“雙碳”背景下的住宅熱水水路設(shè)計的思考

高 宇， 劉夢妍

(1.合肥城市學院，安徽 合肥 230071； 2.安徽省工程與建設(shè)雜志社，安徽 合肥 230091)

0 引 言

中國城市化進程依然在高速進行，中國城市生活用水量以年均5%的速度持續(xù)增長。本文在中國居民生活用水不斷提高、“雙碳”、減排理念全球所向的背景下，結(jié)合作者本人于安徽省合肥市完成的若干項目案例，展開對城市居民住宅內(nèi)生活用水的熱水水路設(shè)計及其能耗進行探究，希望能給相關(guān)部門、相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者在住宅內(nèi)給水方式的優(yōu)化上提供借鑒參考。

因為本文調(diào)研時，合肥市大部分地區(qū)的住宅小區(qū)還未有配備集中生活熱水供應(yīng)或24小時熱水供應(yīng)條件，所以本文分析是以家庭自備熱水供應(yīng)作為前置分析條件而進行的水路設(shè)計優(yōu)化方案。

1 合肥市家庭熱水水路設(shè)計及熱水能耗現(xiàn)狀

從Thomas[1]的相關(guān)分析結(jié)論看，一個人的日用水量應(yīng)該為100 L上下。而據(jù)《2020年中國水資源公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國人均用綜合用水量達到412 m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量達到了207 L/d。城鎮(zhèn)生活用水的指標是隨著經(jīng)濟水平發(fā)展而變化的，當然還有氣候、文化特點、城市類型等其他客觀因素。根據(jù)Friedman[2]的統(tǒng)計，英國和美國的人均生活用水指標分別為278 L/d、575 L/d。對比英美發(fā)達國家人均用水指標，我國人均用水量總體應(yīng)該還會用所上升。Friedman進一步調(diào)研得出居民生活用水量及各用途用水占比：個人45%的用水量用于廁所沖廁、35%用于洗澡、20%用于洗衣、5%用于烹飪及飲用。根據(jù)合肥的氣候溫度、生活習慣等特點，居民日常熱水主要用途為：洗澡、日常洗漱、消毒洗手、食品清洗、洗碗、手洗衣物、打掃衛(wèi)生清洗潔具等。王珊珊等[3]調(diào)查表明居民個人一般洗浴熱水用量在30～50 L/d。

1.1 當前家庭住宅水路常規(guī)設(shè)計方案

本次研究以安徽省合肥市為調(diào)研對象城市，合肥市居民住宅基本經(jīng)市政供水系統(tǒng)的主管道，多使用規(guī)格為DN20或DN25(別墅)的PB、PP-R、鋁塑PP-R水管入戶供水。入戶后，根據(jù)不同位置的用水量再連接DN15、DN20、DN25等規(guī)格的管道對用水設(shè)備進行供水。由計算可知，DN20、DN25水管的水流量為0.4～0.7 L/S，即1.4～2.5 m3/h。傳統(tǒng)家庭的室內(nèi)水路設(shè)計如圖1所示，通常會由入戶主水管經(jīng)前置過濾后分出熱水、冷水兩路，熱水水路經(jīng)熱水器后再通向各個有熱水需求的用水設(shè)備。

天然氣熱水器和電熱水器是合肥地區(qū)住宅主要家庭生活用水的熱源制備設(shè)備。采用燃氣熱水器時，大多數(shù)設(shè)置在廚房或廚房附近的生活陽臺上。對一些住宅衛(wèi)生間和廚房布置特殊戶型，通常熱水器會放置在廚房即煤氣表位置，且煤氣管道在敷設(shè)時要求嚴格，無法再額外設(shè)置燃氣管路到衛(wèi)生間，因此需要從廚房內(nèi)燃氣熱水器處鋪設(shè)熱水管到衛(wèi)生間。但這種管路鋪設(shè)方案的缺點是衛(wèi)生間內(nèi)用水時需要將管道內(nèi)的冷水放出后才能使用熱水。有試驗表明，管長為25 m的熱水系統(tǒng)管道內(nèi)存有6.5 L冷水，使用熱水時需要將6.5 L冷水輸出完才能讓用水端出水的溫度達到合適的水溫。假設(shè)普通家庭每人每天沐浴1次，可以計算得出僅洗澡這一項生活熱水的使用，一個普通三口之家就會有19.5 L的水資源浪費，據(jù)此估算一年會造成大約7 117.5 L水的流失。對于電熱水器，在水路的設(shè)計上是一樣的，只是有的家庭會把電熱水器安裝在衛(wèi)生間內(nèi)，相同道理，此種情況對于廚房的生活熱水的使用又會造成水資源的浪費。

隨著人們對生活品質(zhì)要求不斷提高，有許多家庭要求在設(shè)計熱水水路時做到即開即熱盡量減少冷水排放。因此，很多家庭用戶選擇了家庭熱水循環(huán)系統(tǒng)，即通過增加一個熱水循環(huán)泵使熱水水路中的水在使用區(qū)間內(nèi)始終處于加熱循環(huán)中，這樣可以達到即開即熱的用水情況。

