随着我国高等教育事业的迅猛发展, 高校无论在规模、占地、还是学生人数上都呈现高速的发展, 高校师生对校园生活舒适度、便捷度提出了更高的要求, 公共基础设施不断完善, 学校的能源资源耗损也逐年上涨。在高校已有建筑中, 一般空调及生活热水能耗占整个建筑全部耗能的40%~60%, 而热水设计是目前业主和设计师的首要任务之一, 也是影响国家能源政策的切实需要^[1]。然而, 目前高校学生生活热水系统普遍存在系统设备设计容量偏大、运行费用偏高等问题, 从而导致相关的热水能源没有得到合理有效的配置, 加大了高校相关的管理运营成本, 降低了校园整体的经济效益, 不利于校园整体的可持续发展。究其原因主要是高校学生生活热水系统设计的定额参照标准与实际学生生活热水需求没有很好的统一^[2,3]。

　　 本文针对高校学生生活热水需求开展大量的问卷调查, 以上海高校学生生活热水使用现状及需求为切入点, 开展广义的热水使用调研, 提出适用于上海高校学生生活热水定额的计算模型与方法, 为高校学生生活热水系统合理设计及热水资源配置提供参考。

　　 上海高校学生生活热水的需求调研需要抽取大量样本, 为样本均匀性和随机性, 根据简单随机抽样原则^[4], 样本的选取均匀分布到上海市各类学校, 且保证各校的样本规模相当, 在问卷调查的过程中, 调查人员陪同填写问卷人员, 负责解答问卷调查过程中出现的各种疑问, 确保样本的可靠性和有效性。

　　 调查样本的基础信息参照影响热水定额的相关参数进行分类数据采集, 包括:学生类别、生源地、学校住宿条件和洗浴基础条件等。

　　 从学生的类别和生源地来看 (见图1) , 参与调查的学生中以本科生居多, 占68.47%, 学生主要来自华东和华中地区, 占比分别为38.69%和15.76%。而这些学生所在的学校大部分是综合类高校, 占35.96%, 也有来自理工、艺术、师范、体育、医药和农业等。样本的数据规模和数据范围能够反映上海高校的学生结构和学校类别, 具有典型性和代表性。

　　 由于建筑热水系统的设计与学生宿舍的配置关系密切, 按照《宿舍建筑设计规范》 (JGJ 36-2005) , 学生宿舍分为4类:Ⅰ类, 每居室1人, 有单独卫生间;Ⅱ类, 每居室2人, 有独立卫生间;Ⅲ类, 每居室3~4人, 有相对集中卫生间;Ⅳ类, 每居室6~8人, 有集中盥洗卫生间。

　　 而热水系统的设计是按照《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年版) 最高日热水用水定额标准, Ⅰ、Ⅱ类宿舍, 最高日用水定额取70~100L/ (人·d) ;Ⅲ、Ⅳ类宿舍, 最高日用水定额取40~80L/ (人·d) 。因此根据《宿舍建筑设计规范》, 对照我们对上海地区高校的住宿性质的指标采集, 各类宿舍对比见图2。

　　 参与调查的所有学生中, 80.18%学生住在3~4人间, 其中本科生中有95.27%的学生住3~4人间。而2人间主要集中在研究生, 特别是博士生, 有86.83%的博士生住在2人间, 该样本反映出来的数据结果也符合我国学生住宿标准的配置要求。值得注意的是, 随着高等学历教育的需求和事业发展壮大, 研究生的招生规模也随之不断扩大, 对照原有的宿舍建筑设计已不能满足住宿人数的要求。

　　 上海地区学生宿舍目前主要的热水供应包括:集中式公共浴室热水供热、楼栋分布式供热和单元宿舍热水供热等。集中式公共浴室热水供热是在整个宿舍群或区域建立公共浴室, 采用热源配置大型开式或闭式蓄热水箱为主的集中式制热和供热;楼栋分布式供热是在每幢楼屋顶或室外空地安装热水机组的中央热水供应系统, 配置闭式储热水箱, 在楼栋内建立独立洗浴空间来完成供热, 系统相对较为独立与分散;单元宿舍热水供热则是每栋楼的每个室内或室外空间安装热水机组的热水供应系统, 一般采用即热式热水器。

　　 通过调研各类学生的热水使用环境对比见图3。

　　 大部分学校的学生仍采用学校集中式公共浴室进行洗浴, 本科生中采用集中式公共浴室进行洗浴的占比为58.05%, 这也是传统的学校供热用热方式。值得一提的是, 本科生中有39.06%的学生具有楼栋分布式洗浴条件, 这一方面反映了学生对生活舒适度的需求, 另一方面也表现出了各高校致力于通过选择或优化一些供热方式来改善办学条件和学生校园生活质量。楼栋分布式洗浴作为一种界于集中和完全分散之间的供热方式, 既提升学生的热水使用舒适度让学生得以不出宿舍楼栋即可以使用热水, 又相对而言降低建设成本和运行成本, 综合考虑了资源合理分配和有效利用, 值得推广和应用。

