占比情况,见图7。

从图7可以看出,空气源热泵+燃气锅炉复合热源热水系统,其耗电量一直在较高水平,由于秋季空气源热泵制热效率足够,因此11月以前燃气锅炉几乎不占比。进入冬季之后,燃气锅炉开始介入系统供热,产生燃气消耗,同时空气源热泵受环境影响,其耗电量也出现了上升的趋势。

从用水量的关系来看,用水量与系统运行效率也有一定的关系,如图8所示。

单位热水成本随用水量的变化趋势与太阳能+燃气锅炉复合热源热水系统的变化趋势相同,都是随着用水量的增加而降低。其原因也基本相同,即为了维持系统运行而付出的能耗被均摊到更多的热水上,使得单位热水经济性不佳。

计算各个月的运行效率η值,结果见图9。系统运行效率η与月份关系明显,其原因仍是由于环境温度降低导致空气源热泵效率及制热能力下降,燃气锅炉辅助热源介入,大大降低了系统运行效率值。在秋季,燃气锅炉并未介入,热水系统运行效率值η基本维持在2附近,入冬后由于环境温度下降较快,同时燃气锅炉开始耗费燃气,介入系统加热,使得系统运行效率η急剧下降,直至冬季最寒冷的1月,其运行效率η值仅有0.98。

从用水量的关系来看,用水量与系统运行效率η也有一定的关系,如图10所示。

从图10可以看出,随着用水量的增加,系统运行效率η有较大增长,尤其是秋季。其原因是,在这些季节,2台空气源热泵加热能力充足,无需燃气锅炉的辅助,因此能够产出更多的热水而无需额外的能量消耗。

对比太阳能+燃气锅炉和空气源热泵+燃气锅炉两种复合热源热水系统在经济性和效率两个方面的表现,可以对热水系统的配置方案给出一定的建议。

通过前文的分析,可以将2种热水系统的整体经济性情况汇总在表1。

从表1可以看出,太阳能+燃气锅炉复合热源热水系统的购置成本较高,但是运行成本较低;与此相比,尽管空气源热泵+燃气锅炉复合热源的热水系统购置成本较低,但运行成本却显著高于太阳能+空气源热泵复合热源热水系统。最终两者的成本回收年限相差不大。

考虑到一般热水系统的投入使用期限为10年左右,因此,在设备生命周期内,太阳能+燃气锅炉复合热源热水系统更具有经济性的优势。在10年生命周期内,太阳能+燃气锅炉的配置约能盈利20.26万元,空气源热泵+燃气锅炉的配置约能盈利15.46万元,比太阳能+燃气锅炉的配置少近5万元。

将2种配置的热水系统效率情况汇总于表2。

从表2可以看出,空气源热泵+燃气锅炉在秋冬两季,无论是节能率还是系统运行效率η,均高于太阳能+燃气锅炉的配置。原因在于空气源热泵+燃气锅炉的配置,仅进入严寒时段燃气锅炉才起到辅助热源的作用,之前一直保持未开启的状态,因此空气源热泵发挥了最大的节能效果。

需要注意的是,随着时间推移至春夏两季,太阳辐照强度逐渐提高,因此太阳能+燃气锅炉的配置的热水系统节能率和系统运行效率η将会继续显著提高。空气源热泵+燃气锅炉系统,测试的秋季阶段已经处于全空气源热泵供热的运行工况。

本文对上海交通大学学生公共浴室热水系统的节能效益进行分析。太阳能+燃气锅炉和空气源热泵+燃气锅炉2种复合热源热水系统的经济性和系统效率,均大幅优于燃气锅炉或电锅炉的单热源热水系统。

同时,经过对比分析发现,即使上海太阳能资源分布属于Ⅲ类地区,并不十分丰富,但对于高校供热系统来说太阳能+燃气锅炉的复合热源热水系统综合运行成本和投资回报均优于空气源热泵+燃气锅炉系统;但从节能率和系统运行效率的角度对比,我们发现空气源热泵+燃气锅炉的节能率和运行效率远高于太阳能+燃气锅炉系统。因此,在上海地区高校热水系统的设计与应用中,建议分别从经济或效率2个角度,因地制宜选择不同的复合热源组合模式。