热水供应方式与建筑节能南京师范大学能源与机械学院.doc

规定在建筑中使用新能源或新技术来降低建筑热水能耗。如2009年12月1日起施行的《江苏省建筑节能管理办法》第三十条规定新建宾馆、酒店、商住楼等有热水需要的公共建筑以及十二层以下住宅，应当按照规定统一设计、安装太阳能热水系统。本文将介绍和比较几种热水供应方式，分析它们在建筑节能中的作用，并就不同建筑和环境的热水供应方式给出建议。
2 电热水器
电热水器直接用电能加热热水，技术成熟，安全性能较高，用能洁净，供水稳定,不受天气情况影响，能多路供水，安装也较简单，适合在低电价地区使用，是目前中国家庭使用最普遍的热水器。受家庭入户电功率限制，目前市场上的电热水器以储水式电热水器为主。
　　电热水器存在的主要问题是：
（1）将高品位的电能直接转换为低品位的热能，存在浪费，能源利用不合理，使用费用高；
（2）一般体积较大，装在家中占用空间；
（3）使用前需要预热，加热时间长，不能连续使用超出额定容量的水量，要是家庭人多，洗澡中途还需等待；
（4）洗浴后没用完的热水会慢慢冷却，造成浪费；
（5）加热温度高，加热管易结垢，污垢清理麻烦，不清又影响发热器寿命和加热速度；
（6）浴室环境温度湿度大，用电热水器存在一定的安全隐患；
（7）封闭式水箱顶水出水，进水时冷热水参混，部分加热完的热水无法利用。目前的防电墙技术，储即双模技术等能部分改进以上问题。由于电热水器供水的稳定性，还将长期占据较大的市场份额。
3 太阳能热水器
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，分布范围广且相对均匀[1] ，既是一次能源，又是可再生能源。我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富，非常适于开发和利用太阳能资源。太阳能热水器通过集热器直接把太阳能转化为水的内能，储存在保温水箱中供用户使用，安全、清洁、无污染、综合成本低[2]。目前我国太阳能热水器技术已相对成熟，在全国范围内应用广泛，是一种值得大力推广的热水供应方式。
但太阳能热水器也存在一些问题，限制了它的推广与使用，主要是：
（1）加热时间长，热水供应与季节和天气因素密切相关，阴雨天和冬季很难保证稳定的热水供应；
（2）使用热水时需先排空进出水管中的冷水，造成的水资源浪费和用水等待[3]；
（3）我国许多地区冬天气温较低，进出水管易冻堵，造成太阳能热水器无法使用；
（4）雷雨天气使用太阳能热水器可能会被雷击，存在安全隐患[4]；
(5) 对建筑外观造型有影响；
（6）真空玻璃集热管夏季爆管，冬季炸管问题; 平板和热管集热式的热水器热效率低下，结垢等问题[5]；
（7）开启式水箱出水小、忽冷忽热、水质二次污染问题；
（8）集热管内存留热水无法排出使用造成浪费。
以上问题正逐步得到解决，目前主要的解决方案为：提高单位面积集热效率，加强保温，增加辅助电加热功能，加装进出水管保温层和伴热带，加装屋顶接闪器，推广太阳能“集中供热”系统，开发高效热管式，二次循环式，分体式和承压式太阳能热水器等。但也面临成本高，系统匹配等问题。相信随着成本的降低和技术的进步，太阳能热水器将在建筑节能中发挥更重要的作用。
4 空气源热泵热水机
空气能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的低品位能源, 空气源热泵热水器就是利用空气能制取热水的一种新型热水器，热泵在工作时, 把环境介质( 即空气) 中贮存的能量QA 在蒸发器内加以吸收，它本身消耗一部分能量QB, 即压缩机的耗电， 通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC制取热水, QC=QA+QB, 制取的热水储存于保温水箱中供用户使用，由此可以看出, 热泵输出的能量为压缩机做的功QB 和热泵从环境中吸收的热量QA, 因此, 采用热泵技术可以节约大量的电能[6]。近年来空气源热泵热水器由于运行成本低、安全性好、节能环保、安装不受限制等优点, 得到了迅速推广。日本和欧美国家都推出了成熟产品投放市场，市场规模迅速增长，其中日本CO2 热泵热水器的发展尤为迅速[7]。而我国尚在起步阶段，市场导入初见成效，还未能形成大规模的市场应用，制约我国热泵热水器发展的主要因素有：
（1）空气源热泵热水器初投资比较大；
（2）虽然是一效果明显的节能产品，但仍然要消耗一部分电能；
（3）启动慢，加热水温有限，从卫生和健康的角度来看, 生活用水必须加热到60℃以达到抑制细菌繁殖的目的。然而大多数国产的空气源热泵热水器由于某些技术上的原因只能把水温加热到55℃。
（4）寒冷地区冬季低温工况（-10℃左右）COP值（制热性能系数）接近等于1，没有节能意义，制热量减小，还需解决除霜问题和排气温度过高的问题；
