某養老公寓項目生活熱水系統熱源配置分析

曾 斌

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

1 引言

近年來，隨著對民用建筑綠色節能技術應用要求的逐步提高，集中生活熱水供應系統的熱源除了有常規的燃氣（油）鍋爐外，越來越多的項目應用了太陽能集熱系統、空氣源熱泵等可再生能源設備，以滿足綠建和節能相關規定的要求。目前，對華南地區公共建筑采用集中熱水供應系統的熱源配置相關分析還比較少，本研究以實際的項目為基礎，從技術可行性、合理性和經濟性的角度對該項目擬采用的熱源配置進行分析，希望能為其他類似項目提供一種設計思路和參考。

2 項目簡介

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

圖1 項目總平面圖

3 生活熱水系統及設計參數

根據項目定位，項目生活熱水擬采用全日集中熱水供應系統，并采用干管和立管循環的方式，循環管道同程布置。生活熱水設計供回水溫度60 ℃/50 ℃。熱水分區為低區B1至9層，高區10～16層。項目熱水定額取值[1]，見表1。經計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種集中熱水供應系統時的熱源配置進行計算和選型，并對各系統的組成、特點和控制等方面進行了分析。

3.1 采用太陽能+空氣源熱泵

太陽能熱水系統采用集中儲熱直接換熱的系統形式[2]，將太陽能平板型集熱器集中設置于屋面，采用強制循環的運行方式對生活熱水進行預熱，從而起到節省能耗的效果。空氣源熱泵是由壓縮機系統內的低溫冷媒不斷吸收室外空氣中的低品位熱能，帶回壓縮機提升為可用的高品位熱能用于加熱冷水。該系統原理如圖2所示。

圖2 太陽能+空氣源熱泵系統原理

系統組成：太陽能熱水系統采用的是直接式集熱器，設置閉式集熱水罐、集熱循環管道和集熱器循環泵；空氣源熱泵熱水系統采用的是循環加熱式系統，熱泵為直熱式熱泵熱水機組，設置閉式供熱水罐、制熱循環管道和熱泵制熱循環泵；生活熱水循環系統包括熱水供水管網、熱水回水管網、熱水循環泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統特點：系統維護管理和控制邏輯較復雜，能夠一定程度地利用太陽能，節約更多能耗；系統組成相對復雜，對后期維護管理人員的專業性要求高；太陽能制熱效果與天氣因素關系較大，屬于不可靠熱源[3]。

系統控制要求：（1）對于太陽能預熱系統，溫度傳感器分別設置在集熱水罐和集熱器出水口，二者之差作為控制條件，當溫差大于等于5 ℃時，開啟集熱器循環泵，當溫差小于等于2 ℃時，關閉集熱器循環泵；（2）對于空氣源供熱系統，溫度傳感器設置在供熱水罐出水口，當溫度低于50 ℃時，開啟熱泵和熱泵制熱循環泵，當溫度達到60 ℃時，停止工作。

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

表3 太陽能熱水系統配置

表4 空氣源熱泵熱水系統配置

3.2 采用空氣源熱泵

根據《廣州市綠色建筑和建筑節能管理規定》第十六條所述“鼓勵在建筑中推廣應用太陽能熱水、太陽能光伏發電、自然采光照明、熱泵熱水、空調熱回收等可再生能源利用技術。新建12 層以下（含12 層）的居住建筑和實行集中供應熱水的醫院、宿舍、賓館、游泳池等公共建筑，應當統一設計、安裝太陽能熱水系統。不具備太陽能熱水系統安裝條件的，可以采用其他可再生能源技術措施替代”。項目屬于新建16層的居住建筑，按上述規定可不設置太陽能熱水系統，可改為采用其他可再生能源的集中供應熱水系統。

由于項目空調系統沒有采用設置制冷主機或風冷熱泵機組的中央空調系統，而是采用變制冷劑流量多聯空調系統（VRV），并無空調余熱可回收，故本項目可利用的最優可再生能源技術為空氣源熱泵熱水系統。

