1、熱水供應(yīng)方式與建筑節(jié)能南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械學(xué)院 趙靜姝 黃虎 朱功名摘要:本文介紹了太陽(yáng)能熱水器，空氣源熱泵熱水器，電熱水器以及太陽(yáng)能與空氣源熱泵熱水器耦合供熱水方式對(duì)建筑節(jié)能的作用，分析和對(duì)比了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后就不同的建筑和環(huán)境給出了熱水供應(yīng)方式的建議。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器 空氣源熱泵熱水器 電熱水器 建筑節(jié)能 熱水供應(yīng)1 引言 隨著能源緊缺日益擴(kuò)大，人們的節(jié)能意識(shí)逐漸增強(qiáng)。我國(guó)三大“耗能大戶(hù)”之一的建筑能耗中熱水能耗占到16%。建筑熱水供應(yīng)存在巨大節(jié)能潛力，引起了各方的關(guān)注。近幾年國(guó)家和地方紛紛出臺(tái)相應(yīng)的政策法規(guī)，鼓勵(lì)或規(guī)定在建筑中使用新能源或新技術(shù)來(lái)降低建筑熱水能耗。如2009年1

2、2月1日起施行的江蘇省建筑節(jié)能管理辦法第三十條規(guī)定新建賓館、酒店、商住樓等有熱水需要的公共建筑以及十二層以下住宅，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定統(tǒng)一設(shè)計(jì)、安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。本文將介紹和比較幾種熱水供應(yīng)方式，分析它們?cè)诮ㄖ?jié)能中的作用，并就不同建筑和環(huán)境的熱水供應(yīng)方式給出建議。2 電熱水器 電熱水器直接用電能加熱熱水，技術(shù)成熟，安全性能較高，用能潔凈，供水穩(wěn)定,不受天氣情況影響，能多路供水，安裝也較簡(jiǎn)單，適合在低電價(jià)地區(qū)使用，是目前中國(guó)家庭使用最普遍的熱水器。受家庭入戶(hù)電功率限制，目前市場(chǎng)上的電熱水器以?xún)?chǔ)水式電熱水器為主。電熱水器存在的主要問(wèn)題是：（1）將高品位的電能直接轉(zhuǎn)換為低品位的熱能，存在浪費(fèi)，能源利用不

3、合理，使用費(fèi)用高；（2）一般體積較大，裝在家中占用空間；（3）使用前需要預(yù)熱，加熱時(shí)間長(zhǎng)，不能連續(xù)使用超出額定容量的水量，要是家庭人多，洗澡中途還需等待；（4）洗浴后沒(méi)用完的熱水會(huì)慢慢冷卻，造成浪費(fèi)；（5）加熱溫度高，加熱管易結(jié)垢，污垢清理麻煩，不清又影響發(fā)熱器壽命和加熱速度；（6）浴室環(huán)境溫度濕度大，用電熱水器存在一定的安全隱患；（7）封閉式水箱頂水出水，進(jìn)水時(shí)冷熱水參混，部分加熱完的熱水無(wú)法利用。目前的防電墻技術(shù)，儲(chǔ)即雙模技術(shù)等能部分改進(jìn)以上問(wèn)題。由于電熱水器供水的穩(wěn)定性，還將長(zhǎng)期占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。3 太陽(yáng)能熱水器 太陽(yáng)能是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，分布范圍廣且相對(duì)均勻1 ，既是

4、一次能源，又是可再生能源。我國(guó)幅員遼闊，太陽(yáng)能資源十分豐富，非常適于開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能資源。太陽(yáng)能熱水器通過(guò)集熱器直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，儲(chǔ)存在保溫水箱中供用戶(hù)使用，安全、清潔、無(wú)污染、綜合成本低2。目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器技術(shù)已相對(duì)成熟，在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，是一種值得大力推廣的熱水供應(yīng)方式。但太陽(yáng)能熱水器也存在一些問(wèn)題，限制了它的推廣與使用，主要是：（1）加熱時(shí)間長(zhǎng)，熱水供應(yīng)與季節(jié)和天氣因素密切相關(guān)，陰雨天和冬季很難保證穩(wěn)定的熱水供應(yīng)；（2）使用熱水時(shí)需先排空進(jìn)出水管中的冷水，造成的水資源浪費(fèi)和用水等待3；（3）我國(guó)許多地區(qū)冬天氣溫較低，進(jìn)出水管易凍堵，造成太陽(yáng)能熱水器無(wú)法使用；（4）雷雨天

