基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能下的住宅熱水系統(tǒng)選擇

■ YIN Weiqiang CHENG Jianhua

0 引言

住宅生活熱水系統(tǒng)是人們必不可少的系統(tǒng)，合理配置生活熱水系統(tǒng)非常重要。住宅可選用的熱水系統(tǒng)有可再生能源熱水系統(tǒng)和常規(guī)能源熱水系統(tǒng)，太陽能是可再生能源。2012 年10 月開始實(shí)施的《浙江省可再生能源開發(fā)利用促進(jìn)條例》，明確要求在浙江省建設(shè)工程中推廣應(yīng)用可再生能源。浙江省《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB 33/1015—2015）要求，“住宅建筑應(yīng)為全體住戶配置太陽能或空氣源熱泵熱水器；有生活熱水需求的非住宅類居住建筑宜為全體住戶配置太陽能或空氣源熱泵熱水系統(tǒng)”。因此，自2016 年以來，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)在浙江省居住建筑中應(yīng)用十分廣泛。

寧波市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)也發(fā)文要求可再生能源應(yīng)用與建筑一體化設(shè)計(jì)，居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置設(shè)備平臺(tái)供空氣源熱泵或太陽能熱水設(shè)備安裝使用。但實(shí)際工程交付使用后，有部分業(yè)主拆除空氣源熱泵或太陽能熱水設(shè)備，把設(shè)備平臺(tái)擴(kuò)展改造為書房或臥室使用，而生活熱水改為采用燃?xì)鉄崴骰螂姛崴髟O(shè)備。針對上述情況，寧波市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局在發(fā)布《寧波市空氣源熱泵與太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)細(xì)則》（2019甬DX—07）以控制設(shè)備平臺(tái)非法改造的同時(shí)，要求對住宅常用的電熱水器、燃?xì)鉄崴?、空氣源熱泵熱水器及太陽能熱水器做技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

1 住宅熱水器（系統(tǒng)）種類及主要參數(shù)

寧波地區(qū)類似的夏熱冬冷地區(qū)住宅常用熱水器（系統(tǒng)）有4 種，即：電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌⒖諝庠礋岜脽崴鳎ㄏ到y(tǒng)）和太陽能熱水器（系統(tǒng)），其主要工作原理及市場常見技術(shù)參數(shù)如下。

1.1 電熱水器

電熱水器主要分儲(chǔ)水式和即熱式兩種，其工作原理為：通過加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能傳遞給冷水后，使水升溫。兩種電熱水器均為承壓式，冷水進(jìn)水壓力一般不小于0.1 MPa。

1.1.1 儲(chǔ)水式電熱水器

儲(chǔ)水式電熱水器有一儲(chǔ)水罐，可以儲(chǔ)存預(yù)先加熱的熱水。有立式儲(chǔ)水罐和臥式儲(chǔ)水罐2 種方式。

居住建筑常用的立式儲(chǔ)水電熱水器主要有100 L、150 L、200 L、300 L，其功率根據(jù)各種品牌略有不同，一般為2 kW、3 kW、6 kW，需要配置設(shè)備平臺(tái)、設(shè)備陽臺(tái)或露臺(tái)等設(shè)施供設(shè)備安裝使用；臥式儲(chǔ)水式電熱水器常用的有40 L、60 L、80 L、100 L，配置功率根據(jù)不同品牌一般為1.5 kW、2 kW、3 kW，可放置于衛(wèi)生間或廚房間吊頂內(nèi)。

1.1.2 即熱式電熱水器

即熱式電熱水器，顧名思義，就是冷水通過電熱水器加熱后，即能產(chǎn)生達(dá)到使用溫度的熱水。此種電熱水器快速加熱但無儲(chǔ)水容積，因此體積小，但配置的功率較大，一般不小于8 kW，大部分為12 kW 左右。

