曾 斌

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

1 引言

近年來，隨著對(duì)民用建筑綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用要求的逐步提高，集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源除了有常規(guī)的燃?xì)猓ㄓ停╁仩t外，越來越多的項(xiàng)目應(yīng)用了太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵等可再生能源設(shè)備，以滿足綠建和節(jié)能相關(guān)規(guī)定的要求。目前，對(duì)華南地區(qū)公共建筑采用集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源配置相關(guān)分析還比較少，本研究以實(shí)際的項(xiàng)目為基礎(chǔ)，從技術(shù)可行性、合理性和經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)該項(xiàng)目擬采用的熱源配置進(jìn)行分析，希望能為其他類似項(xiàng)目提供一種設(shè)計(jì)思路和參考。

2 項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目位于廣東省廣州市，定位為高端養(yǎng)老公寓，總建筑面積約23 192 m2，房間數(shù)為219間，共計(jì)222個(gè)床位。建筑高度53.7 m，地上共16層（其中2～16層為公寓區(qū)，1層為大堂、休息廳、餐廳等公共區(qū)），地下2層（包含設(shè)備機(jī)房、后勤辦公、員工餐廳、廚房、車庫等）。項(xiàng)目總平面圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目總平面圖

3 生活熱水系統(tǒng)及設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目定位，項(xiàng)目生活熱水?dāng)M采用全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，并采用干管和立管循環(huán)的方式，循環(huán)管道同程布置。生活熱水設(shè)計(jì)供回水溫度60 ℃/50 ℃。熱水分區(qū)為低區(qū)B1至9層，高區(qū)10～16層。項(xiàng)目熱水定額取值[1]，見表1。經(jīng)計(jì)算后的生活熱水用水量及耗熱量見表2。

表1 熱水用水定額

表2 熱水量及耗熱量

3 熱源配置分析

以下對(duì)采用太陽能+空氣源熱泵、空氣源熱泵和鍋爐等3種集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)的熱源配置進(jìn)行計(jì)算和選型，并對(duì)各系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和控制等方面進(jìn)行了分析。

3.1 采用太陽能+空氣源熱泵

太陽能熱水系統(tǒng)采用集中儲(chǔ)熱直接換熱的系統(tǒng)形式[2]，將太陽能平板型集熱器集中設(shè)置于屋面，采用強(qiáng)制循環(huán)的運(yùn)行方式對(duì)生活熱水進(jìn)行預(yù)熱，從而起到節(jié)省能耗的效果。空氣源熱泵是由壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的低溫冷媒不斷吸收室外空氣中的低品位熱能，帶回壓縮機(jī)提升為可用的高品位熱能用于加熱冷水。該系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)原理

系統(tǒng)組成：太陽能熱水系統(tǒng)采用的是直接式集熱器，設(shè)置閉式集熱水罐、集熱循環(huán)管道和集熱器循環(huán)泵；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用的是循環(huán)加熱式系統(tǒng)，熱泵為直熱式熱泵熱水機(jī)組，設(shè)置閉式供熱水罐、制熱循環(huán)管道和熱泵制熱循環(huán)泵；生活熱水循環(huán)系統(tǒng)包括熱水供水管網(wǎng)、熱水回水管網(wǎng)、熱水循環(huán)泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)維護(hù)管理和控制邏輯較復(fù)雜，能夠一定程度地利用太陽能，節(jié)約更多能耗；系統(tǒng)組成相對(duì)復(fù)雜，對(duì)后期維護(hù)管理人員的專業(yè)性要求高；太陽能制熱效果與天氣因素關(guān)系較大，屬于不可靠熱源[3]。

系統(tǒng)控制要求：（1）對(duì)于太陽能預(yù)熱系統(tǒng)，溫度傳感器分別設(shè)置在集熱水罐和集熱器出水口，二者之差作為控制條件，當(dāng)溫差大于等于5 ℃時(shí)，開啟集熱器循環(huán)泵，當(dāng)溫差小于等于2 ℃時(shí)，關(guān)閉集熱器循環(huán)泵；（2）對(duì)于空氣源供熱系統(tǒng)，溫度傳感器設(shè)置在供熱水罐出水口，當(dāng)溫度低于50 ℃時(shí)，開啟熱泵和熱泵制熱循環(huán)泵，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，停止工作。

