清華大學學生宿舍生活熱水系統選型及經濟性分析

王屹航，耿 杰，馬栓寶，宓 林，張 肖，任 瑩，楊海勇，李 一

（清華大學 基建規劃處，北京 100084）

近年來，能源消耗日益加劇，碳中和、碳達峰已成為世界各國聚焦關注的重點問題。2020 年，我國提出2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和節能減排目標[1]。目前，我國建筑能耗大概占整個社會總耗能的30%[2]。相關探索指出，民用建筑的最大熱水耗能約占建筑總耗能的兩成[3]，商業建筑的最大熱水耗能更是可達到建筑總耗能的四成[4]。隨著未來經濟的增長和人民美好生活需要的持續增加，生活中的熱水使用將不可避免地增加，因此減少能源資源的浪費，尋求科學的熱水供應方式將是降耗節能、實現碳中和的重要支撐[5]。

空氣源熱泵熱水系統具有環保性顯著、初始投資低、安全可靠等優點，是能效比最高的熱水設備之一。其利用較少的電能消耗作為驅動力，將空氣中無窮無盡的低品位熱能轉化為可供給高溫熱源的高品位熱能，并通過換熱器給進水加熱，達到供給熱水的目的。空氣源熱泵熱水系統利用了空氣中無限大的低品位熱能，能源利用率更高，通常每消耗1 kW 的電能就可以從空氣中吸收2～6 kW 的低品位熱能，顯著地降低了熱水制備的總能耗，并且相比較傳統燃氣鍋爐等方式，空氣源熱泵熱水系統整體過程無空氣污染、碳排放量低、安全、環保，因此具有較為廣闊的應用前景，將會為我國實現碳中和、碳達峰的節能減排目標提供有力的支持[6-9]。

本文對空氣源熱泵特點、原理進行了詳細介紹，并基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目生活熱水系統的設計選型，將空氣源熱泵與傳統生活熱水系統進行了對比與經濟性分析，分析結果表明，除極端天氣情況外，空氣源熱泵熱水系統是項目工況的最優選擇，可以做到節能、降耗與安全、可靠并重，因此此次設備選型對于未來北方地區生活熱水系統改造，集中供給熱水、暖氣提供了可靠的案例經驗與思路。同時本文結合項目經驗，成功在安裝過程中解決了空氣源熱泵系統的噪音震動問題，為后續空氣源熱泵熱水系統的成熟發展與推廣奠定基礎。

1 項目概況

3 號樓和4 號樓的學生宿舍（如圖1 所示）在清華大學的中心，屬于解放后建設的第一批教師宿舍，后改為學生宿舍，同期建成的教師宿舍共4 棟為1-4 號樓，由著名建筑學家梁思成設計。從上空俯視1-4 號樓呈兩個回字形，建筑樣式古樸、極具中式建筑風格。此次加固修繕項目僅包括其中的3、4 號樓學生宿舍，主要為提升老樓配套基礎設施，保障學生學習生活的環境質量。

圖1 清華大學3 號和4 號學生宿舍樓

3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目設計采用集中生活熱水系統，由于學生宿舍有防火要求，項目無法使用燃氣、燃煤鍋爐，同時由于周邊無配套集中供熱管線，宿舍樓無法與集中供熱水管路相連，并且樓宇周邊無配套大功率供電基礎，該項目無法使用電鍋爐與即熱式電熱水器。在保證工程順利進展、宿舍房間充分保留的前提下，通過調研與設備選型，最終采用空氣源熱泵熱水機組為宿舍熱水系統提供熱水熱源，如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵

2 空氣源熱泵特點與原理

2.1 空氣源熱泵熱水系統工作原理

空氣源熱泵使用條件靈活，安裝方便，投資較低，具有長遠的應用前景，了解空氣源熱泵的工作原理與系統組成將會對不同工況下推廣使用空氣源熱泵有重要意義。

空氣源熱泵與普通空調器類似，都遵循逆卡諾循環，通過能量供給將低品位熱能提升為高品位熱能供給給高溫熱源，同樣也包括一般使用的“四大件”：（1）壓縮機；（2）膨脹閥；（3）冷凝器；（4）蒸發器。然而，熱泵與空調之間的區別是，供熱系數始終大于1。

