建筑热水系统的节能设计策略

1.热水供应系统的选择原则

（1）集中热水供应系统的热源，宜首先利用工业余热、废热、地热。利用废热锅炉制备热媒时，引入其内的废气、烟气温度不宜低于400℃；当以地热为热源时，应根据地热水的水温、水质和水压，采取相应的技术措施。节约能源是我国的基本国策，在设计中应对工程基地附近进行调查研究，全面合理地选择热源。

地热在我国分布较广，有条件时，应优先加以考虑，如广州、福州等地均有利用地热水作为热水供应的水源。地热水的利用应充分，有条件时，应考虑综合利用，如先将地热水用于发电再用于采暖空调，或先用于理疗和生活用水再用于养殖业和农田灌溉等。

（2）太阳能作为热水供应热源的条件。当日照时数大于1 400h/年且年太阳辐射量大于4 200MJ/m2及年极端最低气温不低于－45℃的地区，宜优先采用太阳能作为热水供应热源。太阳能是取之不尽用之不竭的能源，近年来，太阳能的利用已有很大发展，在日照较长的地区取得的效果更佳。

（3）热泵热水供应系统的选择原则。夏热冬暖地区，宜采用空气源热泵热水供应系统；地下水源充沛、水文地质条件适宜，并能保证回灌的地区，宜采用地下水源热泵热水供应系统；沿江、沿海、沿湖等地表水源充足、水文地质条件适宜，以及有条件利用城市污水、再生水的地区，宜采用地表水源热泵热水供应系统。当采用地下水源和地表水源时，应经当地水务主管部门批准，必要时应进行生态环境、水质卫生方面的评估。近年来，在国内已有一些采用水源热泵、空气源热泵制备生活热水的工程应用实例。它是一种新型能源，当合理应用该项技术时，节能效果显著；但选用这种热源时，应注意水源、空气源的适用条件及配备质量可靠的热泵机组。

（4）热力管网作为热水供应热源的条件。当没有条件利用工业余热、废热、地热或太阳能等热源时，宜优先采用能保证全年供热的热力管网作为集中热水供应的热源。热力网和区域性锅炉应是新规划区供热的首选，其对节约能源和减少环境污染都有较大的好处，应予推广。

（5）设燃油、燃气热水机组或电蓄热设备等供给集中热水供应系统的热源或直接供给热水适用于第（1）～（4）条所述热源无可利用时。为保护环境，消除燃煤锅炉工作时产生的废气、废渣、烟尘对环境的污染，改善司炉工的操作环境，提高设备效率，燃油、燃气常压热水锅炉（又称燃油、燃气热水机组）已在全国各地许多工程的集中生活热水系统中推广应用，并取得了较好的效果。

用电能制备生活热水最方便、最简洁，且无二氧化碳排放，但电的热功当量较低，而且我国总体的电力供应紧张，因此，除个别电源供应充沛的地方用于集中生活热水系统的热水制备外，一般用于太阳能等可再生能源局部热水供应系统的辅助能源。

2.典型节能热水系统的选择

（1）太阳能热水器。我国大部分地区位于北纬40°以北，日照充足，太阳能资源比较丰富，随着太阳能技术的逐渐成熟，其技术成本也在逐渐下降，其应用范围越来越广。目前，太阳能热水系统已在宾馆、酒店、医院、游泳馆、公共浴池、商品住宅、体育类建筑、高档的办公类及展馆类建筑中大量应用。利用太阳能制备生活热水，不仅减少了大量的传统能源的消耗，也减少了对环境的污染。

目前，太阳能热水器按集热器形式可分为平板型集热器、全玻璃真空管集热器、玻璃-金属真空管集热器。这三类太阳能热水器都具有集热效率高、保温性能好、操作简单、维修方便等优点，且热水系统可安装在屋面、墙壁及阳台等位置（图4-3），便于建筑设计。太阳能热水系统由集热器、储水箱、循环管等组成。

图4-3　太阳能热水器安装位置示意

（a）屋面太阳能热水器；（b）墙壁太阳能热水器；（c）阳台太阳能热水器

1）太阳能热水系统类型。

①自然循环系统（图4-4）：仅利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差进行循环的太阳能热水系统。在自然循环系统中，为了保证必要的热虹吸压力，储水箱的下循环管应高于集热器的上循环管。这种系统结构简单，不需要附加动力。

②强制循环系统（图4-5）：利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器（或换热器）进行循环的太阳能热水系统。强制循环系统的控制方式包括温差控制、光电控制及定时器控制等。

图4-4　自然循环系统

图4-5　强制循环系统

③直流式系统（图4-6）：冷水一次流过集热器加热后，进入储水箱至用热水处的非循环太阳能热水系统。直流式系统一般可采用非电控温控阀或温控器控制方式。直流式系统通常也可称为定温放水系统。(https://www.xing528.com)

④带辅助能源的太阳能热水系统（图4-7）：为保证民用建筑的太阳能热水系统可以全天候运行，通常，将太阳能热水系统与使用辅助能源的加热设备联合使用，构成带辅助能源的太阳能热水系统。辅助能源为电力、热力网、燃气等，辅助能源设计按现行设计规范进行。