家庭熱水循環(huán)系統(tǒng)的能耗主要在水加熱及熱水管熱損耗上。雖然目前循環(huán)系統(tǒng)的燃氣熱水器有定時等智能模式來保證出水即熱的使用體驗，但是使用過程中還是存在著管路水溫過高、泵頻繁啟動、不會根據(jù)不同地域以及四季的氣候自動調(diào)節(jié)循環(huán)水的溫度等問題；同時還存在能源浪費問題，智能模式可以保證整個水路都處于熱水狀態(tài)，但如果用戶只想某一個用水點出水即熱，或者用戶不定時使用某個出水即熱的用水點等，就會造成能源浪費問題。

1.2 當前家庭住宅熱水水路能耗計算

一般來說，住宅熱水管道的熱損失包括殘留熱損失和輸送熱損失兩部分。殘留熱損失是指每次使用熱水后殘留管道中的熱水熱損失。因此優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計，選用適宜管徑，盡可能縮短管道長度，有利于減少殘留熱損失。根據(jù)合肥住宅水路水壓情況，一般住宅水管的管道流量可達6 L/min，當管內(nèi)徑為20 mm時，住宅管道殘留水量占每次洗澡用水的近4%，此時殘留熱損失也計作4%。如果按照點熱水器進行計算，一般住宅用戶設(shè)計功率在 2.0～6 kW，按照最低標準，電加熱器功率為2 kW，每天使用4 h，每度電費用為 0.565元，則一年費用為 8×0.565=4.52元，則一個熱水器的熱損失一天就能造成用戶0.18元的損失，一年損失粗算可計65.9元。有些家庭使用太陽能熱水器，但由于存在一些室外水管管路，管路中的殘留水量其實也很大，假定室外管道按照上述平均數(shù)據(jù)進行計算，對于DN20家庭常用管路的管內(nèi)徑，殘留水量占每次淋浴量的比例約為7.52%。家庭成員每次洗澡時間越少，殘留水量占每次洗浴用水量的比例更大，因此管內(nèi)殘留熱損失是不容忽視的。

輸送熱損失輸送熱損失是指熱水在水管流通過程中由于存在外在環(huán)境溫度差造成的熱量傳遞損失。熱水與環(huán)境的溫差、管道保溫性能以及管道長度是影響管道輸送熱損失的主要因素。一般家庭的儲水式熱水器的容量一般為80 L、100 L。一般會把加熱溫度即熱水器水箱蓄水溫度設(shè)置在65～75 ℃，而人通常洗澡的適宜溫度為42 ℃左右。按照一般人平均淋浴流量6 L/min、洗澡水溫度42 ℃計算，經(jīng)過實測熱水噴灑落到人體的過程中，溫度的損失大約為1.5 ℃，因此人洗浴過程中噴頭出水溫度為43.5 ℃時水溫最為合適。DN20水管的內(nèi)徑為20 mm，因洗澡過程中有冷水匯入，熱水器的熱水溫度設(shè)為65 ℃，冷水溫度為12 ℃，那么可計算熱水管流量大約為3.8 L/min，利用迪圖斯貝爾特關(guān)聯(lián)式，計算得到管內(nèi)對流換熱系數(shù)為1 730 W/(m2·K)，管外空氣對流換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，PPR管材的導熱系數(shù)為0.24 W/(m·K)，管壁厚為3 mm，安裝方式為未保溫頂內(nèi)橋裝，室內(nèi)熱水管長取家庭熱水管長度平均值9.43 m，熱水溫度取值65 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度取值15 ℃，根據(jù)計算得到管道輸送熱損失約為700 W，而熱水的供熱功率為13.89 kW，輸送熱損失的比例為4.74%。

2 根據(jù)合肥市家庭用水需求及條件優(yōu)化熱水管路設(shè)計

根據(jù)上述傳統(tǒng)熱水供應(yīng)所存在的能耗問題及市民的用水需求，現(xiàn)提出優(yōu)化住宅水路設(shè)計方案如下。

2.1 節(jié)能方案設(shè)計思路

優(yōu)化方案基于以下幾個方面去進行能耗控制：

首先，是要有效提高熱水管路的保溫性能。熱水輸送過程中，管內(nèi)熱水對流熱阻遠小于管外空氣對流熱阻，PPR管材的導熱系數(shù)雖然較小，但管壁較薄，熱傳導熱阻一般也小于管外空氣對流熱阻，通過包覆保溫材料，并采取暗裝方式，可以將總熱阻提高4倍以上，相應(yīng)地輸送熱損失可降低75%以上。