5、氣使用太陽(yáng)能熱水器可能會(huì)被雷擊，存在安全隱患4；(5) 對(duì)建筑外觀造型有影響；（6）真空玻璃集熱管夏季爆管，冬季炸管問(wèn)題; 平板和熱管集熱式的熱水器熱效率低下，結(jié)垢等問(wèn)題5；（7）開(kāi)啟式水箱出水小、忽冷忽熱、水質(zhì)二次污染問(wèn)題；（8）集熱管內(nèi)存留熱水無(wú)法排出使用造成浪費(fèi)。以上問(wèn)題正逐步得到解決，目前主要的解決方案為：提高單位面積集熱效率，加強(qiáng)保溫，增加輔助電加熱功能，加裝進(jìn)出水管保溫層和伴熱帶，加裝屋頂接閃器，推廣太陽(yáng)能“集中供熱”系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)高效熱管式，二次循環(huán)式，分體式和承壓式太陽(yáng)能熱水器等。但也面臨成本高，系統(tǒng)匹配等問(wèn)題。相信隨著成本的降低和技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能熱水器將在建筑節(jié)能中發(fā)揮更重要的

6、作用。4 空氣源熱泵熱水機(jī) 空氣能是一種廣泛存在、平等給予和可自由利用的低品位能源, 空氣源熱泵熱水器就是利用空氣能制取熱水的一種新型熱水器，熱泵在工作時(shí), 把環(huán)境介質(zhì)( 即空氣) 中貯存的能量QA 在蒸發(fā)器內(nèi)加以吸收，它本身消耗一部分能量QB, 即壓縮機(jī)的耗電， 通過(guò)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱QC制取熱水, QC=QA+QB, 制取的熱水儲(chǔ)存于保溫水箱中供用戶(hù)使用，由此可以看出, 熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功QB 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA, 因此, 采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能6。近年來(lái)空氣源熱泵熱水器由于運(yùn)行成本低、安全性好、節(jié)能環(huán)保、安裝不受限制等優(yōu)點(diǎn), 得到了迅速推廣。日本和

7、歐美國(guó)家都推出了成熟產(chǎn)品投放市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，其中日本CO2 熱泵熱水器的發(fā)展尤為迅速7。而我國(guó)尚在起步階段，市場(chǎng)導(dǎo)入初見(jiàn)成效，還未能形成大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用，制約我國(guó)熱泵熱水器發(fā)展的主要因素有：（1）空氣源熱泵熱水器初投資比較大；（2）雖然是一效果明顯的節(jié)能產(chǎn)品，但仍然要消耗一部分電能；（3）啟動(dòng)慢，加熱水溫有限，從衛(wèi)生和健康的角度來(lái)看, 生活用水必須加熱到60以達(dá)到抑制細(xì)菌繁殖的目的。然而大多數(shù)國(guó)產(chǎn)的空氣源熱泵熱水器由于某些技術(shù)上的原因只能把水溫加熱到55。（4）寒冷地區(qū)冬季低溫工況（-10左右）COP值（制熱性能系數(shù)）接近等于1，沒(méi)有節(jié)能意義，制熱量減小，還需解決除霜問(wèn)題和排氣溫度過(guò)高

8、的問(wèn)題；（5）夏季高溫下壓縮機(jī)制熱保護(hù)，無(wú)法工作；（6）中國(guó)各地水質(zhì)差異大，北方和內(nèi)陸地區(qū)水質(zhì)較差，換熱器壽命問(wèn)題；（7）壓縮機(jī)壽命問(wèn)題；（8）體積較大，安裝地方有限制，外機(jī)只能安裝在陽(yáng)臺(tái)和衛(wèi)生間的外面，外機(jī)和水箱之間距離不能超過(guò)3m，水箱體積比普通儲(chǔ)水式熱水器大，若放于家中占用過(guò)多室內(nèi)空間；（9）室外機(jī)有噪音問(wèn)題，會(huì)對(duì)相鄰住戶(hù)產(chǎn)生影響 8 9 10 。針對(duì)以上問(wèn)題，采用雙級(jí)壓縮或中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)，熱泵噴射器循環(huán)，壓縮機(jī)吸氣噴液冷卻，復(fù)疊式系統(tǒng)，使用膨脹機(jī)的CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，使用新制冷劑(如非共沸制冷劑等)來(lái)改善熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下的制熱性能，熱泵加熱與電加熱相結(jié)合，變頻技術(shù)，提高潤(rùn)滑油流量來(lái)