2）太阳能热水供应系统的设计。应参照现行国家规范《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）的规定进行设计。

①太阳能集热器应符合下列要求：太阳能集热器的设置应和建筑专业统一规划、协调，并在满足水加热系统要求的同时不影响结构安全和建筑美观；集热器的安装方位、朝向、倾角和间距等应符合现行国家规范《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》（GB 50364—2018）的要求；集热器总面积应根据日用水量、当地年平均日太阳辐照量、集热器集热效率等因素来确定。

图4-6　直流式系统

图4-7　带辅助能源的太阳能热水系统

②强制循环的太阳能集热系统应设循环泵，循环泵的流量扬程计算应符合相关规范计算公式要求。

③太阳能热水供应系统应设置辅助热源及其水加热设施。其设计计算应符合下列要求：辅助热源宜因地制宜选择城市热力管网、燃气、燃油、电、热泵等；辅助热源及其水加热设施应结合热源条件、系统形式及太阳能供热的不稳定状态等因素，经技术经济比较后合理选择、配置；辅助热源加热设备应根据热源种类及其供水水质、冷热水系统型式等选用直接加热或间接加热设备；辅助热源的控制应在保证充分利用太阳能集热量的条件下，根据不同的热水供水方式采用手动控制、全日自动控制或定时自动控制。

④大型太阳能热水系统集热面积一般不超过500m2，试验性工程主要是一些宾馆、办公建筑，近年来，在商品住宅楼工程中也有安装集中型太阳能热水系统的尝试。大型太阳能热水系统工程设计应综合考虑各种技术经济因素，例如，游泳池供水可优先采用连续强制循环系统，而宾馆客房用水可优先采用间歇式强制循环系统；南方地区可优先考虑玻璃真空管集热器，严寒地区应优先采用真空管热管集热器。

（2）热泵热水器。热泵技术是近年来在全世界备受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高介质（流体）位能或势能的机械装置，如水泵主要是提高水位或增加水压。如油泵、气泵、水泵、混凝土泵都是输送流体至更高压力或更高位置的机械装置。顾名思义，“热泵”是输送“热量”的泵，是一种能从自然界的空气、土壤或水中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。热泵的种类有空气源热泵、地源热泵。

热泵热水器就是利用逆卡诺原理，通过介质将热量从低温物体传递到高温的水里的设备。热泵装置，可以使介质（冷媒）相变，变得比低温热源更低，从而自发吸收低温热源热量；回到压缩机后的介质，又被压缩成高温（比高温的水还高）高压气体，从而自发放热到高温热源，实现将低温热源“搬运”热量到高温热源，突破能量转换100％的瓶颈。图4-8所示为空气源热泵热水器工作原理图。图4-9所示为土壤源地源热泵系统示意。

图4-8　空气源热泵热水器工作原理图

图4-9　土壤源地源热泵系统示意

通常，将大型热泵热水供应系统称为中央热泵热水系统；将户用型热泵热水装置称为热泵热水器。热泵热水器在欧美高能耗国家已很普及，在南非的热水器市场已经占有16％的份额；在我国，家用压缩式热泵热水器目前已经有市场产品问世，但热泵技术作为大型热水供应系统研究仍有待深化和完善。

按照提取热量形式的不同，热泵技术可分为土壤源热泵技术、水源热泵技术和空气源热泵技术。从技术角度而言，空气源热泵热水技术只适合5℃以上的气候条件，受压缩机性能和系统效率的限制，采用常规工质提供55℃以上的热水有一定的困难，国内的试验研究表明，在大部分气候条件下其出水温度一般不超过50℃，这也是推广受到限制的原因之一。

可以考虑辅助热源或串级热泵的形式，将水温进一步提升到40℃～60℃，满足生活用水的温度要求。目前，某种高温地源热泵已投入运行，最高输出温度达到了75℃，该系统除提供冬季采暖、夏季制冷外，全年可提供60℃的热水。该技术比电采暖省电70％，比天然气采暖节省运行费50％，夏季比普通中央空调节电20％以上，供热水比常规方法节能80％以上。

（3）太阳能辅助热泵热水器。国外对太阳能辅助热泵热水器的研究开展得比较早，近年国内也有研究。太阳能热泵热水器（图4-10）是将空调器的热泵工作原理转化为太阳能热水器辅助加热装置，是太阳能热水器与空气能热泵的有机结合。当在阴雨天需要辅助加热，自动控制装置检测到水箱内的水温达不到设定值时，热泵开始工作，冷凝器产生高温，与水箱内（或循环管路中）的水进行热交换，最后达到并保持水温稳定在设定值。热泵的工作原理是将环境空气中的能量加以吸收，通过压缩机的驱动消耗部分高品位电能，将吸收的能量通过媒体循环系统在冷凝器中进行释放，加热蓄水箱中的水，释能后的媒体在气态状况下进入蒸发器再次吸热。太阳能热泵热水器解决了传统带电辅助加热的太阳能热水器耗电大的缺点。太阳能热泵热水器用空气源热泵辅助加热，有取长补短的效果，最大限度地降低了对高品位能源的利用。图4-11所示是几种设备的年运行费用比较图。

图4-10　太阳能热泵热水器

图4-11　几种设备的年运行费用比较图