空氣源熱泵熱水系統整體工作過程如圖3 所示，其中空氣源熱泵端工作流程具體如下。

圖3 空氣動力原理熱能泵熱水系統泵

第一，低溫和液體壓力的降低會使蒸發的空氣中的熱能持續低強度地吸收，從液體變為低溫低壓氣體。

第二，低溫低壓的氣體工作介質在壓縮機的作用下變為高溫高壓氣體，具有可供給高溫熱源的高品位熱能（僅此過程需要消耗電能做功）。

第三，高溫高壓氣體工作介質通過冷凝器散熱，成為低溫和高壓液體工作介質，同時加熱冷凝器殼體內冷水，提高水溫。

第四，高壓低溫的液體工質會經過膨脹閥，進行降壓處理，重新成為低溫低壓的液體工質，并再次經過蒸發器重復上述工作流程，周而復始，不斷循環。

在空氣源熱泵的整體作業過程中，工作介質通過壓縮機、冷凝器、蒸發器及膨脹閥連續流動、循環，通過蒸發器從空氣中獲取低品位熱能，通過冷凝器對外部進水進行加熱釋放熱量，整體工作流程不斷循環，直至低溫進水被加熱到設定溫度[2，10-12]。可見，在空氣源熱泵整體循環過程中僅有壓縮機工作時需要消耗電能提升工質溫度與壓力，其余能量都來源于無限大的空氣能源。研究表明，理想情況下空氣源熱泵消耗1 倍電能可以從空氣中得到3 倍的能量，其節能效果超群[11，13-14]。

2.2 空氣源熱泵熱水系統的分類

空氣源熱泵熱水系統中水的加熱方式有兩種，分別是即熱式與貯水式。即熱式加熱是利用冷凝器的殼體直接作為貯水容器，使用過程中，低溫進水將會直接在冷凝器殼體中被加熱，當水溫上升到規定溫度時，熱水從水的出口流出，冷水從水的入口自動補充。即熱式加熱空氣源熱泵熱水系統主要適用于家用的小型熱水器。貯水式加熱方式是在冷凝器殼體外單獨設置一個貯水箱，低溫冷水通過水泵不斷從貯水箱流入冷凝器下部進水口，經冷凝器加熱后由上部流出回到貯水箱，貯水式加熱空氣源熱泵熱水系統主要適用于工業或大型建筑的集中熱水供應[6，10]。

空氣源熱泵熱水供給系統集中熱水供給的加熱模式可以分為直接加熱模式和循環模式兩種類型。其中，直接加熱空氣源熱泵熱水系統為了直接加熱，向空氣源熱泵熱水系統的熱泵端泵入冷水，水溫達到設定的溫度后，向供水儲存和隔熱箱泵入熱水；循環式空氣源熱泵熱水系統是將進水直接輸送到保溫水箱，然后讓冷水在水箱與熱泵機組間不斷泵送不斷加熱，直到達到設定溫度后停止往復過程。循環式空氣源熱泵熱水系統可分為連續循環式加熱系統與間接循環式加熱系統，其最大區別在于系統水箱設置的數量，間接式循環加熱系統需要設置2 個保溫水箱，需要先讓冷水在小水箱與熱水系統空氣源熱泵主機端之間進行循環加熱，當熱水達到既定溫度后再由水泵泵送至大的保溫水箱儲存。

直熱式空氣源熱泵熱水系統的加熱能力更強，具有一定的即時加熱功能，主要應用于建筑規模較小、用水量需求較大的工程；循環式空氣源熱泵熱水系統更加穩定，加熱時間更短，但不具備即時加熱能力，使用時需要提前啟動設備加熱保溫水箱內的水。