由于受到屋面面積的限制，太陽能集熱器實(shí)施面積不足計(jì)算面積的15%，熱源配置見表3和表4。

表3 太陽能熱水系統(tǒng)配置

表4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)配置

3.2 采用空氣源熱泵

根據(jù)《廣州市綠色建筑和建筑節(jié)能管理規(guī)定》第十六條所述“鼓勵(lì)在建筑中推廣應(yīng)用太陽能熱水、太陽能光伏發(fā)電、自然采光照明、熱泵熱水、空調(diào)熱回收等可再生能源利用技術(shù)。新建12 層以下（含12 層）的居住建筑和實(shí)行集中供應(yīng)熱水的醫(yī)院、宿舍、賓館、游泳池等公共建筑，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)、安裝太陽能熱水系統(tǒng)。不具備太陽能熱水系統(tǒng)安裝條件的，可以采用其他可再生能源技術(shù)措施替代”。項(xiàng)目屬于新建16層的居住建筑，按上述規(guī)定可不設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)，可改為采用其他可再生能源的集中供應(yīng)熱水系統(tǒng)。

由于項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)沒有采用設(shè)置制冷主機(jī)或風(fēng)冷熱泵機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)，而是采用變制冷劑流量多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)（VRV），并無空調(diào)余熱可回收，故本項(xiàng)目可利用的最優(yōu)可再生能源技術(shù)為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）第5.3.1條“當(dāng)最高日生活熱水量大于5 m3時(shí)，除電力需求側(cè)管理鼓勵(lì)用電，且利用谷電加熱的情況外，不應(yīng)采用直接電加熱熱源作為集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源”[4]。因此，空氣源熱泵系統(tǒng)不考慮設(shè)置電輔助加熱，而是采取延長空氣源熱泵的工作時(shí)間來滿足最冷月高峰日用水要求。該系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵系統(tǒng)原理

系統(tǒng)組成：空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用循環(huán)加熱式系統(tǒng)，熱泵為直熱式熱泵熱水機(jī)組，設(shè)置閉式供熱水罐、制熱循環(huán)管道和熱泵制熱循環(huán)泵；生活熱水循環(huán)系統(tǒng)包括熱水供水管網(wǎng)、熱水回水管網(wǎng)、熱水循環(huán)泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)維護(hù)管理及控制邏輯較簡單，節(jié)約能耗；系統(tǒng)組成相對(duì)簡單，對(duì)后期維護(hù)管理的專業(yè)性要求較高；在廣州地區(qū)能夠充分利用空氣源熱泵制熱水。

系統(tǒng)控制要求：溫度傳感器設(shè)置在供熱水罐出水口，當(dāng)溫度低于50 ℃時(shí)，開啟熱泵和熱泵制熱循環(huán)泵，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，停止工作。熱源配置見表5。

表5 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)配置

3.3 采用鍋爐

采用燃?xì)猓ㄓ停╁仩t，以鍋爐高溫?zé)崴鳛榈谝谎h(huán)系統(tǒng)的熱媒，通過水加熱器將第二循環(huán)系統(tǒng)的冷水加熱至設(shè)計(jì)生活熱水溫度60 ℃。該系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 鍋爐熱水系統(tǒng)原理

系統(tǒng)組成：熱媒循環(huán)系統(tǒng)由直接式常壓燃?xì)猓ㄓ停╁仩t、熱媒供水管、熱媒回水管、鍋爐熱媒循環(huán)泵、半容積式換熱器和溫度傳感器等組成；生活熱水循環(huán)系統(tǒng)包括熱水供水管網(wǎng)、熱水回水管網(wǎng)、熱水循環(huán)泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)維護(hù)管理及控制邏輯較簡單；對(duì)后期維護(hù)管理的專業(yè)性要求較高；供水可靠性高；消耗大量不可再生能源，碳排放量大；需設(shè)置鍋爐房和換熱機(jī)房，且鍋爐房需考慮泄爆口。鍋爐和高低區(qū)換熱器均設(shè)置2臺(tái)，當(dāng)一臺(tái)檢修時(shí)，另一臺(tái)供熱能力為設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量的60%以上。

