多种热水系统实例的节能对比分析

王士军，刘 珊，刘 颂(上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108)

建筑节能已成为我国节能减排工作的重点，各重点用能单位都建立了节能减排的计划，并在“十三五”期间实施了多项节能改造项目。本文所述项目为上海某科研实验楼，建筑面积约 23 000 m2，需要长期稳定供应热水，每日需求的热水供应量也基本持平，目前采用电加热热水系统供应热水。为响应国家节能减排的号召，需对电加热热水系统进行节能改造。在改造电加热热水系统过程中对各种热水供应方式耗能情况进行统计、分析、比较，核算项目的投资回报率和节能减排量。

电加热热水系统以电力为能源，而空气源热泵和太阳能热水系统都利用了可再生能源取热，所以更加符合节能减排理念。空气源热泵热水系统是利用逆卡诺原理，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩，以利用极少电能变为高温热能的热泵技术。其缺点是由于空气能是分散、低品位的能源，制热速度慢，制热效率不高，甚至受地域限制，在冬季寒冷地区盘管容易出现结霜的问题。太阳能热水系统是指将通过太阳能集热器把太阳能转换成热能，再通过热水循环泵输送到储热水箱。太阳能热水系统高效节能、绿色环保是其显著优势，缺点则是能效利用不连续、不稳定，受到太阳辐照因素影响较大，特别是在冬季辐照度低的季节太阳能转换效率更低。

本文重点介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统在实际项目中的节能效果，将空气源热泵和太阳能热水系统二者优势结合起来。同时有效避免劣势，成为环保节能、运行稳定、能源利用率高的建筑节能推广项目。通过比较电加热热水供应方式、空气源热泵热水供应方式、空气源热泵辅助太阳能热水系统相结合的热水供应方式的运行能耗情况，以空气源热泵辅助太阳能热水系统相结合的节能减排效果更加突出。

1 电加热热水供应方式

电加热热水系统是让电流通过电阻丝发热来加热热水的系统。具有加热均匀、供热量稳定、效率高、结构紧凑、反应灵敏以及便于实行自动控制等优点。但是，用电加热器要耗费较多电能，电阻丝加热存在漏电等不安全因素，且电阻丝的使用寿命有限，所以加热量较多的部位不宜采用电加热器。

原日均电热水炉用电量见图 1，电加热热水系统耗能统计时间周期为 2019 年 7 月 17 日～2019 年 8 月 3 日。

图 1 日均电热水炉用电量

根据统计的电加热用电量可知，每日电加热的用电量基本维持在 320.00 kWh 左右，这说明每日热水供应的需求量基本稳定。

2 空气源热泵热水供应方式

空气源热泵热水系统组成包括空气源热泵机组、蓄热水箱、循环水泵、管路。热水通过空气源热泵加热，经由循环水泵到蓄热水箱中，再从蓄热水箱供至用户。空气源热泵热水系统与太阳能热水系统架构类似。空气源热泵压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经在水箱外面的换热铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器。由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。在空气源热泵机组风扇的作用下，大量的空气流过空气源热泵蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气释放。随后吸收了一定能量的冷媒回流到空气源热泵压缩机，不断进行循环吸收空气中的热量。

本次选用 3 台额定制热量为 45 kW 的空气源热泵热水机，系统供应热水统计时间周期为 2019 年 8 月 5日～2019 年 8 月 18 日。空气源热泵系统每日用电量基本维持在 116.00 kWh 左右，见图 2。

图 2 日均空气源热泵用电量

空气源热泵热水系统改变了传统的电热元件、燃料直接加热的方式，从而杜绝了漏电、漏气等安全隐患，具有更卓越的安全性能。空气源热泵热水系统出水量大，出水温度稳定，保证热水 24 h 充足供应，使用舒适度高。空气源热泵热水系统只是将周围空气中的热量转移到水中，完全做到零排放，绿色环保模块化设计，节能效果明显，运行费用很低。通过实际使用空气源热泵热水系统的数据分析，耗电量只有电加热的 1/3。

空气源热泵系统可以单独产生热水，也经常用在太阳能系统中，作为系统的辅助热源。

3 空气源热泵辅助太阳能热水系统相结合供应

空气源热泵辅助太阳能热水系统充分利用了可再生无污染的太阳能资源，通过高效的热泵技术使资源得到最有效的利用，是目前制备热水最节能的方式之一。

本次太阳能热水系统安装金属玻璃真空管太阳能集热器60 组，集热器集热面积 120 m2，为短期蓄热集中，强制循环、二次换热太阳能热水系统。采用由太阳能集热器产生的热水为主热源，集中供给各用热水点，并设有热水循环泵强制同程机械循环、动态回水，以保证热水供回水温度 60 ℃/55 ℃。

太阳能热水系统循环采用定温温差循环，即当集热器温度 T 1-储热水箱温度 T 2≥8 ℃ 时，系统循环泵启动，集热器中的高温热媒输送至容积式水箱进行换热。当水箱温度 T2 达到设定温度 60 ℃，或集热器温度 T 1-储热水箱温度T2 ≤2 ℃ 时，系统循环泵停止运行。

本次空气源热泵辅助太阳能热水系统统计时间周期为2019 年 8 月 18 日～2019 年9 月 18 日。气源热泵辅助太阳能热水系统每日用电量基本维持在 70.00 kWh 左右，见图 3。

图 3 日均空气源热泵辅助太阳能热水系统用电量

4 结 语

通过比较电加热热水系统、空气源热泵系统、空气源热泵辅助太阳能热水系统，可以看出 3 种形式的供热水系统日均能耗情况。如果将电加热系统的能耗当作 1，则空气源热泵供热水可实现节能率为 68%，空气源热泵辅助太阳能热水系统供热水可实现节能率为 78%，以上节能率还忽略了夏冬季温度变化因素、天气多云等因素的影响。通过估算，目前该科研实验楼采用空气源热泵辅助太阳能热水系统形式可以实现年能耗节约量为 100 000.00 kWh，等价节约了约360 GJ，减少了约 100 t CO2的排放。

本文重点介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统在实际项目中的节能效果，将空气源热泵和太阳能热水系统二者优势结合起来。同时有效避免劣势，成为环保节能、运行稳定、能源利用率高的建筑节能推广项目。