近年来随着国家和社会对节能环保的重视, 绿色节能的口号也在各高校被频繁提出, 而高校集中生活热水作为节水和节能的一个重要方面也越来越得到重视。为了最大限度地节约能源, 需要对学生群体的热水行为模式和热水系统的动态特性进行深入的研究。国际上针对生活热水使用行为模式的研究开始较早, 且随着监控技术的普及, 多利用实测数据进行分析, 诸多研究^[1~5]表明生活热水使用行为的特征和模式受地点、气候条件、经济条件和生活习惯等影响很大, 文献[6]对国际上针对生活热水使用行为特征和模式方面的研究进行了总结, 并指出对用户行为特征和模式的深入了解对系统节能设计和运行控制有非常大的帮助。国内针对这方面的研究则起步较晚, 受技术条件的限制, 大多采用问卷和调研的方法进行研究。邓光蔚等^[7]通过对调研数据的分析提出住宅用户每天的热水用量为20~80L/ (户·d) , 并且对集中式热水系统能耗高于分散式系统的原因进行了分析。张磊等^[8]通过分析大量的入户调查数据, 提出了太阳能集中式热水系统的居民平均日用水量为45~60L/ (人·d) 。王珊珊等^[9]采用问卷调查的方法进行统计分析, 亦发现居民生活热水需求量低于各类标准和规范的定额值。周志仁等^[10]利用酒店实测热水消费数据的规律分析, 对热泵热回收系统的设计提出了建议。甄帅等^[11]利用监测数据对广州亚运城运动员村的生活热水规律进行了分析研究。而在针对高校生活热水研究中, 陈海峰^[12]通过对高校学生生活热水需求做了大量的问卷和跟踪调查, 提出了针对不同类型人群的生活热水需求逐时值。杨柳等^[13]利用收费系统的数据记录提出了针对高校学生生活热水用水定额的建议值。段梦庆等^[14]则利用生活热水消费实测数据的分析结果, 对高校利用空气源热泵作为生活热水热源设备的系统设计提出了建议。

　　 目前, 国内针对生活热水使用行为特征的研究相对滞后, 其主要原因是缺乏大量且长期的数据记录, 而国际上的研究成果则大多数针对普通家庭用户的用水行为进行研究, 研究对象的行为模式和规律与国内有较大差别。近年来, 国内高校不断完善和成熟的信息化工作, 可为该方向的研究提供必要的数据支持。本文通过分析长沙某高校学生长期的生活热水数据, 对学生生活热水使用行为特征进行了深入的分析, 研究结果可供高校生活热水系统设计和运行参考, 亦可为进一步的系统动态仿真研究提供支撑, 有助于促进校园节能工作的开展。

　　 本文数据来源于长沙市某高校的集中生活热水消费记录数据库, 系统设计供水水温在45~50℃, 并采用定时计价机制进行收费, 每间宿舍安装的POS机可对学生每次刷卡使用热水的相关信息进行记录, 如使用时刻、地点、持续时间以及计价机制等。本文选择了一栋研究生宿舍楼作为研究对象, 每间宿舍居住人数4人, 均有带淋浴设施的独立卫生间, 对其为期一年 (20150901 00:00:00~20160831 23:59:59) 的热水使用记录数据进行了统计和分析研究。

　　 研究中首先依据以下原则对无效数据进行了剔除: (1) 寒暑假人数较少的热水使用记录; (2) 检修日或故障日当天及前后一日消费记录异常的使用记录; (3) 毕业离校导致使用记录未达一年的学生的热水使用记录。无效数据剔除记录见表1及表2中的相关说明。

　　 因原始数据仅记录了每次热水使用的持续时间, 需将其转化为热水使用量。文献[6]对多项研究的成果进行了整理, 指出淋浴用水的水量通常在0.13~0.14L/s变化, 水温通常在40℃左右。而作者亦对研究对象的部分宿舍淋浴设施热水出水量进行了测试, 得到其平均值为0.133L/s, 并按照这一取值将数据记录中的使用时长转化为热水使用量。这样, 转化后的结果对应的是冷热水混合后实际的出水量, 水温约为40℃。

　　 对数据进行处理后, 共获得了总人数548人, 有效天数268d的集中生活热水消费记录, 统计得到的逐日用水量的变化见图1。

　　 为了解热水使用的整体变化规律, 本文分别针对男生和女生, 对活跃用户人数比例、人均用水次数、人均用水量的逐日变化进行了统计分析。

　　 图2给出了全年男生和女生热水使用活跃人数比例的变化, 其平均值相差不大, 在50%上下波动, 但从图2中可看出9、10月及5、6月, 因天气较为炎热, 男生一般选择冷水浴, 每日使用热水的男生人数比例 (30%~50%) 普遍低于女生 (60%~80%) 。且在9、10月, 男生活跃人数比例呈现出逐渐上升的总体趋势, 而女生则呈现为逐渐下降的趋势。这一现象表明, 男女生在使用热水时具有差异。