其次，要縮短輸送管路長度。盡可能減少用水端口至熱水輸出端口的距離是降低熱量消耗節(jié)約能源的有效方式。

最后，考慮到合肥市大部分居民住宅熱水供應(yīng)采用的是家用熱水器，都通過末端冷熱水龍頭調(diào)節(jié)水溫，因而管路輸送水溫較高，熱損失較大。通過在出口位置設(shè)置智能控制部件，實施末端調(diào)節(jié)水溫，因此輸送管路中通過的是高溫熱水，同時連接熱水器出水管、自來水管及末端供水管，通過控制冷熱水混合比例控制末端供水水溫，降低管路輸送熱損失；如果水溫調(diào)節(jié)點設(shè)在水箱出水口，可以顯著降低熱水輸送溫度，進而減少輸送熱損失。如果室內(nèi)溫度為15 ℃，蓄水箱水溫為65 ℃，前一種配水方式管道輸送溫差為50 ℃；而后者如果出水溫度為45 ℃，輸送溫差則為30 ℃，可以降低輸送熱損失40%，避免浪費。

2.2 多種熱水供應(yīng)聯(lián)合方案

單純地使用電熱水器、燃氣熱水器都會造成電能和燃料的耗費，本文提出多種熱水設(shè)備供應(yīng)的家用熱水器設(shè)置的2+N模式節(jié)能設(shè)計方案。即多個小電熱水器+燃氣熱水器和太陽能熱水器(無輔熱)的模式。生活用水根據(jù)生活用水位置設(shè)計小型儲熱式熱水器，洗浴房等小型儲熱熱水器無法滿足使用需求的位置設(shè)置燃氣熱水器供應(yīng)熱水?？紤]大部分新建小區(qū)已配套太陽能熱水器，在燃氣熱水器前可并入太陽能熱水器，使太陽能熱水器和燃氣熱水器聯(lián)合供應(yīng)。假設(shè)入戶水溫為10°，通過在日照情況較好的情況下，可以直接將入戶水溫加熱至適用溫度；如果日照條件較差，入戶水先通過太陽能熱水器(經(jīng)實驗，在室外溫度為20°的陰天天氣下，太陽能熱水器能將入戶水加熱至20°左右熱水供應(yīng)方案如圖2所示。這個方案最大限度地實現(xiàn)了即開即熱的用水需求，也充分利用了可再生能源，最大限度地減少了管路損失和能耗。

圖2 2+N水路設(shè)計圖

本方案相較于傳統(tǒng)方案，增加了小型儲水式熱水器的投入，增加了太陽能熱水器到燃氣熱水器及各儲水式熱水器的水管鋪設(shè)長度，但減少了燃氣熱水器到除洗浴用水端口及大量熱水用水口的管道鋪設(shè)距離。兩者相抵，在投入成本上主要是小型儲水式設(shè)備。在熱水管路長度上，以面積為100 m2的一廚一衛(wèi)住宅來概算，可縮短熱水輸出長度至少9.43 m。

在用水成本上，可做如下計算：

目前合肥市一級居民自來水價格為2.66元/m3，電價為0.565元/(kW·h)，天然氣價格為2.4元/m3,一般熱水器效率為90%，則可計算將1 m3的水由20 ℃加熱到60 ℃(使用天然氣)，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《給排水設(shè)計手冊》第二冊《建筑給排水》的熱損失公式計算：

W=πDLK(1-η)(tm-tk)

式中：W為熱損失，kJ/h；K為管道無保溫時的傳熱系數(shù)，在此取12.2 kJ/(m2·h·℃)；D為管道外徑，在此取DN20的0.02m；L為計算管段長度，在此取最小縮短估值9.43 m；η為保溫系數(shù)，在此取0.75(保溫材料為鋁鎂保溫材料)；tm為管段平均水溫，設(shè)管段平均水溫60 ℃；tk為管道附件空氣溫度，計為20 ℃。

則通過該方案減少了4 m的熱水供水輸出管道長度，可減少熱損失為：W=3.14×0.02×4×12.2×(1-0.75)×(60-20)=72.29 kJ/(h·戶)，即每天為1 733.97 kJ(414.43 kcal)能耗可被節(jié)約。

按照天然氣價格計算，每天可節(jié)約M=2.4×414.43/1 000=0.99元，一年可節(jié)約363.04元。

而一臺小型儲水式熱水器的成本約為300元。

3 結(jié)束語

隨著中國城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展，熱水能耗的比例必然進一步提升，住宅熱水節(jié)能潛力巨大。室內(nèi)管路優(yōu)化設(shè)計和運行對住宅熱水節(jié)能和安全非常關(guān)鍵。目前，合肥市家庭住宅熱水管路布置還是存在管路過長、缺乏保溫的問題。室內(nèi)熱水管道殘留熱損失和輸送熱損失總量可以達到熱水供熱功率的10%左右，而太陽能熱水器由于存在室外管道，管路熱損失的比例更大。在智能電器越來越普及的今天，我們完全可以在現(xiàn)代住宅的熱水水路設(shè)計優(yōu)化上發(fā)力，合理利用現(xiàn)代的熱水加熱設(shè)備，在著力提高熱水器能效的同時，注重降低管路熱損失，達到節(jié)能減排的效果。