清华大学学生宿舍生活热水系统选型及经济性分析

王屹航，耿 杰，马栓宝，宓 林，张 肖，任 莹，杨海勇，李 一

（清华大学 基建规划处，北京 100084）

近年来，能源消耗日益加剧，碳中和、碳达峰已成为世界各国聚焦关注的重点问题。2020 年，我国提出2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和节能减排目标[1]。目前，我国建筑能耗大概占整个社会总耗能的30%[2]。相关探索指出，民用建筑的最大热水耗能约占建筑总耗能的两成[3]，商业建筑的最大热水耗能更是可达到建筑总耗能的四成[4]。随着未来经济的增长和人民美好生活需要的持续增加，生活中的热水使用将不可避免地增加，因此减少能源资源的浪费，寻求科学的热水供应方式将是降耗节能、实现碳中和的重要支撑[5]。

空气源热泵热水系统具有环保性显著、初始投资低、安全可靠等优点，是能效比最高的热水设备之一。其利用较少的电能消耗作为驱动力，将空气中无穷无尽的低品位热能转化为可供给高温热源的高品位热能，并通过换热器给进水加热，达到供给热水的目的。空气源热泵热水系统利用了空气中无限大的低品位热能，能源利用率更高，通常每消耗1 kW 的电能就可以从空气中吸收2～6 kW 的低品位热能，显著地降低了热水制备的总能耗，并且相比较传统燃气锅炉等方式，空气源热泵热水系统整体过程无空气污染、碳排放量低、安全、环保，因此具有较为广阔的应用前景，将会为我国实现碳中和、碳达峰的节能减排目标提供有力的支持[6-9]。

本文对空气源热泵特点、原理进行了详细介绍，并基于清华大学3、4 号楼学生宿舍加固修缮项目生活热水系统的设计选型，将空气源热泵与传统生活热水系统进行了对比与经济性分析，分析结果表明，除极端天气情况外，空气源热泵热水系统是项目工况的最优选择，可以做到节能、降耗与安全、可靠并重，因此此次设备选型对于未来北方地区生活热水系统改造，集中供给热水、暖气提供了可靠的案例经验与思路。同时本文结合项目经验，成功在安装过程中解决了空气源热泵系统的噪音震动问题，为后续空气源热泵热水系统的成熟发展与推广奠定基础。

1 项目概况

3 号楼和4 号楼的学生宿舍（如图1 所示）在清华大学的中心，属于解放后建设的第一批教师宿舍，后改为学生宿舍，同期建成的教师宿舍共4 栋为1-4 号楼，由著名建筑学家梁思成设计。从上空俯视1-4 号楼呈两个回字形，建筑样式古朴、极具中式建筑风格。此次加固修缮项目仅包括其中的3、4 号楼学生宿舍，主要为提升老楼配套基础设施，保障学生学习生活的环境质量。

图1 清华大学3 号和4 号学生宿舍楼

3、4 号楼学生宿舍加固修缮项目设计采用集中生活热水系统，由于学生宿舍有防火要求，项目无法使用燃气、燃煤锅炉，同时由于周边无配套集中供热管线，宿舍楼无法与集中供热水管路相连，并且楼宇周边无配套大功率供电基础，该项目无法使用电锅炉与即热式电热水器。在保证工程顺利进展、宿舍房间充分保留的前提下，通过调研与设备选型，最终采用空气源热泵热水机组为宿舍热水系统提供热水热源，如图2 所示。

图2 空气源热泵

2 空气源热泵特点与原理

2.1 空气源热泵热水系统工作原理

空气源热泵使用条件灵活，安装方便，投资较低，具有长远的应用前景，了解空气源热泵的工作原理与系统组成将会对不同工况下推广使用空气源热泵有重要意义。

空气源热泵与普通空调器类似，都遵循逆卡诺循环，通过能量供给将低品位热能提升为高品位热能供给给高温热源，同样也包括一般使用的“四大件”：（1）压缩机；（2）膨胀阀；（3）冷凝器；（4）蒸发器。然而，热泵与空调之间的区别是，供热系数始终大于1。

空气源热泵热水系统整体工作过程如图3 所示，其中空气源热泵端工作流程具体如下。

图3 空气动力原理热能泵热水系统泵

第一，低温和液体压力的降低会使蒸发的空气中的热能持续低强度地吸收，从液体变为低温低压气体。

第二，低温低压的气体工作介质在压缩机的作用下变为高温高压气体，具有可供给高温热源的高品位热能（仅此过程需要消耗电能做功）。

第三，高温高压气体工作介质通过冷凝器散热，成为低温和高压液体工作介质，同时加热冷凝器壳体内冷水，提高水温。

第四，高压低温的液体工质会经过膨胀阀，进行降压处理，重新成为低温低压的液体工质，并再次经过蒸发器重复上述工作流程，周而复始，不断循环。

在空气源热泵的整体作业过程中，工作介质通过压缩机、冷凝器、蒸发器及膨胀阀连续流动、循环，通过蒸发器从空气中获取低品位热能，通过冷凝器对外部进水进行加热释放热量，整体工作流程不断循环，直至低温进水被加热到设定温度[2，10-12]。可见，在空气源热泵整体循环过程中仅有压缩机工作时需要消耗电能提升工质温度与压力，其余能量都来源于无限大的空气能源。研究表明，理想情况下空气源热泵消耗1 倍电能可以从空气中得到3 倍的能量，其节能效果超群[11，13-14]。

