上海某別墅小區集中熱水系統節能方案分析及效益驗證

姜 莎

上海碳索能源服務股份有限公司

0 前言

人們生活水平的不斷提高，建筑服務品質的需求也在逐步提升。集中式熱水供應方式以其安全、方便和節省居住空間等優勢，被越來越多的別墅小區作為標準的配套設施。但許多集中式熱水系統在建造時，所選的制熱設備能效較低，后期出現了嚴重的“運行成本超支”問題。

低能效的熱水加熱設備給后期運行成本帶來能源浪費問題，與我國目前實施的節能減排政策和提倡能源消費發展社會趨勢相違背，不僅給別墅運行管理帶來了不良的集中熱水系統經營體驗，也阻礙了別墅建筑的綠色可持續發展。

以上海某別墅小區熱水系統改造案例，對比了幾種不同的節能改造方案的節能性及其熱水成本，通過追蹤改造后熱水系統能耗指標，驗證其經濟成本，證實了所選改造方案的可行性，對未來類似現場條件的別墅小區進行集中式熱水系統設計及改造，提供節能案例與數據支撐。

1 工程概況

本文所介紹的高檔住宅小區——別墅建筑位于上海市楊浦區，建設用地面積50 578 m2，總建筑面積122 988 m2，地上共五層，最高建筑高度15.9 m。該小區共設有288戶住戶，入住率全年平均60%左右，生活熱水采用集中式生活熱水的供給方式。該熱水系統與生活給水系統、制熱的電熱水爐、生活水箱及水泵分別設置于地下一層的四個機房內，分別供應4 個方向的不同片區住戶用水，熱水系統的供水溫度50 ℃，回水溫度45 ℃。改造前熱水系統原理圖見圖1。改造前的熱水平均成本為246元/m3，熱水成本極高。

2 改造方案分析

針對該小區的熱水系統改造需求，在實施改造前，本項目研究了三種不同熱水制熱系統改造方案，并將各方案的節能性和成本進行了對比分析。

2.1 熱水使用條件

別墅小區集中熱水24h供應的需熱量：

用水量=定額×人數×戶數(戶)×入住率×日均用水率

式中：定額選取85(L/人·天)，假定每戶平均有3.5 人，戶數為288 戶，改造時的入住率為60%，日均用水率為90%。

全年日均需熱量見式（1）：

式中：Cw—水的比熱容，4.187 kJ/kg·℃；

Mw—日均用水量，為(1)中計算水量，55 t；

t1—熱水加熱終溫，55 ℃；

t0—全年待加熱的生活用水平均初始溫度，15 ℃。

由式（1）計算得出：全年平均日需熱量約為2 559 kWh。該項目在改造之初進行了三種集中熱水制熱系統的對比研究：方案一為空氣源熱泵熱水系統；方案二為太陽能熱水系統；方案三為地源熱泵熱水系統。以下為三種方案的介紹、節能量及運行能耗成本(暫不考慮自來水費用、輸送成本及保溫成本)計算分析。

2.2 各改造方案設計

1)空氣源熱泵熱水系統

圖1 原熱水系統原理圖

空氣源熱泵熱水機組在全年制熱水的平均COP一般可以達到3.5，由上節全年平均日需熱量，在不考慮制熱時熱損失，選擇空氣源熱泵制熱功率共約400 kW。該方案的主要特點是空氣源熱泵熱水機組受環境溫度影響較大，在上海冬季最惡劣環境工況下，制熱效率較低。

2)太陽能熱水系統

太陽能系統化選型時，結合上海當地氣象參數，保證夏季太陽輻照強度良好日均55 t 用水量進行選型計算，計算公式見式（2）。

Ac——太陽能系統集熱器面積，m2；

Qw——日均用水量，55 m3；

Cw——水的定壓比熱容，4.18 kJ/（kg·℃）；

tend——熱水的終端溫度（用水溫度），55 ℃；

ti——水的初始溫度，15 ℃；

Jt——當地集熱器采光面的年平均日太陽輻照量，13.1 MJ/m2；

f——太陽能保證率，取50%；

ηcd——集熱器全日集熱效率，取0.5；

ηL——管路及儲水箱熱損失率，無量綱，此處取0.2。

經計算，所需的集熱器面積約大于880 m2。太陽能系統設計時，需要考慮系統建設的經濟性，一般情況下，在大部分日照時間內，太陽能熱水系統覆蓋生活熱水熱量，日照強度不足時仍然采用輔助熱源進行集中加熱，才可以保證高質量（55 ℃以上水溫）熱水供應，否則，太陽能熱水系統建設工程造價較高。

3)地源熱泵熱水系統

地源熱泵熱水系統所要吸收的低品位熱量來自土壤，土壤熱全年相對穩定，可以選擇地源熱泵熱水機組提供生活熱水的熱源。同時該小區原空調系統的冷熱源采用了地源熱泵空調機組，現場具備埋管井，可以利用此條件實施地源熱泵機組制取生活熱水。經計算，選擇地源熱泵制熱量需為400 kW。