2.3 空氣源熱泵熱水系統的特點

空氣源熱泵熱水系統與傳統熱水系統相比在環保性、節能性、安全性、可靠性等方面都具有很大的優勢。

（1）節能方面，空氣源熱泵熱水系統能效比恒大于1，一般工況下能效比也可達到3～4，相比電加熱鍋爐與燃料鍋爐等傳統熱水系統能效比更高，能耗更低。

（2）環保方面，空氣源熱泵熱水系統無直接排放，無環境污染，相比傳統熱水系統綜合碳排放量更低，環保性更強。

（3）安全方面，空氣源熱泵熱水系統通過制冷工質與冷水進行熱交換，水、電分離，不存在漏電等安全隱患，與傳統熱水系統和即熱式電熱水器相比，安全性更高。

（4）可靠性方面，空氣源熱泵熱水系統無需傳統燃料，不受燃料供應限制，除極端天氣外，受天氣影響較小，可實現全年無休，全天24 h 的持續性安全運行。

除上述優勢外，空氣源熱泵熱水系統相比傳統熱水系統還具備安裝簡便、配套基礎設施要求低、初期投資費用低等優點。不過，空氣源熱泵熱水系統也有其無法回避的缺點，一是空氣源熱泵熱水系統受室外空氣影響較大，研究表明當室外溫度處于-6～5℃之間時，空氣源熱泵系統室外換熱器易出現結霜問題，導致整體系統的運行效率降低，結霜嚴重時甚至可能會影響整體系統的穩定運行[15-16]；二是目前市場對空氣源熱泵熱水系統的認知與認可程度不足，一定程度上限制了空氣源熱泵熱水系統的發展與推廣。

2.4 空氣源熱泵熱水系統的經濟性分析

空氣源熱泵熱水系統發展至今已經引起了很多專家學者的關注，其經濟性分析工作也已經有很多工作成果。

孫干[5]結合北京市相關環保政策，對目前各種供熱方式的二氧化碳排放量、系統熱效率、初始投資與綜合運行成本進行了對比分析，見表1。就供暖系統而言，熱泵系統綜合運行成本與初始投資相對較高，但二氧化碳排放量較低，環保效果顯著；天然氣系統成本相對較低，但環保性較差；中深層地熱能效比顯著，補貼后運行成本較低，具有很長遠的應用前景，但是周邊配套設施需要完善，不利于應用在簡單改造項目中。

表1 不同供熱方式的碳排放、熱效率及經濟性對比分析[5]

車國平[17]基于大連地區使用的空氣源熱泵系統的全年運行數據，對北方寒冷地區工況下空氣源熱泵技術應用的情況進行了綜合性能分析。分析結果顯示，北方寒冷地區針對不同工況下合理進行空氣源熱泵制熱系統設備選型，它能夠滿足用戶的需求，并具有明顯的環境保護性能。

封海輝等[18]人通過計算高校公共浴室空氣源熱泵熱水系統的能效比，對空氣源熱泵熱水系統集中熱水供應的實際工況進行了參數分析，比較了傳統熱水系統的標準煤耗與綜合運行成本。相關探索指出，在成都地區的普通工況下使用空氣源熱泵熱水機組，只需要花費較低的運行費用就可以得到較高的能源效率，經濟、節能效果顯著。

本文基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固改造項目生活熱水系統設備選型工作，對于不同生活熱水系統進行了調研分析與計算對比（見表2），可見空氣源熱泵熱水系統在熱水費用成本單項中具有很大的經濟優勢，在環保與安全因素中也顯著領先。因此，綜合對比因素，空氣源熱泵熱水系統在宿舍等集中供應熱水工況下具有強勢的領先地位，可以做到節能降耗與安全可靠并重。

表2 不同生活熱水系統的綜合對比

3 項目工況下空氣源熱泵熱水系統選型與要求

清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目是學生宿舍翻新、改造項目，以滿足學生住宿生活需求為主要目的，因此為保證學生順利入住，該項目時間緊、任務重，并且由于周邊配套基礎設施不完善，無法加裝電鍋爐等大型用電設備，給項目推進與生活熱水系統選型帶來了極大的困難。