1.2 燃?xì)鉄崴?/h3>

燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ髟硎峭ㄟ^燃?xì)獾娜紵a(chǎn)生熱能，并將熱能傳遞給冷水，使水升溫。這是一種快速承壓式熱水器，幾秒內(nèi)能達(dá)到熱水使用的溫度，且出水能夠達(dá)到恒溫。其冷水進(jìn)水壓力一般要求不小于0.1 MPa，體積較小，便于安裝。產(chǎn)熱水能力依據(jù)不同品牌有所不同，常用的有8 L/min、10 L/min、11 L/min、12 L/min、16 L/min、20 L/min、24 L/min。這里的產(chǎn)熱水能力是指在規(guī)定的燃?xì)鈼l件下（在基準(zhǔn)氣體，額定壓力），燃?xì)鉄崴鞴ぷ髟谧畲鬅嶝?fù)荷下，供水壓力為0.1 MPa，溫升折算到25℃時(shí)每分鐘流出的熱水量[1]。在氣源、水壓穩(wěn)定的條件下，不同季節(jié)的冷水進(jìn)水溫度、熱水出水溫度不同，同一款熱水器的產(chǎn)水量也是變化的：夏季產(chǎn)水量高，冬季產(chǎn)水量低。

1.3 空氣源熱泵熱水器（系統(tǒng)）

空氣源熱泵熱水器（系統(tǒng)）的工作原理是：通過輸入少量的電能，使系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)（即制冷劑）在蒸發(fā)器中通過相變（液態(tài)→氣態(tài)）吸收空氣中的熱量（低溫?zé)崮埽?；再?jīng)壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)崮?，被輸送到冷凝器中，通過相變（氣態(tài)→液態(tài)）將熱量釋放到進(jìn)入冷凝器的冷水中，水被加熱成高溫?zé)崴?，直接進(jìn)入保溫水箱；經(jīng)過相變放熱的循環(huán)工質(zhì)以液態(tài)形式進(jìn)入膨脹閥（節(jié)流裝置），經(jīng)節(jié)流降壓后，再進(jìn)入蒸發(fā)器中通過相變吸熱；循環(huán)工質(zhì)不斷地將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移至冷凝器中，進(jìn)入冷凝器的冷水再不斷地被加熱成高溫?zé)崴畠?chǔ)存到水箱中供用戶使用（圖1）。

空氣源熱泵熱水器在浙江省屬于可再生能源應(yīng)用熱水系統(tǒng)，其空氣源熱泵主機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下的性能系數(shù)（即名義COP）可以達(dá)到3.7～3.9[2]，比較節(jié)能；但空氣源熱泵熱水器的制熱能力隨著環(huán)境氣溫的降低而降低，它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度在-10℃以上的地區(qū)，不太適合北方寒冷地區(qū)使用?？諝庠礋岜脽崴鞣譃榧矣眯秃蜕逃眯蛢煞N規(guī)格。目前，空氣源熱泵熱水器的冷媒主要是氟利昂，一般制備熱水溫度為55℃，冬季最冷月時(shí)水溫略有下降。因此，家用型空氣源熱泵熱水器宜配置電輔助加熱棒，商用型空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)配置輔助加熱器，以保證冬季最冷月的熱水供水溫度和供水量；同時(shí)，能防止生活熱水中產(chǎn)生軍團(tuán)菌（軍團(tuán)菌在55～60℃[3]熱水中不能生存），使生活熱水水質(zhì)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活熱水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 521—2018）。

住宅一般使用的為家用型熱水器，按其構(gòu)造形式分為一體機(jī)和分體機(jī)。家用型空氣源熱泵熱水器按其儲(chǔ)水箱容積常用的有100 L、150 L、200 L、300 L，均為立式水箱，需放在設(shè)備平臺(tái)上。其COP 分為5 個(gè)等級(jí)，其中，1 級(jí)最高，2 級(jí)為節(jié)能認(rèn)證的最小值，寧波市要求3 級(jí)（家用機(jī)性能系數(shù)為3.80）及以上才可以應(yīng)用于工程建設(shè)中。