系統(tǒng)控制要求：鍋爐高溫?zé)崴┗厮疁囟葹?5 ℃/75 ℃，半容積式換熱器熱媒進(jìn)水端設(shè)置帶溫度探頭的電動(dòng)閥，同時(shí)其罐體設(shè)置電接點(diǎn)溫度計(jì)；當(dāng)換熱器內(nèi)的熱水溫度為50 ℃時(shí)，電動(dòng)閥開啟，熱媒循環(huán)泵啟動(dòng)；當(dāng)換熱器內(nèi)的熱水溫度為60 ℃時(shí)，電動(dòng)閥關(guān)閉，熱媒循環(huán)泵停止；當(dāng)換熱器內(nèi)的熱水溫度高于70 ℃或低于46 ℃時(shí)，換熱器電接點(diǎn)溫度計(jì)向樓宇監(jiān)控中心報(bào)警。熱源配置見表6。

表6 鍋爐熱水系統(tǒng)配置

4 熱源配置經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 能源價(jià)格依據(jù)

本項(xiàng)目生活熱水供應(yīng)使用的能源有電力和天然氣兩種類型。由中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司和廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司公布的電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格表可知：商業(yè)電費(fèi)為0.995元/度，商業(yè)天然氣費(fèi)為3.95元/m3。以下將以此能源價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

3種熱源配置方案初投資估算對(duì)比見表7，由此可知：太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)初投資最高，為87.3萬元；空氣源熱泵系統(tǒng)由于減少了太陽能預(yù)熱部分，初投資為68.9萬元；鍋爐系統(tǒng)初投資最低，為29.6萬元。

表7 初投資對(duì)比

3種熱源配置方案運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見表8，由此可知：太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用最低，為24.59萬元；空氣源熱泵系統(tǒng)由于減少了太陽能預(yù)熱部分，年運(yùn)行費(fèi)用增加至25.64萬元；鍋爐系統(tǒng)消耗的是不可再生能源，年運(yùn)行費(fèi)用最高，為36.04萬元。

表8 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

以初投資最低的鍋爐熱水系統(tǒng)作為計(jì)算投資回收年限的基準(zhǔn)，對(duì)其他2種熱源配置的投資回收年限進(jìn)行計(jì)算，見表9?？芍嚎諝庠礋岜孟到y(tǒng)的投資回收期最短。

表9 投資回收年限

5 結(jié)論

太陽能+空氣源熱泵集中熱水系統(tǒng)的初投資最高，年運(yùn)行費(fèi)用最低，投資回收年限最長。當(dāng)太陽能集熱器可實(shí)施面積達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，年運(yùn)行費(fèi)用的降低和節(jié)能效果將會(huì)更加顯著，建議對(duì)綠色建筑星級(jí)和節(jié)能要求較高的公共建筑采用。

空氣源熱泵集中熱水系統(tǒng)的初投資較高，雖然年運(yùn)行費(fèi)用比采用太陽能+空氣源熱泵高，但節(jié)能效果仍較明顯，且投資回收期最短。從初投資成本和資金時(shí)間價(jià)值方面考慮，建議本項(xiàng)目優(yōu)先采用空氣源熱泵集中熱水系統(tǒng)。

鍋爐集中熱水系統(tǒng)的初投資最低，由于未采用其他節(jié)能措施，消耗了大量不可再生能源，年運(yùn)行費(fèi)用最高，不符合綠建和節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，故不建議單獨(dú)采用。在初投資允許的條件下，可與太陽能、空氣源熱泵組合應(yīng)用。