基于技术经济性能下的住宅热水系统选择

■ YIN Weiqiang CHENG Jianhua

0 引言

住宅生活热水系统是人们必不可少的系统，合理配置生活热水系统非常重要。住宅可选用的热水系统有可再生能源热水系统和常规能源热水系统，太阳能是可再生能源。2012 年10 月开始实施的《浙江省可再生能源开发利用促进条例》，明确要求在浙江省建设工程中推广应用可再生能源。浙江省《居住建筑节能设计标准》（DB 33/1015—2015）要求，“住宅建筑应为全体住户配置太阳能或空气源热泵热水器；有生活热水需求的非住宅类居住建筑宜为全体住户配置太阳能或空气源热泵热水系统”。因此，自2016 年以来，空气源热泵热水系统和太阳能热水系统在浙江省居住建筑中应用十分广泛。

宁波市住房和城乡建设委员会也发文要求可再生能源应用与建筑一体化设计，居住建筑设计时，应设置设备平台供空气源热泵或太阳能热水设备安装使用。但实际工程交付使用后，有部分业主拆除空气源热泵或太阳能热水设备，把设备平台扩展改造为书房或卧室使用，而生活热水改为采用燃气热水器或电热水器设备。针对上述情况，宁波市住房和城乡建设局在发布《宁波市空气源热泵与太阳能热水系统应用技术细则》（2019甬DX—07）以控制设备平台非法改造的同时，要求对住宅常用的电热水器、燃气热水器、空气源热泵热水器及太阳能热水器做技术经济分析。

1 住宅热水器（系统）种类及主要参数

宁波地区类似的夏热冬冷地区住宅常用热水器（系统）有4 种，即：电热水器、燃气热水器、空气源热泵热水器（系统）和太阳能热水器（系统），其主要工作原理及市场常见技术参数如下。

1.1 电热水器

电热水器主要分储水式和即热式两种，其工作原理为：通过加热元件将电能转化为热能，热能传递给冷水后，使水升温。两种电热水器均为承压式，冷水进水压力一般不小于0.1 MPa。

1.1.1 储水式电热水器

储水式电热水器有一储水罐，可以储存预先加热的热水。有立式储水罐和卧式储水罐2 种方式。

居住建筑常用的立式储水电热水器主要有100 L、150 L、200 L、300 L，其功率根据各种品牌略有不同，一般为2 kW、3 kW、6 kW，需要配置设备平台、设备阳台或露台等设施供设备安装使用；卧式储水式电热水器常用的有40 L、60 L、80 L、100 L，配置功率根据不同品牌一般为1.5 kW、2 kW、3 kW，可放置于卫生间或厨房间吊顶内。

1.1.2 即热式电热水器

即热式电热水器，顾名思义，就是冷水通过电热水器加热后，即能产生达到使用温度的热水。此种电热水器快速加热但无储水容积，因此体积小，但配置的功率较大，一般不小于8 kW，大部分为12 kW 左右。

1.2 燃气热水器

燃气热水器的工作原理是通过燃气的燃烧产生热能，并将热能传递给冷水，使水升温。这是一种快速承压式热水器，几秒内能达到热水使用的温度，且出水能够达到恒温。其冷水进水压力一般要求不小于0.1 MPa，体积较小，便于安装。产热水能力依据不同品牌有所不同，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。这里的产热水能力是指在规定的燃气条件下（在基准气体，额定压力），燃气热水器工作在最大热负荷下，供水压力为0.1 MPa，温升折算到25℃时每分钟流出的热水量[1]。在气源、水压稳定的条件下，不同季节的冷水进水温度、热水出水温度不同，同一款热水器的产水量也是变化的：夏季产水量高，冬季产水量低。

1.3 空气源热泵热水器（系统）

空气源热泵热水器（系统）的工作原理是：通过输入少量的电能，使系统循环工质（即制冷剂）在蒸发器中通过相变（液态→气态）吸收空气中的热量（低温热能）；再经压缩机工作转变为高温热能，被输送到冷凝器中，通过相变（气态→液态）将热量释放到进入冷凝器的冷水中，水被加热成高温热水，直接进入保温水箱；经过相变放热的循环工质以液态形式进入膨胀阀（节流装置），经节流降压后，再进入蒸发器中通过相变吸热；循环工质不断地将空气中的热量转移至冷凝器中，进入冷凝器的冷水再不断地被加热成高温热水储存到水箱中供用户使用（图1）。

