上海某别墅小区集中热水系统节能方案分析及效益验证

姜 莎

上海碳索能源服务股份有限公司

0 前言

人们生活水平的不断提高，建筑服务品质的需求也在逐步提升。集中式热水供应方式以其安全、方便和节省居住空间等优势，被越来越多的别墅小区作为标准的配套设施。但许多集中式热水系统在建造时，所选的制热设备能效较低，后期出现了严重的“运行成本超支”问题。

低能效的热水加热设备给后期运行成本带来能源浪费问题，与我国目前实施的节能减排政策和提倡能源消费发展社会趋势相违背，不仅给别墅运行管理带来了不良的集中热水系统经营体验，也阻碍了别墅建筑的绿色可持续发展。

以上海某别墅小区热水系统改造案例，对比了几种不同的节能改造方案的节能性及其热水成本，通过追踪改造后热水系统能耗指标，验证其经济成本，证实了所选改造方案的可行性，对未来类似现场条件的别墅小区进行集中式热水系统设计及改造，提供节能案例与数据支撑。

1 工程概况

本文所介绍的高档住宅小区——别墅建筑位于上海市杨浦区，建设用地面积50 578 m2，总建筑面积122 988 m2，地上共五层，最高建筑高度15.9 m。该小区共设有288户住户，入住率全年平均60%左右，生活热水采用集中式生活热水的供给方式。该热水系统与生活给水系统、制热的电热水炉、生活水箱及水泵分别设置于地下一层的四个机房内，分别供应4 个方向的不同片区住户用水，热水系统的供水温度50 ℃，回水温度45 ℃。改造前热水系统原理图见图1。改造前的热水平均成本为246元/m3，热水成本极高。

2 改造方案分析

针对该小区的热水系统改造需求，在实施改造前，本项目研究了三种不同热水制热系统改造方案，并将各方案的节能性和成本进行了对比分析。

2.1 热水使用条件

别墅小区集中热水24h供应的需热量：

用水量=定额×人数×户数(户)×入住率×日均用水率

式中：定额选取85(L/人·天)，假定每户平均有3.5 人，户数为288 户，改造时的入住率为60%，日均用水率为90%。

全年日均需热量见式（1）：

式中：Cw—水的比热容，4.187 kJ/kg·℃；

Mw—日均用水量，为(1)中计算水量，55 t；

t1—热水加热终温，55 ℃；

t0—全年待加热的生活用水平均初始温度，15 ℃。

由式（1）计算得出：全年平均日需热量约为2 559 kWh。该项目在改造之初进行了三种集中热水制热系统的对比研究：方案一为空气源热泵热水系统；方案二为太阳能热水系统；方案三为地源热泵热水系统。以下为三种方案的介绍、节能量及运行能耗成本(暂不考虑自来水费用、输送成本及保温成本)计算分析。

2.2 各改造方案设计

1)空气源热泵热水系统

图1 原热水系统原理图

空气源热泵热水机组在全年制热水的平均COP一般可以达到3.5，由上节全年平均日需热量，在不考虑制热时热损失，选择空气源热泵制热功率共约400 kW。该方案的主要特点是空气源热泵热水机组受环境温度影响较大，在上海冬季最恶劣环境工况下，制热效率较低。

2)太阳能热水系统

太阳能系统化选型时，结合上海当地气象参数，保证夏季太阳辐照强度良好日均55 t 用水量进行选型计算，计算公式见式（2）。

Ac——太阳能系统集热器面积，m2；

Qw——日均用水量，55 m3；

Cw——水的定压比热容，4.18 kJ/（kg·℃）；

tend——热水的终端温度（用水温度），55 ℃；

ti——水的初始温度，15 ℃；

Jt——当地集热器采光面的年平均日太阳辐照量，13.1 MJ/m2；

f——太阳能保证率，取50%；

ηcd——集热器全日集热效率，取0.5；

ηL——管路及储水箱热损失率，无量纲，此处取0.2。

经计算，所需的集热器面积约大于880 m2。太阳能系统设计时，需要考虑系统建设的经济性，一般情况下，在大部分日照时间内，太阳能热水系统覆盖生活热水热量，日照强度不足时仍然采用辅助热源进行集中加热，才可以保证高质量（55 ℃以上水温）热水供应，否则，太阳能热水系统建设工程造价较高。

3)地源热泵热水系统

地源热泵热水系统所要吸收的低品位热量来自土壤，土壤热全年相对稳定，可以选择地源热泵热水机组提供生活热水的热源。同时该小区原空调系统的冷热源采用了地源热泵空调机组，现场具备埋管井，可以利用此条件实施地源热泵机组制取生活热水。经计算，选择地源热泵制热量需为400 kW。