（5）夏季高温下压缩机制热保护，无法工作；
（6）中国各地水质差异大，北方和内陆地区水质较差，换热器寿命问题；
（7）压缩机寿命问题；
（8）体积较大，安装地方有限制，外机只能安装在阳台和卫生间的外面，外机和水箱之间距离不能超过3m，水箱体积比普通储水式热水器大，若放于家中占用过多室内空间；
（9）室外机有噪音问题，会对相邻住户产生影响 [8] [9] [10] 。
针对以上问题，采用双级压缩或中间补气压缩机，热泵喷射器循环，压缩机吸气喷液冷却，复叠式系统，使用膨胀机的CO2跨临界循环系统，使用新制冷剂(如非共沸制冷剂等)来改善热泵系统低温环境下的制热性能，热泵加热与电加热相结合，变频技术，提高润滑油流量来冷却压缩机等[11] [12]。以上方法拓展了空气源热泵热水器的使用区域，改善了系统性能，有利于空气源热泵热水器的推广。
5 太阳能与空气源耦合机组
针对我国寒冷地区的气候特点, 提出太阳能耦合低温空气源热泵系统的供热水形式。太阳能热水器因直接受太阳辐射的影响只能间歇运行或配备辅助热源，而空气源热泵热水器在寒冷环境下不能高效、稳定、可靠地运行，各有各的优缺点。基于此，将太阳能和空气源热泵热水器两种形式结合起来，形成优势互补耦合系统应用于建筑热水供应系统，从而最低限度地消耗常规能源、最大限度地利用绿色生态可再生能源（太阳能、空气低焓能），实现建筑的节能、环保，同时满足较高的舒适性要求。太阳能与热泵系统的切换控制是系统能否最大限度节能运行的关键，原则是考虑可再生能源的最大化利用, 优先利用太阳能制热, 而用空气源热泵作为补充[13]。由于初投资高，控制方案复杂等因素，目前这种耦合系统少有应用。
6 节能效果
各地气候条件不一样，热水供应方式的节能效果也各不相同，下表列出了南京地区某用户各种热水供应方案的年运行能耗和运行费用：
表1 南京地区某用户热水供应方案对比[14]
方案
能源
年运行能耗
能源费用
／元
单位热水费用
／（元／吨）
太阳能＋热泵
电
13700kWh
7234
4.95
太阳能＋电
电
43717kWh
23083
15.8
空气源热泵
电
23112kWh
12203
8.35
电加热
电
82964kWh
43805
29.98
注：设计日用水量为4t，供水温度为55℃，民用电按0.582元／kWh计算
7 适用情况
我国气候条件、地形条件复杂, 各地应该根据自身的情况选择适合的热水器。
（1）太阳能热水器适用于西部等光照时间充足的地区和层高不太高的建筑。
（2）电热水器适用于电力供应充足，电费较低的地区。
（3）空气源热泵热水器适用于南方等冬天气温不太低，湿度不太大的地区[15]。
（4）太阳能与空气源耦合机组在白天最低温度－15℃以上，太阳辐射良好的的大部分地区都可使用[16]，考虑到经济性更适用于热水需求量较大的建筑。

参考文献：
[1] 李勇,胡明辅,赵宏伟,李永赞.平板型与真空管型太阳能热水器发展状况分析.应用能源技术, 2007年第11期(总第119期).
[2] 常相进.关于太阳能热水器输水管的防冻研究.物理通报,2010年第8期.
[3] 赵磊,李满.家用太阳能热水器使用中存在的问题及解决方法.建筑节能,2007年第11期(总第35卷第201期).
[4] 代琴.太阳能热水器的安全隐患及防范措施.安全技术,2010 年第10 卷第4 期.
[5] 刘庆,李光华.太阳能热水器的技术瓶颈及发展趋势.家电科技.
[6] 张华俊，陈伟，李勇．空气源热泵热水器研究与发展前景．中国建设信息供热制冷，2007年8月.
[7] 周子成，蔡湛文．国内外热泵热水器的发展．家电科技，2006年12月.
[8] 刘耀武.空气源热泵热水器机组设计要点.热泵技术与工程,2005年12月.
[9] 周子成.二氧化碳热泵热水器.制冷与空调，2005年第4 期.
[10] 唐文涛.家用空气源热泵热水器的设计.煤气与热力，2007年01期.
[11] 付冰,刘亮. 空气源热泵热水机组节能分析.工程建设与设计, 2008年07期.
[12] 杨家兴.空气源热泵热水器夏季吸气压力过高的解决方案.能源研究与管理，2009年04期.
[13] 吕永刚.太阳能与空气源热泵综合设计方案.制冷，2009年03期.
[14] 彭娇娇，刘光远，从卫民，郑爱青.空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区的应用潜力研究.能源与环境，2010年03期.
[15] 关丹桔，缪丹.太阳能与空气源热泵热水器在住宅中运用的比较.2010 年全国给水排水技术信息网年会论文集.
[16] 康付堂. 太阳能中央热水系统辅助热源空气源热泵的配置.上海铁道科技，2010年01期.