1.4 太陽能熱水器（系統(tǒng)）

太陽能熱水器（系統(tǒng)）的工作原理為：通過太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并將熱能傳遞給冷水后加熱。

太陽能是可再生能源，太陽能熱水器分為直接加熱和間接加熱2 種方式。按系統(tǒng)集中程度，可分為集中式熱水系統(tǒng)、半集中式熱水系統(tǒng)和分散式熱水系統(tǒng)。居住建筑每戶獨(dú)立設(shè)置分散式太陽能熱水系統(tǒng)，常以電加熱作為輔助加熱，其供水方式有承壓式和非承壓式兩種。其中，承壓整體式太陽能熱水系統(tǒng)（圖2）出水管路上應(yīng)配置恒溫混水閥等溫度調(diào)節(jié)設(shè)施，以防止供水處溫度超過60℃。因?yàn)檎w式太陽能熱水器夏季水溫可高達(dá)95℃以上，直接供水存在極大的燙傷風(fēng)險(xiǎn)，這是國家規(guī)范不允許的[4]。

圖1 家用型承壓分離式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)及控制原理圖

圖2 承壓整體式太陽能熱水系統(tǒng)及控制原理圖

2 各種熱水器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 住宅生活熱水量標(biāo)準(zhǔn)、使用人數(shù)及冷水溫度的確定

按寧波市普通住宅年每人每日平均生活熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)q0=40 L/d（60 ℃）取值，每戶使用人數(shù)取m=3.5 人/戶，全年平均冷水溫度取tl=15℃。

2.2 每戶年平均需熱量計(jì)算

每戶年平均生活熱水用水量V0=mq0=40×3.5=140 L/（d戶）（60℃），則每戶年平均日需熱量為：

式中：Q0為每戶年平均日需熱量（單位：kWh）；q0為年均每人每日熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)（單位：L/d）；m為平均每戶人數(shù)；V0為年平均每戶每日熱水用水量（單位：L/（d 戶））；tr為熱水溫度；tl為年平均冷水溫度；C為水的定壓比熱容，C=4.187 kJ/（kg℃）；ρ為水的密度（單位：kg/L）。

計(jì)算得：Q0=140×（60-15）×4.187×1=26 280 kJ=7.3 kWh。

2.3 電、天然氣、空氣能、太陽能四種熱水器能源消耗量及費(fèi)用

2.3.1 電熱水器的用電量及使用費(fèi)

電熱水器按儲(chǔ)水方式，使用效率按0.9 計(jì)算，熱量損失取5%，則每戶電熱水器消耗的日用電量為：N1=Q0/（0.9×0.95）=7.3/（0.9×0.95）=8.53 kWh/d。

按寧波市居民電價(jià)0.56 元/（kWh）（不考慮電梯度價(jià)格）計(jì)，則用電費(fèi)用為：8.53×0.56=4.78 元/d。

2.3.2 燃?xì)鉄崴鞯奶烊粴庥昧考笆褂觅M(fèi)

1 m3天然氣熱值取35 170 kJ，天然氣熱水器效率為 0.84[5]，則每戶天然氣熱水器需消耗的日天然氣量為：V=26 280/（35 170×0.84）=0.89 m3/d，折算電量為8.69 kWh/d。

按寧波市居民天然氣價(jià)格2.95 元/m3（不考慮氣梯度價(jià)格）計(jì)，則用氣費(fèi)用為：0.89×2.95=2.63元/d。

2.3.3 家用型空氣源熱泵熱水機(jī)組用電量及使用費(fèi)

空氣源熱泵熱水機(jī)組的系統(tǒng)全年平均能效比取2.5[6],熱量損失取5%，則每戶熱泵機(jī)組日耗電量為：N2=7.3/（2.5×0.95）=3.07 kWh/d。