空气源热泵热水器在浙江省属于可再生能源应用热水系统，其空气源热泵主机标准工况下的性能系数（即名义COP）可以达到3.7～3.9[2]，比较节能；但空气源热泵热水器的制热能力随着环境气温的降低而降低，它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度在-10℃以上的地区，不太适合北方寒冷地区使用。空气源热泵热水器分为家用型和商用型两种规格。目前，空气源热泵热水器的冷媒主要是氟利昂，一般制备热水温度为55℃，冬季最冷月时水温略有下降。因此，家用型空气源热泵热水器宜配置电辅助加热棒，商用型空气源热泵热水系统应配置辅助加热器，以保证冬季最冷月的热水供水温度和供水量；同时，能防止生活热水中产生军团菌（军团菌在55～60℃[3]热水中不能生存），使生活热水水质符合国家行业标准《生活热水水质标准》（CJ/T 521—2018）。

住宅一般使用的为家用型热水器，按其构造形式分为一体机和分体机。家用型空气源热泵热水器按其储水箱容积常用的有100 L、150 L、200 L、300 L，均为立式水箱，需放在设备平台上。其COP 分为5 个等级，其中，1 级最高，2 级为节能认证的最小值，宁波市要求3 级（家用机性能系数为3.80）及以上才可以应用于工程建设中。

1.4 太阳能热水器（系统）

太阳能热水器（系统）的工作原理为：通过太阳能集热器将太阳能转化为热能，并将热能传递给冷水后加热。

太阳能是可再生能源，太阳能热水器分为直接加热和间接加热2 种方式。按系统集中程度，可分为集中式热水系统、半集中式热水系统和分散式热水系统。居住建筑每户独立设置分散式太阳能热水系统，常以电加热作为辅助加热，其供水方式有承压式和非承压式两种。其中，承压整体式太阳能热水系统（图2）出水管路上应配置恒温混水阀等温度调节设施，以防止供水处温度超过60℃。因为整体式太阳能热水器夏季水温可高达95℃以上，直接供水存在极大的烫伤风险，这是国家规范不允许的[4]。

图1 家用型承压分离式空气源热泵热水系统及控制原理图

图2 承压整体式太阳能热水系统及控制原理图

2 各种热水器的技术经济分析

2.1 住宅生活热水量标准、使用人数及冷水温度的确定

按宁波市普通住宅年每人每日平均生活热水用水量标准q0=40 L/d（60 ℃）取值，每户使用人数取m=3.5 人/户，全年平均冷水温度取tl=15℃。

2.2 每户年平均需热量计算

每户年平均生活热水用水量V0=mq0=40×3.5=140 L/（d户）（60℃），则每户年平均日需热量为：

式中：Q0为每户年平均日需热量（单位：kWh）；q0为年均每人每日热水用水量标准（单位：L/d）；m为平均每户人数；V0为年平均每户每日热水用水量（单位：L/（d 户））；tr为热水温度；tl为年平均冷水温度；C为水的定压比热容，C=4.187 kJ/（kg℃）；ρ为水的密度（单位：kg/L）。

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

2.3 电、天然气、空气能、太阳能四种热水器能源消耗量及费用

2.3.1 电热水器的用电量及使用费

电热水器按储水方式，使用效率按0.9 计算，热量损失取5%，则每户电热水器消耗的日用电量为：N1=Q0/（0.9×0.95）=7.3/（0.9×0.95）=8.53 kWh/d。

按宁波市居民电价0.56 元/（kWh）（不考虑电梯度价格）计，则用电费用为：8.53×0.56=4.78 元/d。

2.3.2 燃气热水器的天然气用量及使用费

1 m3天然气热值取35 170 kJ，天然气热水器效率为 0.84[5]，则每户天然气热水器需消耗的日天然气量为：V=26 280/（35 170×0.84）=0.89 m3/d，折算电量为8.69 kWh/d。

按宁波市居民天然气价格2.95 元/m3（不考虑气梯度价格）计，则用气费用为：0.89×2.95=2.63元/d。

2.3.3 家用型空气源热泵热水机组用电量及使用费

空气源热泵热水机组的系统全年平均能效比取2.5[6],热量损失取5%，则每户热泵机组日耗电量为：N2=7.3/（2.5×0.95）=3.07 kWh/d。

按宁波市居民电价0.56 元/（kWh）（不考虑电梯度价格）计，则用电费用为：N3=（7.3×50%）/0.95=3.07×0.56=1.72 元/d，即热泵热水器使用费用为1.72 元/d。

2.3.4 太阳能热水器（系统）用电量（系统采用电辅助加热）

太阳能热水器（系统）的保证率为50%，即由太阳能热水器提供的热量占住宅生活热水总需热量的50%。住宅顶层常用的太阳能热水器有2种，即：直接加热自然循环热水器（整体式太阳能热水器）和间接加热分离式太阳能热水系统。上述两种太阳能热水器的辅助加热均按电加热考虑，且按直接加热自然循环计算，热量损失取5%，则每户每日太阳能热水器（系统）的用电量为：N3=（7.3×50%）/0.95=3.84 kWh/d。