如上文提到，項目施工條件所限無法應用電鍋爐、燃氣鍋爐、集中熱水供應等傳統熱水系統，因此太陽能熱水系統、空氣源熱泵熱水系統成為新的設備選型參考。本文針對太陽能熱水系統與空氣源熱泵熱水系統進行了文獻調研，其對比分析匯總見表3。太陽能熱水系統具有環保、能耗低、技術成熟、認可度高等優點，是較為成熟的熱水供應技術之一，但其缺點也很明顯，會受到天氣與自然環境的影響很難保證熱水供應的穩定性，安全與可靠性需要靠后期維護保證并且維保成本較高，同時安裝受場地限制，需要大面積的安裝位置。由于項目施工條件所限，建筑物樓頂為坡屋面無法安裝太陽能熱水系統，因此只能考慮放棄太陽能熱水系統，采用空氣源熱泵熱水系統（具體參數見表4）。

表3 空氣源熱泵熱水系統與太陽能熱水系統的對比分析[19]

表4 空氣源熱泵熱水系統詳細參數

在確定熱水供應系統種類后，對空氣源熱泵熱水系統進行選型，由于北京地區存在極寒天氣的可能性，為保證生活熱水全年的正常供應，空氣源熱泵熱水系統選擇適用環境為-30～43℃的型號。同時根據相關衛生標準要求生活熱水儲備水水溫選取55℃，生活熱水儲備水水質選用城市自來水，并進行硅磷晶處理。由于建筑物使用水質較硬，因此增加板換將熱泵機組與儲水箱隔開，通過間接換熱加熱冷水，避免機組結垢。

空氣源熱泵熱水系統應用于熱水集中供應的案例并不多見，溫金保、段夢慶、虞良偉等[20-21，11]人分別對于高校學生宿舍與賓館的用水量計算與熱水系統自動控制進行了諸多工作。在參考前人工作后，清華大學3、4號樓生活熱水系統將采用兩種可選模式分別為每日連續24 h 供應和每日定時供應；洗浴水量將按照45℃洗浴熱水每人120 L/次、宿舍85 間、每間2 人、每天的同時使用系數0.8 計算，同時熱水儲備量按滿足1 d 使用量設計，并且儲水水箱按0.90 有效容積考慮，盡可能地保證全天24 h 的熱水供應與足夠的應急儲備；此外，由于近年來北京地區寒冬極端天氣頻發，因此室外管道將采用30 mm 厚B1 級橡塑保溫外包裹0.5 mm 厚鋁板殼，同時屋面一次加熱水管將鋪設電伴熱做防凍處理，避免極端天氣破壞空氣源熱泵熱水系統的安全運行，最大程度保證一年四季穩定的熱水供應。

除常規參數計算外，空氣源熱泵熱水系統運行中的噪聲問題也在安裝過程中得到解決。由于安裝位置為宿舍樓頂，因此噪聲除空氣傳播外還會通過樓板震動傳播，為了解決機組的振動噪音，項目采用雙層阻尼減震模式，隔振率達到了98.27%，有效降低了熱泵機組的噪聲傳播與震動傳遞，為后續空氣源熱泵的發展積累了寶貴的施工經驗。

4 總結與展望

空氣源熱泵熱水系統具有能效比高、環保節能顯著、安全可靠穩定等優勢，在熱水集中供應項目中具有長遠的發展前景，同時由于安裝方便、施工簡單，在老樓修繕改造的項目中尤為適用，可以做到節能降耗與安全穩定并重，同時還能保證足夠的經濟性。本文基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目生活熱水系統的設計選型，對空氣源熱泵特點、原理進行了詳細介紹，并將空氣源熱泵與傳統生活熱水系統進行了對比與經濟性分析。結果表明，由于施工條件所限，空氣源熱泵熱水系統是項目工況的最優選擇，同時對比分析結果也可以明確得出空氣源熱泵熱水系統熱水加熱成本低與顯著環保性等強勢優勢。因此，本次設備選型對于未來北方地區生活熱水系統改造、集中熱水供給、集中供暖提供了可靠的案例經驗與思路，同時在設備安裝過程中成功解決了空氣源熱泵系統噪音震動問題，為后續空氣源熱泵熱水系統的成熟發展與推廣奠定基礎。