　　 学生生活热水使用的分类是指学生选择使用热水的用途, 通过采集学生是否选用热水进行洗澡、洗头、洗脸等生活热水数据, 分析学生的生活热水使用习惯, 为分类核算热水需求量提供依据。数据统计结果见图4。

　　 从统计数据可以看出, 学生热水使用的主要用途为洗澡, 占98.6%, 而洗漱、洗衣和泡脚等也均有需求, 也有少部分的热水用途是作饮用等。本文后续会对洗澡和饮用热水的数据进行较为详细的定量分析。

　　 学生热水使用频率反映的是学生使用热水的次数和持续的时间, 间接反映了日生活热水使用量, 作为生活热水负荷的一项重要指标对生活热水系统设计容量有很大影响。不同季节男女生洗澡频率统计见表1。

　　 夏季男生、女生普遍是1天洗1次澡, 只有少数人选择2天洗1次澡, 极少数人3天及以上洗1次澡。而冬季50%左右男生、女生选择2天洗1次澡, 而选择1天洗1次澡的女生多于男生, 4天及4天以上洗1次澡的男生多于女生;在过渡季节, 男生2天洗1次澡偏多, 而女生以1~2天洗1次澡的频率明显高于男生。

　　 男女生在洗澡用热水的时间上相差甚远 (见表2) 。夏季68.04%的男生洗澡需要5~10min就可以完成, 女生普遍时间都较长, 尤其是冬季, 近80%的女生都要10~25min完成, 甚至还有部分要超过25min的洗浴时间。而男生在冬季有近80%的学生需要5~15min的洗浴时间, 基本没有洗浴时间超过25min的男生。

　　 生活热水使用时段的分布主要是指生活热水在不同时间段的使用情况, 是构成同时使用系数的关键影响因子之一, 决定着热水系统的热水供应模式和系统运行模式。本次调研发现 (见表3) :不管是什么季节, 学生洗澡的时间段分布主要是在18:00~20:00和21:00~24:00这两个时间段, 占了总时间段分布的90%以上。而夏季和春秋季有相当一部分学生还选择早上7:00~9:00洗澡。目前洗澡的时间段分布主要受部分集中浴室的开放时间约束的影响。另外, 享用独立洗浴设施的学生还会选择早上的洗澡时间。

　　 学生使用热水费用是每月学生各类生活热水的实际消费, 对该指标数据的采集可以从成本分析的角度进一步校核学生普遍使用生活热水的量 (主要指收费部分的热水消耗) ;另一方面, 热水系统的设计与建设需要考虑系统的投资和回收等问题, 这不仅是生活热水系统持续运营的保障, 而且对于热水运营模式的决策选择至关重要。此次调研, 男女生热水使用费用大致与使用时间分布一致 (见表4) , 除男生夏季的费用分布外, 其他各季男女生热水费用大致成椭圆形分布, 中间比例大、两头比例小。每月热水费用的季节性特征也很明显, 夏季的热水费用较低, 44.57%的男生热水费用在5~10元/月, 而冬季学生热水费用一般在15~20元/月, 还有相当一部分学生费用甚至达到了30~40元/月。而春秋季较为平衡, 大部分男生费用在10~15元/月, 女生在15~20元/月。

　　 通过问卷调查我们发现影响学生生活热水使用的因素有很多, 包括学生性别、住宿及洗浴条件、计费方式等, 其中男生女生使用生活热水有很大差别, 特别是洗浴用热水;此外, 在热水使用的分类上来看, 大部分的消耗是在洗浴用热水和饮用开水上, 因此, 我们通过调查学生使用热水的现状和需求情况, 按男生、女生分别对主要生活热水 (洗浴热水和饮用热水) 进行学生平均日生活热水定额的计算。

　　 洗浴用水量可以由个人在不同季节、不同时间段的平均用水量来得出, 根据问卷调查结果, 已经统计出了不同季节不同人群的生活热水使用百分比、生活热水使用频率及生活热水使用时间分布, 通过这些基础数据计算个人平均每月洗澡次数、个人平均每月热水耗用量等数据。

　　 平均每月洗澡次数由式 (1) 得出:

　　 式中N———个人平均每月洗澡次数;

　　 K_i———调查问卷中洗澡频率选择N_i的百分比;

　　 N_i———调查中与K_i相应的洗澡频率。

　　 根据式 (1) , 得出个人平均每月洗澡次数, 结果见表5。

　　 个人平均每月洗浴热水费用由问卷调查统计的每月热水费用按比例得出。由于此次调查热水费用设置的是一个区间值, 在求值时我们全部选用该区间最大值进行求解。个人平均每月热水费用由式 (2) 得出:

　　 式中Y———个人平均每月热水使用费用;

　　 K_i———每月热水使用费用选择Y_i的百分比;

