某养老公寓项目生活热水系统热源配置分析

曾 斌

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

1 引言

近年来，随着对民用建筑绿色节能技术应用要求的逐步提高，集中生活热水供应系统的热源除了有常规的燃气（油）锅炉外，越来越多的项目应用了太阳能集热系统、空气源热泵等可再生能源设备，以满足绿建和节能相关规定的要求。目前，对华南地区公共建筑采用集中热水供应系统的热源配置相关分析还比较少，本研究以实际的项目为基础，从技术可行性、合理性和经济性的角度对该项目拟采用的热源配置进行分析，希望能为其他类似项目提供一种设计思路和参考。

2 项目简介

项目位于广东省广州市，定位为高端养老公寓，总建筑面积约23 192 m2，房间数为219间，共计222个床位。建筑高度53.7 m，地上共16层（其中2～16层为公寓区，1层为大堂、休息厅、餐厅等公共区），地下2层（包含设备机房、后勤办公、员工餐厅、厨房、车库等）。项目总平面图如图1所示。

图1 项目总平面图

3 生活热水系统及设计参数

根据项目定位，项目生活热水拟采用全日集中热水供应系统，并采用干管和立管循环的方式，循环管道同程布置。生活热水设计供回水温度60 ℃/50 ℃。热水分区为低区B1至9层，高区10～16层。项目热水定额取值[1]，见表1。经计算后的生活热水用水量及耗热量见表2。

表1 热水用水定额

表2 热水量及耗热量

3 热源配置分析

以下对采用太阳能+空气源热泵、空气源热泵和锅炉等3种集中热水供应系统时的热源配置进行计算和选型，并对各系统的组成、特点和控制等方面进行了分析。

3.1 采用太阳能+空气源热泵

太阳能热水系统采用集中储热直接换热的系统形式[2]，将太阳能平板型集热器集中设置于屋面，采用强制循环的运行方式对生活热水进行预热，从而起到节省能耗的效果。空气源热泵是由压缩机系统内的低温冷媒不断吸收室外空气中的低品位热能，带回压缩机提升为可用的高品位热能用于加热冷水。该系统原理如图2所示。

图2 太阳能+空气源热泵系统原理

系统组成：太阳能热水系统采用的是直接式集热器，设置闭式集热水罐、集热循环管道和集热器循环泵；空气源热泵热水系统采用的是循环加热式系统，热泵为直热式热泵热水机组，设置闭式供热水罐、制热循环管道和热泵制热循环泵；生活热水循环系统包括热水供水管网、热水回水管网、热水循环泵、膨胀罐和温度传感器等。

系统特点：系统维护管理和控制逻辑较复杂，能够一定程度地利用太阳能，节约更多能耗；系统组成相对复杂，对后期维护管理人员的专业性要求高；太阳能制热效果与天气因素关系较大，属于不可靠热源[3]。

系统控制要求：（1）对于太阳能预热系统，温度传感器分别设置在集热水罐和集热器出水口，二者之差作为控制条件，当温差大于等于5 ℃时，开启集热器循环泵，当温差小于等于2 ℃时，关闭集热器循环泵；（2）对于空气源供热系统，温度传感器设置在供热水罐出水口，当温度低于50 ℃时，开启热泵和热泵制热循环泵，当温度达到60 ℃时，停止工作。

由于受到屋面面积的限制，太阳能集热器实施面积不足计算面积的15%，热源配置见表3和表4。

表3 太阳能热水系统配置

表4 空气源热泵热水系统配置

3.2 采用空气源热泵

根据《广州市绿色建筑和建筑节能管理规定》第十六条所述“鼓励在建筑中推广应用太阳能热水、太阳能光伏发电、自然采光照明、热泵热水、空调热回收等可再生能源利用技术。新建12 层以下（含12 层）的居住建筑和实行集中供应热水的医院、宿舍、宾馆、游泳池等公共建筑，应当统一设计、安装太阳能热水系统。不具备太阳能热水系统安装条件的，可以采用其他可再生能源技术措施替代”。项目属于新建16层的居住建筑，按上述规定可不设置太阳能热水系统，可改为采用其他可再生能源的集中供应热水系统。

由于项目空调系统没有采用设置制冷主机或风冷热泵机组的中央空调系统，而是采用变制冷剂流量多联空调系统（VRV），并无空调余热可回收，故本项目可利用的最优可再生能源技术为空气源热泵热水系统。

