“双碳”背景下的住宅热水水路设计的思考

高 宇， 刘梦妍

(1.合肥城市学院，安徽 合肥 230071； 2.安徽省工程与建设杂志社，安徽 合肥 230091)

0 引 言

中国城市化进程依然在高速进行，中国城市生活用水量以年均5%的速度持续增长。本文在中国居民生活用水不断提高、“双碳”、减排理念全球所向的背景下，结合作者本人于安徽省合肥市完成的若干项目案例，展开对城市居民住宅内生活用水的热水水路设计及其能耗进行探究，希望能给相关部门、相关领域从业者在住宅内给水方式的优化上提供借鉴参考。

因为本文调研时，合肥市大部分地区的住宅小区还未有配备集中生活热水供应或24小时热水供应条件，所以本文分析是以家庭自备热水供应作为前置分析条件而进行的水路设计优化方案。

1 合肥市家庭热水水路设计及热水能耗现状

从Thomas[1]的相关分析结论看，一个人的日用水量应该为100 L上下。而据《2020年中国水资源公报》统计数据，中国人均用综合用水量达到412 m3，城镇人均生活用水量达到了207 L/d。城镇生活用水的指标是随着经济水平发展而变化的，当然还有气候、文化特点、城市类型等其他客观因素。根据Friedman[2]的统计，英国和美国的人均生活用水指标分别为278 L/d、575 L/d。对比英美发达国家人均用水指标，我国人均用水量总体应该还会用所上升。Friedman进一步调研得出居民生活用水量及各用途用水占比：个人45%的用水量用于厕所冲厕、35%用于洗澡、20%用于洗衣、5%用于烹饪及饮用。根据合肥的气候温度、生活习惯等特点，居民日常热水主要用途为：洗澡、日常洗漱、消毒洗手、食品清洗、洗碗、手洗衣物、打扫卫生清洗洁具等。王珊珊等[3]调查表明居民个人一般洗浴热水用量在30～50 L/d。

1.1 当前家庭住宅水路常规设计方案

本次研究以安徽省合肥市为调研对象城市，合肥市居民住宅基本经市政供水系统的主管道，多使用规格为DN20或DN25(别墅)的PB、PP-R、铝塑PP-R水管入户供水。入户后，根据不同位置的用水量再连接DN15、DN20、DN25等规格的管道对用水设备进行供水。由计算可知，DN20、DN25水管的水流量为0.4～0.7 L/S，即1.4～2.5 m3/h。传统家庭的室内水路设计如图1所示，通常会由入户主水管经前置过滤后分出热水、冷水两路，热水水路经热水器后再通向各个有热水需求的用水设备。

天然气热水器和电热水器是合肥地区住宅主要家庭生活用水的热源制备设备。采用燃气热水器时，大多数设置在厨房或厨房附近的生活阳台上。对一些住宅卫生间和厨房布置特殊户型，通常热水器会放置在厨房即煤气表位置，且煤气管道在敷设时要求严格，无法再额外设置燃气管路到卫生间，因此需要从厨房内燃气热水器处铺设热水管到卫生间。但这种管路铺设方案的缺点是卫生间内用水时需要将管道内的冷水放出后才能使用热水。有试验表明，管长为25 m的热水系统管道内存有6.5 L冷水，使用热水时需要将6.5 L冷水输出完才能让用水端出水的温度达到合适的水温。假设普通家庭每人每天沐浴1次，可以计算得出仅洗澡这一项生活热水的使用，一个普通三口之家就会有19.5 L的水资源浪费，据此估算一年会造成大约7 117.5 L水的流失。对于电热水器，在水路的设计上是一样的，只是有的家庭会把电热水器安装在卫生间内，相同道理，此种情况对于厨房的生活热水的使用又会造成水资源的浪费。

随着人们对生活品质要求不断提高，有许多家庭要求在设计热水水路时做到即开即热尽量减少冷水排放。因此，很多家庭用户选择了家庭热水循环系统，即通过增加一个热水循环泵使热水水路中的水在使用区间内始终处于加热循环中，这样可以达到即开即热的用水情况。