根據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）第5.3.1條“當最高日生活熱水量大于5 m3時，除電力需求側管理鼓勵用電，且利用谷電加熱的情況外，不應采用直接電加熱熱源作為集中熱水供應系統的熱源”[4]。因此，空氣源熱泵系統不考慮設置電輔助加熱，而是采取延長空氣源熱泵的工作時間來滿足最冷月高峰日用水要求。該系統原理如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵系統原理

系統組成：空氣源熱泵熱水系統采用循環加熱式系統，熱泵為直熱式熱泵熱水機組，設置閉式供熱水罐、制熱循環管道和熱泵制熱循環泵；生活熱水循環系統包括熱水供水管網、熱水回水管網、熱水循環泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統特點：系統維護管理及控制邏輯較簡單，節約能耗；系統組成相對簡單，對后期維護管理的專業性要求較高；在廣州地區能夠充分利用空氣源熱泵制熱水。

系統控制要求：溫度傳感器設置在供熱水罐出水口，當溫度低于50 ℃時，開啟熱泵和熱泵制熱循環泵，當溫度達到60 ℃時，停止工作。熱源配置見表5。

表5 空氣源熱泵熱水系統配置

3.3 采用鍋爐

采用燃氣（油）鍋爐，以鍋爐高溫熱水作為第一循環系統的熱媒，通過水加熱器將第二循環系統的冷水加熱至設計生活熱水溫度60 ℃。該系統原理如圖4所示。

圖4 鍋爐熱水系統原理

系統組成：熱媒循環系統由直接式常壓燃氣（油）鍋爐、熱媒供水管、熱媒回水管、鍋爐熱媒循環泵、半容積式換熱器和溫度傳感器等組成；生活熱水循環系統包括熱水供水管網、熱水回水管網、熱水循環泵、膨脹罐和溫度傳感器等。

系統特點：系統維護管理及控制邏輯較簡單；對后期維護管理的專業性要求較高；供水可靠性高；消耗大量不可再生能源，碳排放量大；需設置鍋爐房和換熱機房，且鍋爐房需考慮泄爆口。鍋爐和高低區換熱器均設置2臺，當一臺檢修時，另一臺供熱能力為設計小時供熱量的60%以上。

系統控制要求：鍋爐高溫熱水供回水溫度為95 ℃/75 ℃，半容積式換熱器熱媒進水端設置帶溫度探頭的電動閥，同時其罐體設置電接點溫度計；當換熱器內的熱水溫度為50 ℃時，電動閥開啟，熱媒循環泵啟動；當換熱器內的熱水溫度為60 ℃時，電動閥關閉，熱媒循環泵停止；當換熱器內的熱水溫度高于70 ℃或低于46 ℃時，換熱器電接點溫度計向樓宇監控中心報警。熱源配置見表6。

表6 鍋爐熱水系統配置

4 熱源配置經濟性分析

4.1 能源價格依據

本項目生活熱水供應使用的能源有電力和天然氣兩種類型。由中國南方電網有限責任公司和廣州燃氣集團有限公司公布的電價和燃氣價格表可知：商業電費為0.995元/度，商業天然氣費為3.95元/m3。以下將以此能源價格進行經濟分析。

4.2 經濟分析

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

表7 初投資對比

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

表8 運行費用對比

以初投資最低的鍋爐熱水系統作為計算投資回收年限的基準，對其他2種熱源配置的投資回收年限進行計算，見表9。可知：空氣源熱泵系統的投資回收期最短。

表9 投資回收年限

5 結論

太陽能+空氣源熱泵集中熱水系統的初投資最高，年運行費用最低，投資回收年限最長。當太陽能集熱器可實施面積達到一定規模時，年運行費用的降低和節能效果將會更加顯著，建議對綠色建筑星級和節能要求較高的公共建筑采用。

空氣源熱泵集中熱水系統的初投資較高，雖然年運行費用比采用太陽能+空氣源熱泵高，但節能效果仍較明顯，且投資回收期最短。從初投資成本和資金時間價值方面考慮，建議本項目優先采用空氣源熱泵集中熱水系統。

鍋爐集中熱水系統的初投資最低，由于未采用其他節能措施，消耗了大量不可再生能源，年運行費用最高，不符合綠建和節能設計的要求，故不建議單獨采用。在初投資允許的條件下，可與太陽能、空氣源熱泵組合應用。