2.2 空气源热泵热水系统的分类

空气源热泵热水系统中水的加热方式有两种，分别是即热式与贮水式。即热式加热是利用冷凝器的壳体直接作为贮水容器，使用过程中，低温进水将会直接在冷凝器壳体中被加热，当水温上升到规定温度时，热水从水的出口流出，冷水从水的入口自动补充。即热式加热空气源热泵热水系统主要适用于家用的小型热水器。贮水式加热方式是在冷凝器壳体外单独设置一个贮水箱，低温冷水通过水泵不断从贮水箱流入冷凝器下部进水口，经冷凝器加热后由上部流出回到贮水箱，贮水式加热空气源热泵热水系统主要适用于工业或大型建筑的集中热水供应[6，10]。

空气源热泵热水供给系统集中热水供给的加热模式可以分为直接加热模式和循环模式两种类型。其中，直接加热空气源热泵热水系统为了直接加热，向空气源热泵热水系统的热泵端泵入冷水，水温达到设定的温度后，向供水储存和隔热箱泵入热水；循环式空气源热泵热水系统是将进水直接输送到保温水箱，然后让冷水在水箱与热泵机组间不断泵送不断加热，直到达到设定温度后停止往复过程。循环式空气源热泵热水系统可分为连续循环式加热系统与间接循环式加热系统，其最大区别在于系统水箱设置的数量，间接式循环加热系统需要设置2 个保温水箱，需要先让冷水在小水箱与热水系统空气源热泵主机端之间进行循环加热，当热水达到既定温度后再由水泵泵送至大的保温水箱储存。

直热式空气源热泵热水系统的加热能力更强，具有一定的即时加热功能，主要应用于建筑规模较小、用水量需求较大的工程；循环式空气源热泵热水系统更加稳定，加热时间更短，但不具备即时加热能力，使用时需要提前启动设备加热保温水箱内的水。

2.3 空气源热泵热水系统的特点

空气源热泵热水系统与传统热水系统相比在环保性、节能性、安全性、可靠性等方面都具有很大的优势。

（1）节能方面，空气源热泵热水系统能效比恒大于1，一般工况下能效比也可达到3～4，相比电加热锅炉与燃料锅炉等传统热水系统能效比更高，能耗更低。

（2）环保方面，空气源热泵热水系统无直接排放，无环境污染，相比传统热水系统综合碳排放量更低，环保性更强。

（3）安全方面，空气源热泵热水系统通过制冷工质与冷水进行热交换，水、电分离，不存在漏电等安全隐患，与传统热水系统和即热式电热水器相比，安全性更高。

（4）可靠性方面，空气源热泵热水系统无需传统燃料，不受燃料供应限制，除极端天气外，受天气影响较小，可实现全年无休，全天24 h 的持续性安全运行。

除上述优势外，空气源热泵热水系统相比传统热水系统还具备安装简便、配套基础设施要求低、初期投资费用低等优点。不过，空气源热泵热水系统也有其无法回避的缺点，一是空气源热泵热水系统受室外空气影响较大，研究表明当室外温度处于-6～5℃之间时，空气源热泵系统室外换热器易出现结霜问题，导致整体系统的运行效率降低，结霜严重时甚至可能会影响整体系统的稳定运行[15-16]；二是目前市场对空气源热泵热水系统的认知与认可程度不足，一定程度上限制了空气源热泵热水系统的发展与推广。

2.4 空气源热泵热水系统的经济性分析

空气源热泵热水系统发展至今已经引起了很多专家学者的关注，其经济性分析工作也已经有很多工作成果。

孙干[5]结合北京市相关环保政策，对目前各种供热方式的二氧化碳排放量、系统热效率、初始投资与综合运行成本进行了对比分析，见表1。就供暖系统而言，热泵系统综合运行成本与初始投资相对较高，但二氧化碳排放量较低，环保效果显著；天然气系统成本相对较低，但环保性较差；中深层地热能效比显著，补贴后运行成本较低，具有很长远的应用前景，但是周边配套设施需要完善，不利于应用在简单改造项目中。

表1 不同供热方式的碳排放、热效率及经济性对比分析[5]

车国平[17]基于大连地区使用的空气源热泵系统的全年运行数据，对北方寒冷地区工况下空气源热泵技术应用的情况进行了综合性能分析。分析结果显示，北方寒冷地区针对不同工况下合理进行空气源热泵制热系统设备选型，它能够满足用户的需求，并具有明显的环境保护性能。