按宁波市居民电价0.56 元/（kWh）计，每户使用费用为：3.84×0.56=2.15 元/d。

3 各种热水器的常规能源替代量

以电为基准能源，计算上述4 种能源热水器的常规能源替代量。

3.1 电热水器的常规能源替代量

电是常规能源，其常规能源替代量为零。电作为高品位能源，其能源效率比较低（由煤发电的效率平均为33%），一般电热水器的加热效率为90%。

3.2 燃气热水器的常规能源替代量

天然气亦为常规能源，其常规能源替代量为零。家用型天然气热水器的加热效率为0.84，1 m3天然气提供的热量取35 170 kJ，相当于9.77 kWh 电的热量。则天然气热水器与电热水器折算用电量比为：V/N1=8.69/8.53=1.02；每户每日天然气热水器相对于电热水器折算用电量差值为：8.53-8.69=-0.16 kWh/（d 户）。

燃气热水器的折算用电量略大于电热水器的用电量，是电热水器的1.02 倍，非常接近。但电是高品位能源，从总的能源效率来看，燃气热水器要大于电热水器。

3.3 空气源热泵热水器的常规能源替代量

空气能是可再生能源，家用型空气源热泵热水机组全年平均能效比取2.5，考虑储水罐热量损失取5%，热泵机组耗电量为2.92 kWh。则每户每天节能量为：8.53-3.07=5.46 kWh/（d 户）；用 电 比为：N2/N1=3.07/8.53=0.36，即 空气源热泵热水器与电热水器用电比为0.36：1。

3.4 太阳能热水器的常规能源替代量

太阳能是可再生能源，考虑储水罐热量损失取5%，每户每日耗电量为3.84 kWh。每户每天节能量为：8.53-3.84=4.69 kWh/（d 户）；用电比为：N3/N1=3.84/8.53=0.45，即太阳能热水器与电热水器用电比为0.45：1。

4 各种热水器的初投资及静态回收期

4.1 加热设备初投资

（1）电热水器型号按储水式，150 L 立式，输入功率3 kW，工程价格为2 300 元/台（中上品牌）。

（2）燃气热水器按即热式，产水量11 L/min，恒温出水，工程价格为2 300 元/台(中上品牌)。

（3）空气源热泵热水机组立式水箱容积为150 L，输入功率不小于0.8 kW，名义制热量不小于3.11 kW，工程价格为4 000 元/套（中上品牌）。

（4）整体式太阳能热水器（承压式）水箱容积150 L，集热器面积约2.5 m2，带电加热2 kW，配置恒温混水阀，工程价格为7 000元/套(中上品牌)。

4.2 空气源热泵及太阳能热水器静态回收期

空气源热泵及太阳能热水器为可再生能源加热设备。它们的初投资要大于电热水器和燃气热水器，但减少了常规能源用量和日常使用费，其静态回收期为：Yt=Wz/Wj。

式中，Yt为空气源热泵或太阳能热水器（系统）的静态回收期（单位：年）；Wz为空气源热泵或太阳能热水器（系统）与常规能源热水器相比增加的初投资；Wj为空气源热泵或太阳能热水器（系统）的简单年节约电费。

4.2.1 空气源热泵热水机组Yt

住宅生活热水一年使用天数按365 天计，则空气源热泵热水机组与常规能源热水器相比增加的初投资Wz=4 000-2 300=1 700 元/套；年节能量ΔQs1=5.46×365=1 993 kWh/（年户）；Wj=1993×0.56 元/（kWh）=1116 元/（年户）。则空气源热泵热水机组的静态回收期Yt=1700/1116=1.52 年。

4.2.2 太阳能热水器

太阳能热水器与常规能源热水器相比增加的初投资Wz=7 000-2 300=4 700 元/套；年节能量ΔQs2=4.69×365=1 712 kWh/（年户）；Wj=17 120.56 元/（kWh）=959 元/（年户）。则太阳能热水器的静态回收期Yt=4 700/959=4.90 年。

经过计算分析，上述4 种能源热水器（系统）技术的经济性能详见表1。

表1 4 种能源热水器（系统）技术经济分析表

5 结论

通过对宁波市普通住宅电、燃气、空气能、太阳能等4 种能源热水器（系统）的能源耗量、使用费用、常规能源替代量及可再生能源加热设备静态回收期的计算和分析，可得到以下结论：

（1）4 种能源热水器（系统）中，电热水器和燃气热水器为常规能源热水器；空气源热泵和太阳能热水器（系统）为可再生能源热水器（系统）。从节能、使用费用和运行控制等方面考虑，空气源热泵热水器（系统）为最佳选择，太阳能热水器（系统）次之。

（2）对于常规能源热水器，燃气热水器比电热水器使用费用低、加热速度快、出水恒温、安装维护方便，且能源效率高，应优先选用。但当（宁波市）住宅实行峰谷电价格时，在22：00—8：00（第2 天）时段，谷电价格是峰电的一半，此时，电热水器使用费与燃气热水器相近。当项目不具备安装燃气热水器条件时，电热水器也可替代使用。