根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）第5.3.1条“当最高日生活热水量大于5 m3时，除电力需求侧管理鼓励用电，且利用谷电加热的情况外，不应采用直接电加热热源作为集中热水供应系统的热源”[4]。因此，空气源热泵系统不考虑设置电辅助加热，而是采取延长空气源热泵的工作时间来满足最冷月高峰日用水要求。该系统原理如图3所示。

图3 空气源热泵系统原理

系统组成：空气源热泵热水系统采用循环加热式系统，热泵为直热式热泵热水机组，设置闭式供热水罐、制热循环管道和热泵制热循环泵；生活热水循环系统包括热水供水管网、热水回水管网、热水循环泵、膨胀罐和温度传感器等。

系统特点：系统维护管理及控制逻辑较简单，节约能耗；系统组成相对简单，对后期维护管理的专业性要求较高；在广州地区能够充分利用空气源热泵制热水。

系统控制要求：温度传感器设置在供热水罐出水口，当温度低于50 ℃时，开启热泵和热泵制热循环泵，当温度达到60 ℃时，停止工作。热源配置见表5。

表5 空气源热泵热水系统配置

3.3 采用锅炉

采用燃气（油）锅炉，以锅炉高温热水作为第一循环系统的热媒，通过水加热器将第二循环系统的冷水加热至设计生活热水温度60 ℃。该系统原理如图4所示。

图4 锅炉热水系统原理

系统组成：热媒循环系统由直接式常压燃气（油）锅炉、热媒供水管、热媒回水管、锅炉热媒循环泵、半容积式换热器和温度传感器等组成；生活热水循环系统包括热水供水管网、热水回水管网、热水循环泵、膨胀罐和温度传感器等。

系统特点：系统维护管理及控制逻辑较简单；对后期维护管理的专业性要求较高；供水可靠性高；消耗大量不可再生能源，碳排放量大；需设置锅炉房和换热机房，且锅炉房需考虑泄爆口。锅炉和高低区换热器均设置2台，当一台检修时，另一台供热能力为设计小时供热量的60%以上。

系统控制要求：锅炉高温热水供回水温度为95 ℃/75 ℃，半容积式换热器热媒进水端设置带温度探头的电动阀，同时其罐体设置电接点温度计；当换热器内的热水温度为50 ℃时，电动阀开启，热媒循环泵启动；当换热器内的热水温度为60 ℃时，电动阀关闭，热媒循环泵停止；当换热器内的热水温度高于70 ℃或低于46 ℃时，换热器电接点温度计向楼宇监控中心报警。热源配置见表6。

表6 锅炉热水系统配置

4 热源配置经济性分析

4.1 能源价格依据

本项目生活热水供应使用的能源有电力和天然气两种类型。由中国南方电网有限责任公司和广州燃气集团有限公司公布的电价和燃气价格表可知：商业电费为0.995元/度，商业天然气费为3.95元/m3。以下将以此能源价格进行经济分析。

4.2 经济分析

3种热源配置方案初投资估算对比见表7，由此可知：太阳能+空气源热泵系统初投资最高，为87.3万元；空气源热泵系统由于减少了太阳能预热部分，初投资为68.9万元；锅炉系统初投资最低，为29.6万元。

表7 初投资对比

3种热源配置方案运行费用对比见表8，由此可知：太阳能+空气源热泵系统的年运行费用最低，为24.59万元；空气源热泵系统由于减少了太阳能预热部分，年运行费用增加至25.64万元；锅炉系统消耗的是不可再生能源，年运行费用最高，为36.04万元。

表8 运行费用对比

以初投资最低的锅炉热水系统作为计算投资回收年限的基准，对其他2种热源配置的投资回收年限进行计算，见表9。可知：空气源热泵系统的投资回收期最短。

表9 投资回收年限

5 结论

太阳能+空气源热泵集中热水系统的初投资最高，年运行费用最低，投资回收年限最长。当太阳能集热器可实施面积达到一定规模时，年运行费用的降低和节能效果将会更加显著，建议对绿色建筑星级和节能要求较高的公共建筑采用。

空气源热泵集中热水系统的初投资较高，虽然年运行费用比采用太阳能+空气源热泵高，但节能效果仍较明显，且投资回收期最短。从初投资成本和资金时间价值方面考虑，建议本项目优先采用空气源热泵集中热水系统。

锅炉集中热水系统的初投资最低，由于未采用其他节能措施，消耗了大量不可再生能源，年运行费用最高，不符合绿建和节能设计的要求，故不建议单独采用。在初投资允许的条件下，可与太阳能、空气源热泵组合应用。