9、冷卻壓縮機(jī)等11 12。以上方法拓展了空氣源熱泵熱水器的使用區(qū)域，改善了系統(tǒng)性能，有利于空氣源熱泵熱水器的推廣。5 太陽(yáng)能與空氣源耦合機(jī)組針對(duì)我國(guó)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn), 提出太陽(yáng)能耦合低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱水形式。太陽(yáng)能熱水器因直接受太陽(yáng)輻射的影響只能間歇運(yùn)行或配備輔助熱源，而空氣源熱泵熱水器在寒冷環(huán)境下不能高效、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)?；诖?，將太陽(yáng)能和空氣源熱泵熱水器兩種形式結(jié)合起來(lái)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)耦合系統(tǒng)應(yīng)用于建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)，從而最低限度地消耗常規(guī)能源、最大限度地利用綠色生態(tài)可再生能源（太陽(yáng)能、空氣低焓能），實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能、環(huán)保，同時(shí)滿(mǎn)足較高的舒適性要求。太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)的切換

10、控制是系統(tǒng)能否最大限度節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵，原則是考慮可再生能源的最大化利用, 優(yōu)先利用太陽(yáng)能制熱, 而用空氣源熱泵作為補(bǔ)充13。由于初投資高，控制方案復(fù)雜等因素，目前這種耦合系統(tǒng)少有應(yīng)用。6 節(jié)能效果各地氣候條件不一樣，熱水供應(yīng)方式的節(jié)能效果也各不相同，下表列出了南京地區(qū)某用戶(hù)各種熱水供應(yīng)方案的年運(yùn)行能耗和運(yùn)行費(fèi)用：表1 南京地區(qū)某用戶(hù)熱水供應(yīng)方案對(duì)比14方案能源年運(yùn)行能耗能源費(fèi)用元單位熱水費(fèi)用（元噸）太陽(yáng)能熱泵電13700kWh72344.95太陽(yáng)能電電43717kWh2308315.8空氣源熱泵電23112kWh122038.35電加熱電82964kWh4380529.98注：設(shè)計(jì)日用水量為4

11、t，供水溫度為55，民用電按0.582元kWh計(jì)算7 適用情況我國(guó)氣候條件、地形條件復(fù)雜, 各地應(yīng)該根據(jù)自身的情況選擇適合的熱水器。（1）太陽(yáng)能熱水器適用于西部等光照時(shí)間充足的地區(qū)和層高不太高的建筑。（2）電熱水器適用于電力供應(yīng)充足，電費(fèi)較低的地區(qū)。（3）空氣源熱泵熱水器適用于南方等冬天氣溫不太低，濕度不太大的地區(qū)15。（4）太陽(yáng)能與空氣源耦合機(jī)組在白天最低溫度15以上，太陽(yáng)輻射良好的的大部分地區(qū)都可使用16，考慮到經(jīng)濟(jì)性更適用于熱水需求量較大的建筑。參考文獻(xiàn)：1 李勇,胡明輔,趙宏偉,李永贊.平板型與真空管型太陽(yáng)能熱水器發(fā)展?fàn)顩r分析.應(yīng)用能源技術(shù), 2007年第11期(總第119期).2 常

12、相進(jìn).關(guān)于太陽(yáng)能熱水器輸水管的防凍研究.物理通報(bào),2010年第8期.3 趙磊,李滿(mǎn).家用太陽(yáng)能熱水器使用中存在的問(wèn)題及解決方法.建筑節(jié)能,2007年第11期(總第35卷第201期).4 代琴.太陽(yáng)能熱水器的安全隱患及防范措施.安全技術(shù),2010 年第10 卷第4 期.5 劉慶,李光華.太陽(yáng)能熱水器的技術(shù)瓶頸及發(fā)展趨勢(shì).家電科技.6 張華俊，陳偉，李勇空氣源熱泵熱水器研究與發(fā)展前景中國(guó)建設(shè)信息供熱制冷，2007年8月.7 周子成，蔡湛文國(guó)內(nèi)外熱泵熱水器的發(fā)展家電科技，2006年12月.8 劉耀武.空氣源熱泵熱水器機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn).熱泵技術(shù)與工程,2005年12月.9 周子成.二氧化碳熱泵熱水器.制冷與空調(diào)，2005年第4 期.10 唐文濤.家用空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì).煤氣與熱力，2007年01期.11 付冰,劉亮. 空氣源熱泵熱水機(jī)組節(jié)能分析.工程建設(shè)與設(shè)計(jì), 2008年07期.12 楊家興.空氣源熱泵熱水器夏季吸氣壓力過(guò)高的解決方案.能源研究與管理，2009年04期.1