按寧波市居民電價(jià)0.56 元/（kWh）（不考慮電梯度價(jià)格）計(jì)，則用電費(fèi)用為：N3=（7.3×50%）/0.95=3.07×0.56=1.72 元/d，即熱泵熱水器使用費(fèi)用為1.72 元/d。

2.3.4 太陽能熱水器（系統(tǒng)）用電量（系統(tǒng)采用電輔助加熱）

太陽能熱水器（系統(tǒng)）的保證率為50%，即由太陽能熱水器提供的熱量占住宅生活熱水總需熱量的50%。住宅頂層常用的太陽能熱水器有2種，即：直接加熱自然循環(huán)熱水器（整體式太陽能熱水器）和間接加熱分離式太陽能熱水系統(tǒng)。上述兩種太陽能熱水器的輔助加熱均按電加熱考慮，且按直接加熱自然循環(huán)計(jì)算，熱量損失取5%，則每戶每日太陽能熱水器（系統(tǒng)）的用電量為：N3=（7.3×50%）/0.95=3.84 kWh/d。

按寧波市居民電價(jià)0.56 元/（kWh）計(jì)，每戶使用費(fèi)用為：3.84×0.56=2.15 元/d。

3 各種熱水器的常規(guī)能源替代量

以電為基準(zhǔn)能源，計(jì)算上述4 種能源熱水器的常規(guī)能源替代量。

3.1 電熱水器的常規(guī)能源替代量

電是常規(guī)能源，其常規(guī)能源替代量為零。電作為高品位能源，其能源效率比較低（由煤發(fā)電的效率平均為33%），一般電熱水器的加熱效率為90%。

3.2 燃?xì)鉄崴鞯某Ｒ?guī)能源替代量

天然氣亦為常規(guī)能源，其常規(guī)能源替代量為零。家用型天然氣熱水器的加熱效率為0.84，1 m3天然氣提供的熱量取35 170 kJ，相當(dāng)于9.77 kWh 電的熱量。則天然氣熱水器與電熱水器折算用電量比為：V/N1=8.69/8.53=1.02；每戶每日天然氣熱水器相對于電熱水器折算用電量差值為：8.53-8.69=-0.16 kWh/（d 戶）。

燃?xì)鉄崴鞯恼鬯阌秒娏柯源笥陔姛崴鞯挠秒娏?，是電熱水器?.02 倍，非常接近。但電是高品位能源，從總的能源效率來看，燃?xì)鉄崴饕笥陔姛崴鳌?/p>

3.3 空氣源熱泵熱水器的常規(guī)能源替代量

空氣能是可再生能源，家用型空氣源熱泵熱水機(jī)組全年平均能效比取2.5，考慮儲(chǔ)水罐熱量損失取5%，熱泵機(jī)組耗電量為2.92 kWh。則每戶每天節(jié)能量為：8.53-3.07=5.46 kWh/（d 戶）；用 電 比為：N2/N1=3.07/8.53=0.36，即 空氣源熱泵熱水器與電熱水器用電比為0.36：1。

3.4 太陽能熱水器的常規(guī)能源替代量

太陽能是可再生能源，考慮儲(chǔ)水罐熱量損失取5%，每戶每日耗電量為3.84 kWh。每戶每天節(jié)能量為：8.53-3.84=4.69 kWh/（d 戶）；用電比為：N3/N1=3.84/8.53=0.45，即太陽能熱水器與電熱水器用電比為0.45：1。

4 各種熱水器的初投資及靜態(tài)回收期

4.1 加熱設(shè)備初投資

（1）電熱水器型號(hào)按儲(chǔ)水式，150 L 立式，輸入功率3 kW，工程價(jià)格為2 300 元/臺(tái)（中上品牌）。

（2）燃?xì)鉄崴靼醇礋崾?，產(chǎn)水量11 L/min，恒溫出水，工程價(jià)格為2 300 元/臺(tái)(中上品牌)。

（3）空氣源熱泵熱水機(jī)組立式水箱容積為150 L，輸入功率不小于0.8 kW，名義制熱量不小于3.11 kW，工程價(jià)格為4 000 元/套（中上品牌）。