2.3 各方案能耗對比

根據上文所述的設計三種節能方案，與原來電熱水爐運行能耗數據進行對比分析，結果見圖2～圖4，三種方案節能量對比見圖5。

圖2 原電熱水爐與空氣源熱泵熱水系統的逐月能耗對比圖

圖3 原電熱水爐與太陽能+輔熱熱水系統的逐月能耗對比圖

圖4 原電鍋爐系統與地源熱泵熱水系統的逐月能耗對比圖

圖5 三種方案節能量對比圖

與原電熱水鍋爐系統相比，空氣源熱泵熱水系統、太陽能+輔熱熱水系統、地源熱泵熱水系統三種方案在節省電耗上，均存在一定的優勢。通過計算，制熱全年平均節能率分別為：62%、59%、65%。對比三種方案的節能優勢可以發現：太陽能+輔熱熱水系統在夏季制熱效率較高，而地源熱泵系統全年受室外環境影響較小。

2.4 各方案制熱成本對比

在進行成本計算時，考慮了MD值的因素，采用了小區的平均用電單價(0.7 元/kWh)。節省用電成本高低與初始水溫有關，節約成本逐月趨勢基本一致。空氣源熱泵熱水系統、太陽能+輔熱熱水系統、地源熱泵熱水系統三種方案計算日平均制取50 t熱水，年平均成本分別為 18.05 元/m3、16.59 元/m3，11.13 元/m3。原電熱水爐與空氣源熱泵熱水系統的逐月成本對比見圖6，原電熱水爐與太陽能+輔熱熱水系統的逐月成本對比見圖7，原電熱水爐與地源熱泵熱水系統的逐月成本對比見圖8。

圖6 原電熱水爐與空氣源熱泵熱水系統的逐月成本對比圖

圖7 原電熱水爐與太陽能+輔熱熱水系統的逐月成本對比圖

圖8 原電熱水爐與地源熱泵熱水系統的逐月成本對比圖

3 熱水改造效益

集中式生活熱水加熱的能耗主要是用來提供生活熱水溫升時所需要的熱量和熱水生產過程中損耗的熱量，這不僅需要高能效的制熱設備還需要一套良好的保溫熱水體系。根據小區當時現場條件(原空調系統采用地源熱泵空調機組，具備地埋管道)，熱水改造實際選用了地源熱泵熱水系統。并且通過一期工程和二期工程的實施確認熱水改造成本變化。

3.1 一期改造節能成果

一期改造工程：將原來生活水箱改造成保溫水箱，采用板式換熱器將電熱水爐與生活水箱隔離，重新敷設主熱水供水主管道保溫。不僅避免了水管中由于電加熱產生的大量水垢進入用戶末端，也提高了熱水輸送效率。經過近半年的測試，熱水成本降至146 元/m3。一期改造熱水系統原理圖見圖9。

3.2 二期改造節能成果

該小區共有288 戶住戶，分別通過四個熱水機供水房熱。熱水分配情況：1#機房熱水供給54戶，2#機房熱水供給66 戶，3#機房熱水供給82 戶，4#機房熱水供給86 戶。二期節能改造工程是在一期工程改造的基礎上，通過采用地源熱泵作為熱水加熱的主熱源，原電熱水爐僅作為補充熱源進行改造。二期改造熱水系統原理圖見圖10。

改造后，通過一年時間的熱水成本監測，熱水成本范圍監測數據見表1，每個機房表具設置范圍均相同。熱水成本采用計算公式：

熱水成本=耗電費用/天數/水量，

其中，耗電費用=1.2 元/kWh×峰電電量+0.75元/kWh×平電電量+0.4元/kWh×谷電電量

經過一年時間周期的監測用水量及電費數據記錄，熱水逐月能耗成本統計計算見圖11。由分析得出，在制熱初始水溫及系統熱耗損失相同條件下，四個機房的能耗變化趨勢基本一致。

表1 表具設置情況表

圖11 四個機房熱水耗電量逐月對比圖

由圖12可知，各季節生活熱水使用存在一定差異，但可以看出熱水使用的整體趨勢：夏季用熱水量小于冬季的熱水用量。四個機房全年熱水成本統計見表2。該小區全年熱水成本達到了30.67元/m3的均值，與最初的246 元/m3相比，熱水供給成本顯著降低。

圖12 四個機房熱水用量逐月對比圖

表2 全年熱水成本統計表

4 結論與建議

本文通過對上海某別墅小區的生活熱水系統改造前后的設計方案節能性對比，以及對小區四個機房所采用再保溫，實施地源熱泵熱水系統后的數據監測，驗證了熱水系統改造后的節能經濟效益顯著，得出以下結論與建議。

1)空氣源熱泵熱水系統、太陽能+輔熱熱水系統、地源熱泵熱水系統均有應用在建筑生活熱水系統中，且具有節能優勢，在方案選擇時需充分考慮現場的實施條件。

2)在前期進行大型集中熱水建設規劃時，不能僅考慮投資成本，還要從優化運行經濟效益出發，優先選用高能效設備；施工時，保證管道及熱水水箱的保溫層厚度和質量需求，特別是隱蔽工程，后期無法進行再保溫維護，尤其在冬季會產生較多的熱損失。

3)在集中熱水建設初期進行熱水成本核算時，除了本文所介紹的簡單方式，還可將各種影響因素考慮在內，并建立一定合理性相對準確的數學模型，利用能耗模擬軟件進行數據計算，可求得相對精確的周期性數據，為今后熱水系統節能項目，特別是合同能源管理項目提供科學依據。