　　 图3给出了基于活跃用户的人均用水次数的逐日变化, 从图3中可看出, 女生活跃用户每日的人均用水次数高于男生, 普遍高出约1.0次/ (人·d) , 这一点可用性别导致的生活习惯不同加以解释。图中数据亦表现出冬季高、夏季低的特点, 这主要是因为, 夏季气温较高时, 即使每日仍会使用热水, 但次数会降低, 更多选择使用冷水。

　　 图4给出了基于活跃用户的人均日用水量的变化, 从图4可以看出, 基于活跃用户的人均日用水量男女生差异不大, 但呈现出夏季高冬季低的特点, 在25~40L/ (人·d) 之间变化, 期间个别日期有较大的波动。经计算, 将全年有效日内的人均日用水量进行累加平均计算后, 可得到表3的数据。

　　 本文的研究对象按照《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年版) ^[15]的分类, 可归于III类宿舍, 规范中针对III类宿舍, 按热水温度为60℃给出的生活热水最高日用水定额为40~80L/ (人·d) , 而表3中统计得到的是基于设计供水温度为40℃的人均日用水量。无论是基于活跃用户还是用户总人数, 考虑到水温的不同, 表3中人均日用水量的年最大值均大幅低于规范的推荐值, 这一现象与文献[7~9, 12]的研究结论类似, 表明进行集中生活热水系统设计时需对用户的热水需求进行深入细致的了解。

　　 为对热水使用进行群体行为差异分析, 本文按照每个用户的日均用水次数和均次用水量对用户群体进行了分类, 分类的依据以及针对男生和女生的统计结果见表4、图5。表4中, A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2和C3分别为不同类型用户群的命名。

　　 从表4、图5可看出, 所有用户的整体规律表现为日均用水次数越多的用户, 其相应的次均用水量越低, 相反则反之。而日均用水次数和次均用水量都较高 (B2、B3、C2和C3用户群) 的用户相对较少。

　　 特别需要说明的是, 分析结果表明男生和女生的群体分布呈现较大的差别, B1和C1男生用户比例高于女生, 而A2和A3女生用户比例则明显高于男生。这一特点说明, 男生的用水行为特征为较多用户用水次数少, 但单次用水量大, 而女生的用水行为特征则表现为较多用户用水频繁, 单次用水量小。关于这一特征, 在图3中亦有所体现, 男女生基于活跃用户的日人均用水次数有较大差异, 且女生高于男生。

　　 从图5中亦可看出, 日均用水次数在0~1.5次/d之间的用户, 无论男生还是女生, 均存在较多数量, 甚至个别用户日均用水次数接近为0, 这说明存在部分用户, 其热水使用率较低, 甚至很少使用, 活跃用户比例因此而降低, 亦使得在进行集中生活热水系统设计时, 活跃用户比例成为影响设计效果的一个重要因素。

　　 为分析不同类型用户群的热水使用行为特征, 本文对不同类型用户群历次用水量按照1.0L/次为间隔进行了频率 (即发生次数比例) 统计, 结果见图6。

　　 从图6可看出: (1) 用水量分布与用户的用水次数没有大的关系, 即A1、A2和A3用户群的用水量频率分布差异不大, 且B和C用户群也有同样规律; (2) 用水量分布与用户的次均用水量有很大关系, 即A1、B1和C1用户群的用水量频率分布差异较大, 其他用户群亦有同样规律。

　　 以A类用户群为例, 虽然A1、A2和A3用户群的日均用水次数不同, 但其用水量频率分布表现出同样的规律, 说明可以将这三个用户群进行合并研究, 分析其用水量的频率分布, 本文基于这一思想, 对男生和女生各自的A、B和C用户群的用水量频次分布进行了箱型图统计分析, 结果见图7。

　　 从图7可见, A、B和C用户群其单次用水量的频次分布有较大区别, 但并未体现出较大的性别差异, 这一现象表明, 进行用水量频率或频次分析时, 可忽略性别差异, 仅针对A、B和C用户群进行统计分析。这一点对于进一步的热水使用行为动态仿真分析研究有较大的参考意义。

　　 本文利用长沙市某高校548人的集中生活热水使用记录, 对其热水消费行为的规律进行了深入分析, 研究结果表明:

　　 (1) 高校男生和女生在热水使用活跃人数比例上存在季节性差异, 且因性别导致的生活习惯的不同, 基于活跃用户的女生逐日人均用水次数高于男生1.0次/d左右, 但统计数据表明基于活跃用户的人均日用水量并无明显差异。

　　 (2) 逐日人均用水次数和人均用水量有较明显的季节性变化, 规律为夏季每日的人均用水次数低, 但用水总量较高, 冬季则表现相反。

　　 (3) 统计得到的高校学生生活热水日均使用量低于相关标准规范的推荐定额, 说明进行集中式生活热水系统设计时, 需对用户需求进行深入细致的了解。

　　 (4) 不同用户人群分布的性别差异较为明显, 男生的用水行为特征为较大比例的用户用水次数少, 但单次用水量大, 而女生的用水行为特征则表现为较大比例的用户用水频繁, 单次用水量小。

　　 (5) 不同用户的日均用水次数对其历次用水量频率 (次) 分布无明显影响, 而不同用户的次均用水量不同, 则导致历次用水频率 (次) 分布有较大区别。这一特点对进一步的热水使用行为动态仿真研究有较大的参考意义.