（4）整體式太陽能熱水器（承壓式）水箱容積150 L，集熱器面積約2.5 m2，帶電加熱2 kW，配置恒溫混水閥，工程價(jià)格為7 000元/套(中上品牌)。

4.2 空氣源熱泵及太陽能熱水器靜態(tài)回收期

空氣源熱泵及太陽能熱水器為可再生能源加熱設(shè)備。它們的初投資要大于電熱水器和燃?xì)鉄崴?，但減少了常規(guī)能源用量和日常使用費(fèi)，其靜態(tài)回收期為：Yt=Wz/Wj。

式中，Yt為空氣源熱泵或太陽能熱水器（系統(tǒng)）的靜態(tài)回收期（單位：年）；Wz為空氣源熱泵或太陽能熱水器（系統(tǒng)）與常規(guī)能源熱水器相比增加的初投資；Wj為空氣源熱泵或太陽能熱水器（系統(tǒng)）的簡單年節(jié)約電費(fèi)。

4.2.1 空氣源熱泵熱水機(jī)組Yt

住宅生活熱水一年使用天數(shù)按365 天計(jì)，則空氣源熱泵熱水機(jī)組與常規(guī)能源熱水器相比增加的初投資Wz=4 000-2 300=1 700 元/套；年節(jié)能量ΔQs1=5.46×365=1 993 kWh/（年戶）；Wj=1993×0.56 元/（kWh）=1116 元/（年戶）。則空氣源熱泵熱水機(jī)組的靜態(tài)回收期Yt=1700/1116=1.52 年。

4.2.2 太陽能熱水器

太陽能熱水器與常規(guī)能源熱水器相比增加的初投資Wz=7 000-2 300=4 700 元/套；年節(jié)能量ΔQs2=4.69×365=1 712 kWh/（年戶）；Wj=17 120.56 元/（kWh）=959 元/（年戶）。則太陽能熱水器的靜態(tài)回收期Yt=4 700/959=4.90 年。

經(jīng)過計(jì)算分析，上述4 種能源熱水器（系統(tǒng)）技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能詳見表1。

表1 4 種能源熱水器（系統(tǒng)）技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表

5 結(jié)論

通過對寧波市普通住宅電、燃?xì)狻⒖諝饽?、太陽能? 種能源熱水器（系統(tǒng)）的能源耗量、使用費(fèi)用、常規(guī)能源替代量及可再生能源加熱設(shè)備靜態(tài)回收期的計(jì)算和分析，可得到以下結(jié)論：

（1）4 種能源熱水器（系統(tǒng)）中，電熱水器和燃?xì)鉄崴鳛槌Ｒ?guī)能源熱水器；空氣源熱泵和太陽能熱水器（系統(tǒng)）為可再生能源熱水器（系統(tǒng)）。從節(jié)能、使用費(fèi)用和運(yùn)行控制等方面考慮，空氣源熱泵熱水器（系統(tǒng)）為最佳選擇，太陽能熱水器（系統(tǒng)）次之。

（2）對于常規(guī)能源熱水器，燃?xì)鉄崴鞅入姛崴魇褂觅M(fèi)用低、加熱速度快、出水恒溫、安裝維護(hù)方便，且能源效率高，應(yīng)優(yōu)先選用。但當(dāng)（寧波市）住宅實(shí)行峰谷電價(jià)格時(shí)，在22：00—8：00（第2 天）時(shí)段，谷電價(jià)格是峰電的一半，此時(shí)，電熱水器使用費(fèi)與燃?xì)鉄崴飨嘟?。?dāng)項(xiàng)目不具備安裝燃?xì)鉄崴鳁l件時(shí)，電熱水器也可替代使用。