　　 Y_i———调查中与K_i相对应的热水使用费用。

　　 根据不同季节对每月洗浴生活热水使用费用进行计算, 得出结果见表6。

　　 个人平均每日洗浴生活热水使用量由式 (3) 得出:

　　 式中Q———个人平均每天生活热水使用量;

　　 N———个人平均每月洗澡次数;

　　 m———冬季平均单次洗澡耗用热水量;

　　 P———不同季节生活热水使用百分数;

　　 a———以洗澡用热水量为基数表示的洗脸、洗头等使用热水量, 此处取0.5;

　　 X———不同季节月均生活热水使用费用;

　　 Y_d———冬季月均洗浴热水使用费用。

　　 根据式 (3) 计算, 得出个人日均洗浴用热水量, 结果见表7。

　　 由以上分析可知, 女生日均洗浴热水量比男生大;冬季虽然女生洗澡单次热水使用量大于其他季节, 但日均热水使用量却比夏季和春秋季要低, 这是因为冬季女生的洗澡频率显著低于其他几个季节。

　　 开水使用量可以由个人在不同季节、不同时间段的平均用水量来得出, 根据问卷调查结果, 已经统计出了不同季节不同人群的饮用热水使用量和分布情况, 通过这些基础数据计算个人平均每日开水使用量。开水使用量由式 (4) 得出:

　　 式中n———个人平均每月开水使用量;

　　 k_i———为调查问卷中开水使用频率选择n_i的百分比;

　　 n_i———调查中与k_i相应的开水使用频率。

　　 根据式 (4) , 得出个人日均开水使用量, 结果见表8。

　　 根据学生不同季节、不同人群热水使用的计算, 综合热水使用过程中, 洗头洗澡的重叠系数, 以及洗头、洗衣、泡脚的同时系数, 计算学生综合热水使用量见表9。

　　 学生生活热水定额由于其涉及面广、使用人群多样等特点, 其需求模式也具有多样性, 如何有效地选取其参照标准也成为了高校设计和运行学生热水系统的重要参考。本文对上海高校学生生活热水需求开展调研, 并对需求数据进行定量分析, 得出以下结论:

　　 (1) 影响热水使用的主要因素包括学生性别、季节和年级等;男女生热水使用习惯差异较大, 在热水使用量上, 女生明显高于男生。尤其伴随着季节的变化, 男生在热水使用的频率、时间等方面明显少于女生。

　　 (2) 由于学生生活、学习、科研的规律性, 7:00~8:00和22:00~23:00是学生洗漱和洗浴的需求相对较集中的两个时间段。热水系统的设计与运行峰值除考虑季节性因素外, 还需考虑该时间段的系统运行使用。

　　 (3) 在上海高校学生生活热水使用现状和需求调查的数据基础上, 本文对学生热水使用习惯和热水使用量进行分析, 并对相对应的热水定额进行计算, 其结果可作为实际热水使用定额计算的辅助参考。

　　 事实上, 确定科学合理的热水定额, 可以促进高校学生节约用水、合理用水。本文提出的热水定额主要是针对上海高校学生生活热水使用的现状, 真正从学生的需求角度出发, 体现了高校现阶段的热水用水水平和特点。

　　 值得补充的是, 由于热水定额是一个新兴、动态的指标, 其制定、完善和实施是一个动态过程, 需要与节水设备、管理水平的提高相适应, 应通过定期调整、不断完善来保证其先进性和合理性, 从而提升高校热水资源的配置效率, 降低相应的管理成本, 提升经济效益。后续可以从以下几个方面进行完善:

　　 首先, 要不断完善热水用水定额编制方法, 规范用水定额的编制。要在结合学生需求和高校自身运行现状的基础上, 采取因地制宜、与时俱进、以供定需、公平和效率相统一、系统统筹等原则, 研究定额管理和定额编制的原则、技术与方法, 以及定额的核定、优化、调控、评价和监督体系, 为热水系统的设计和运行的参考做一个必要的铺垫。

　　 其次, 要不断修订热水定额的标准。热水定额是一个动态变化的指标, 必须不断根据新情况修订。当学生的需求发生了改变, 或者热水设备、工艺和相关技术得到改造, 使得原有的热水设定标准不能真正反映实际情况时, 应该及时修订热水定额标准, 保证核心热水资源得到真正有效的配置, 提升高校资源管理发展的整体经济效应。

　　 最后, 建设热水定额管理信息化平台, 实现取热水精细化管理。热水定额的制定、管理以及修订, 涉及数据的采集、统计、分析、处理等过程以及大量的数理统计计算, 因此需要建立管理信息化平台, 实现数据分析的自动化, 定额管理决策的科学化, 提高定额管理的智能化水平, 加深热水能源资源配置能力。

　　 只有不断地改进用水定额的设定和相关配套的管理措施, 才能不断优化热水系统的设计和运行, 从而真正切实满足学生的需求, 实现高校能源资源的合理有效配置, 节省相应的校园管理经济成本, 提高校园运行的整体经济效益, 真正实现高校的可持续发展。