家庭热水循环系统的能耗主要在水加热及热水管热损耗上。虽然目前循环系统的燃气热水器有定时等智能模式来保证出水即热的使用体验，但是使用过程中还是存在着管路水温过高、泵频繁启动、不会根据不同地域以及四季的气候自动调节循环水的温度等问题；同时还存在能源浪费问题，智能模式可以保证整个水路都处于热水状态，但如果用户只想某一个用水点出水即热，或者用户不定时使用某个出水即热的用水点等，就会造成能源浪费问题。

1.2 当前家庭住宅热水水路能耗计算

一般来说，住宅热水管道的热损失包括残留热损失和输送热损失两部分。残留热损失是指每次使用热水后残留管道中的热水热损失。因此优化管网设计，选用适宜管径，尽可能缩短管道长度，有利于减少残留热损失。根据合肥住宅水路水压情况，一般住宅水管的管道流量可达6 L/min，当管内径为20 mm时，住宅管道残留水量占每次洗澡用水的近4%，此时残留热损失也计作4%。如果按照点热水器进行计算，一般住宅用户设计功率在 2.0～6 kW，按照最低标准，电加热器功率为2 kW，每天使用4 h，每度电费用为 0.565元，则一年费用为 8×0.565=4.52元，则一个热水器的热损失一天就能造成用户0.18元的损失，一年损失粗算可计65.9元。有些家庭使用太阳能热水器，但由于存在一些室外水管管路，管路中的残留水量其实也很大，假定室外管道按照上述平均数据进行计算，对于DN20家庭常用管路的管内径，残留水量占每次淋浴量的比例约为7.52%。家庭成员每次洗澡时间越少，残留水量占每次洗浴用水量的比例更大，因此管内残留热损失是不容忽视的。

输送热损失输送热损失是指热水在水管流通过程中由于存在外在环境温度差造成的热量传递损失。热水与环境的温差、管道保温性能以及管道长度是影响管道输送热损失的主要因素。一般家庭的储水式热水器的容量一般为80 L、100 L。一般会把加热温度即热水器水箱蓄水温度设置在65～75 ℃，而人通常洗澡的适宜温度为42 ℃左右。按照一般人平均淋浴流量6 L/min、洗澡水温度42 ℃计算，经过实测热水喷洒落到人体的过程中，温度的损失大约为1.5 ℃，因此人洗浴过程中喷头出水温度为43.5 ℃时水温最为合适。DN20水管的内径为20 mm，因洗澡过程中有冷水汇入，热水器的热水温度设为65 ℃，冷水温度为12 ℃，那么可计算热水管流量大约为3.8 L/min，利用迪图斯贝尔特关联式，计算得到管内对流换热系数为1 730 W/(m2·K)，管外空气对流换热系数为25 W/(m2·K)，PPR管材的导热系数为0.24 W/(m·K)，管壁厚为3 mm，安装方式为未保温顶内桥装，室内热水管长取家庭热水管长度平均值9.43 m，热水温度取值65 ℃，室内环境温度取值15 ℃，根据计算得到管道输送热损失约为700 W，而热水的供热功率为13.89 kW，输送热损失的比例为4.74%。

2 根据合肥市家庭用水需求及条件优化热水管路设计

根据上述传统热水供应所存在的能耗问题及市民的用水需求，现提出优化住宅水路设计方案如下。

2.1 节能方案设计思路

优化方案基于以下几个方面去进行能耗控制：

首先，是要有效提高热水管路的保温性能。热水输送过程中，管内热水对流热阻远小于管外空气对流热阻，PPR管材的导热系数虽然较小，但管壁较薄，热传导热阻一般也小于管外空气对流热阻，通过包覆保温材料，并采取暗装方式，可以将总热阻提高4倍以上，相应地输送热损失可降低75%以上。