封海辉等[18]人通过计算高校公共浴室空气源热泵热水系统的能效比，对空气源热泵热水系统集中热水供应的实际工况进行了参数分析，比较了传统热水系统的标准煤耗与综合运行成本。相关探索指出，在成都地区的普通工况下使用空气源热泵热水机组，只需要花费较低的运行费用就可以得到较高的能源效率，经济、节能效果显著。

本文基于清华大学3、4 号楼学生宿舍加固改造项目生活热水系统设备选型工作，对于不同生活热水系统进行了调研分析与计算对比（见表2），可见空气源热泵热水系统在热水费用成本单项中具有很大的经济优势，在环保与安全因素中也显著领先。因此，综合对比因素，空气源热泵热水系统在宿舍等集中供应热水工况下具有强势的领先地位，可以做到节能降耗与安全可靠并重。

表2 不同生活热水系统的综合对比

3 项目工况下空气源热泵热水系统选型与要求

清华大学3、4 号楼学生宿舍加固修缮项目是学生宿舍翻新、改造项目，以满足学生住宿生活需求为主要目的，因此为保证学生顺利入住，该项目时间紧、任务重，并且由于周边配套基础设施不完善，无法加装电锅炉等大型用电设备，给项目推进与生活热水系统选型带来了极大的困难。

如上文提到，项目施工条件所限无法应用电锅炉、燃气锅炉、集中热水供应等传统热水系统，因此太阳能热水系统、空气源热泵热水系统成为新的设备选型参考。本文针对太阳能热水系统与空气源热泵热水系统进行了文献调研，其对比分析汇总见表3。太阳能热水系统具有环保、能耗低、技术成熟、认可度高等优点，是较为成熟的热水供应技术之一，但其缺点也很明显，会受到天气与自然环境的影响很难保证热水供应的稳定性，安全与可靠性需要靠后期维护保证并且维保成本较高，同时安装受场地限制，需要大面积的安装位置。由于项目施工条件所限，建筑物楼顶为坡屋面无法安装太阳能热水系统，因此只能考虑放弃太阳能热水系统，采用空气源热泵热水系统（具体参数见表4）。

表3 空气源热泵热水系统与太阳能热水系统的对比分析[19]

表4 空气源热泵热水系统详细参数

在确定热水供应系统种类后，对空气源热泵热水系统进行选型，由于北京地区存在极寒天气的可能性，为保证生活热水全年的正常供应，空气源热泵热水系统选择适用环境为-30～43℃的型号。同时根据相关卫生标准要求生活热水储备水水温选取55℃，生活热水储备水水质选用城市自来水，并进行硅磷晶处理。由于建筑物使用水质较硬，因此增加板换将热泵机组与储水箱隔开，通过间接换热加热冷水，避免机组结垢。

空气源热泵热水系统应用于热水集中供应的案例并不多见，温金保、段梦庆、虞良伟等[20-21，11]人分别对于高校学生宿舍与宾馆的用水量计算与热水系统自动控制进行了诸多工作。在参考前人工作后，清华大学3、4号楼生活热水系统将采用两种可选模式分别为每日连续24 h 供应和每日定时供应；洗浴水量将按照45℃洗浴热水每人120 L/次、宿舍85 间、每间2 人、每天的同时使用系数0.8 计算，同时热水储备量按满足1 d 使用量设计，并且储水水箱按0.90 有效容积考虑，尽可能地保证全天24 h 的热水供应与足够的应急储备；此外，由于近年来北京地区寒冬极端天气频发，因此室外管道将采用30 mm 厚B1 级橡塑保温外包裹0.5 mm 厚铝板壳，同时屋面一次加热水管将铺设电伴热做防冻处理，避免极端天气破坏空气源热泵热水系统的安全运行，最大程度保证一年四季稳定的热水供应。

除常规参数计算外，空气源热泵热水系统运行中的噪声问题也在安装过程中得到解决。由于安装位置为宿舍楼顶，因此噪声除空气传播外还会通过楼板震动传播，为了解决机组的振动噪音，项目采用双层阻尼减震模式，隔振率达到了98.27%，有效降低了热泵机组的噪声传播与震动传递，为后续空气源热泵的发展积累了宝贵的施工经验。

4 总结与展望

空气源热泵热水系统具有能效比高、环保节能显著、安全可靠稳定等优势，在热水集中供应项目中具有长远的发展前景，同时由于安装方便、施工简单，在老楼修缮改造的项目中尤为适用，可以做到节能降耗与安全稳定并重，同时还能保证足够的经济性。本文基于清华大学3、4 号楼学生宿舍加固修缮项目生活热水系统的设计选型，对空气源热泵特点、原理进行了详细介绍，并将空气源热泵与传统生活热水系统进行了对比与经济性分析。结果表明，由于施工条件所限，空气源热泵热水系统是项目工况的最优选择，同时对比分析结果也可以明确得出空气源热泵热水系统热水加热成本低与显著环保性等强势优势。因此，本次设备选型对于未来北方地区生活热水系统改造、集中热水供给、集中供暖提供了可靠的案例经验与思路，同时在设备安装过程中成功解决了空气源热泵系统噪音震动问题，为后续空气源热泵热水系统的成熟发展与推广奠定基础。