2.3 各方案能耗对比

根据上文所述的设计三种节能方案，与原来电热水炉运行能耗数据进行对比分析，结果见图2～图4，三种方案节能量对比见图5。

图2 原电热水炉与空气源热泵热水系统的逐月能耗对比图

图3 原电热水炉与太阳能+辅热热水系统的逐月能耗对比图

图4 原电锅炉系统与地源热泵热水系统的逐月能耗对比图

图5 三种方案节能量对比图

与原电热水锅炉系统相比，空气源热泵热水系统、太阳能+辅热热水系统、地源热泵热水系统三种方案在节省电耗上，均存在一定的优势。通过计算，制热全年平均节能率分别为：62%、59%、65%。对比三种方案的节能优势可以发现：太阳能+辅热热水系统在夏季制热效率较高，而地源热泵系统全年受室外环境影响较小。

2.4 各方案制热成本对比

在进行成本计算时，考虑了MD值的因素，采用了小区的平均用电单价(0.7 元/kWh)。节省用电成本高低与初始水温有关，节约成本逐月趋势基本一致。空气源热泵热水系统、太阳能+辅热热水系统、地源热泵热水系统三种方案计算日平均制取50 t热水，年平均成本分别为 18.05 元/m3、16.59 元/m3，11.13 元/m3。原电热水炉与空气源热泵热水系统的逐月成本对比见图6，原电热水炉与太阳能+辅热热水系统的逐月成本对比见图7，原电热水炉与地源热泵热水系统的逐月成本对比见图8。

图6 原电热水炉与空气源热泵热水系统的逐月成本对比图

图7 原电热水炉与太阳能+辅热热水系统的逐月成本对比图

图8 原电热水炉与地源热泵热水系统的逐月成本对比图

3 热水改造效益

集中式生活热水加热的能耗主要是用来提供生活热水温升时所需要的热量和热水生产过程中损耗的热量，这不仅需要高能效的制热设备还需要一套良好的保温热水体系。根据小区当时现场条件(原空调系统采用地源热泵空调机组，具备地埋管道)，热水改造实际选用了地源热泵热水系统。并且通过一期工程和二期工程的实施确认热水改造成本变化。

3.1 一期改造节能成果

一期改造工程：将原来生活水箱改造成保温水箱，采用板式换热器将电热水炉与生活水箱隔离，重新敷设主热水供水主管道保温。不仅避免了水管中由于电加热产生的大量水垢进入用户末端，也提高了热水输送效率。经过近半年的测试，热水成本降至146 元/m3。一期改造热水系统原理图见图9。

3.2 二期改造节能成果

该小区共有288 户住户，分别通过四个热水机供水房热。热水分配情况：1#机房热水供给54户，2#机房热水供给66 户，3#机房热水供给82 户，4#机房热水供给86 户。二期节能改造工程是在一期工程改造的基础上，通过采用地源热泵作为热水加热的主热源，原电热水炉仅作为补充热源进行改造。二期改造热水系统原理图见图10。

改造后，通过一年时间的热水成本监测，热水成本范围监测数据见表1，每个机房表具设置范围均相同。热水成本采用计算公式：

热水成本=耗电费用/天数/水量，

其中，耗电费用=1.2 元/kWh×峰电电量+0.75元/kWh×平电电量+0.4元/kWh×谷电电量

经过一年时间周期的监测用水量及电费数据记录，热水逐月能耗成本统计计算见图11。由分析得出，在制热初始水温及系统热耗损失相同条件下，四个机房的能耗变化趋势基本一致。

表1 表具设置情况表

图11 四个机房热水耗电量逐月对比图

由图12可知，各季节生活热水使用存在一定差异，但可以看出热水使用的整体趋势：夏季用热水量小于冬季的热水用量。四个机房全年热水成本统计见表2。该小区全年热水成本达到了30.67元/m3的均值，与最初的246 元/m3相比，热水供给成本显著降低。

图12 四个机房热水用量逐月对比图

表2 全年热水成本统计表

4 结论与建议

本文通过对上海某别墅小区的生活热水系统改造前后的设计方案节能性对比，以及对小区四个机房所采用再保温，实施地源热泵热水系统后的数据监测，验证了热水系统改造后的节能经济效益显著，得出以下结论与建议。

1)空气源热泵热水系统、太阳能+辅热热水系统、地源热泵热水系统均有应用在建筑生活热水系统中，且具有节能优势，在方案选择时需充分考虑现场的实施条件。

2)在前期进行大型集中热水建设规划时，不能仅考虑投资成本，还要从优化运行经济效益出发，优先选用高能效设备；施工时，保证管道及热水水箱的保温层厚度和质量需求，特别是隐蔽工程，后期无法进行再保温维护，尤其在冬季会产生较多的热损失。

3)在集中热水建设初期进行热水成本核算时，除了本文所介绍的简单方式，还可将各种影响因素考虑在内，并建立一定合理性相对准确的数学模型，利用能耗模拟软件进行数据计算，可求得相对精确的周期性数据，为今后热水系统节能项目，特别是合同能源管理项目提供科学依据。