其次，要缩短输送管路长度。尽可能减少用水端口至热水输出端口的距离是降低热量消耗节约能源的有效方式。

最后，考虑到合肥市大部分居民住宅热水供应采用的是家用热水器，都通过末端冷热水龙头调节水温，因而管路输送水温较高，热损失较大。通过在出口位置设置智能控制部件，实施末端调节水温，因此输送管路中通过的是高温热水，同时连接热水器出水管、自来水管及末端供水管，通过控制冷热水混合比例控制末端供水水温，降低管路输送热损失；如果水温调节点设在水箱出水口，可以显著降低热水输送温度，进而减少输送热损失。如果室内温度为15 ℃，蓄水箱水温为65 ℃，前一种配水方式管道输送温差为50 ℃；而后者如果出水温度为45 ℃，输送温差则为30 ℃，可以降低输送热损失40%，避免浪费。

2.2 多种热水供应联合方案

单纯地使用电热水器、燃气热水器都会造成电能和燃料的耗费，本文提出多种热水设备供应的家用热水器设置的2+N模式节能设计方案。即多个小电热水器+燃气热水器和太阳能热水器(无辅热)的模式。生活用水根据生活用水位置设计小型储热式热水器，洗浴房等小型储热热水器无法满足使用需求的位置设置燃气热水器供应热水。考虑大部分新建小区已配套太阳能热水器，在燃气热水器前可并入太阳能热水器，使太阳能热水器和燃气热水器联合供应。假设入户水温为10°，通过在日照情况较好的情况下，可以直接将入户水温加热至适用温度；如果日照条件较差，入户水先通过太阳能热水器(经实验，在室外温度为20°的阴天天气下，太阳能热水器能将入户水加热至20°左右热水供应方案如图2所示。这个方案最大限度地实现了即开即热的用水需求，也充分利用了可再生能源，最大限度地减少了管路损失和能耗。

图2 2+N水路设计图

本方案相较于传统方案，增加了小型储水式热水器的投入，增加了太阳能热水器到燃气热水器及各储水式热水器的水管铺设长度，但减少了燃气热水器到除洗浴用水端口及大量热水用水口的管道铺设距离。两者相抵，在投入成本上主要是小型储水式设备。在热水管路长度上，以面积为100 m2的一厨一卫住宅来概算，可缩短热水输出长度至少9.43 m。

在用水成本上，可做如下计算：

目前合肥市一级居民自来水价格为2.66元/m3，电价为0.565元/(kW·h)，天然气价格为2.4元/m3,一般热水器效率为90%，则可计算将1 m3的水由20 ℃加热到60 ℃(使用天然气)，需要S=[1 m3×(60℃-20℃)×1 000 kcal/(m3·℃)/8 200 kcal/m3/0.9]×1.89元/m3=10.24元。

按照《给排水设计手册》第二册《建筑给排水》的热损失公式计算：

W=πDLK(1-η)(tm-tk)

式中：W为热损失，kJ/h；K为管道无保温时的传热系数，在此取12.2 kJ/(m2·h·℃)；D为管道外径，在此取DN20的0.02m；L为计算管段长度，在此取最小缩短估值9.43 m；η为保温系数，在此取0.75(保温材料为铝镁保温材料)；tm为管段平均水温，设管段平均水温60 ℃；tk为管道附件空气温度，计为20 ℃。

则通过该方案减少了4 m的热水供水输出管道长度，可减少热损失为：W=3.14×0.02×4×12.2×(1-0.75)×(60-20)=72.29 kJ/(h·户)，即每天为1 733.97 kJ(414.43 kcal)能耗可被节约。

按照天然气价格计算，每天可节约M=2.4×414.43/1 000=0.99元，一年可节约363.04元。

而一台小型储水式热水器的成本约为300元。

3 结束语

随着中国城镇及乡村现代化进程的快速发展，热水能耗的比例必然进一步提升，住宅热水节能潜力巨大。室内管路优化设计和运行对住宅热水节能和安全非常关键。目前，合肥市家庭住宅热水管路布置还是存在管路过长、缺乏保温的问题。室内热水管道残留热损失和输送热损失总量可以达到热水供热功率的10%左右，而太阳能热水器由于存在室外管道，管路热损失的比例更大。在智能电器越来越普及的今天，我们完全可以在现代住宅的热水水路设计优化上发力，合理利用现代的热水加热设备，在着力提高热水器能效的同时，注重降低管路热损失，达到节能减排的效果。