中央卫生热水项目节能分析
1、前言
随着热泵热水器、太阳能热水器的应用越来越普遍，居民住宅，学校、工厂员工宿舍等采用中央卫生热水系统已经成为一种趋势。从理论上讲，热泵和太阳能是一种费用低廉、节能环保的热水能源，但如果设计选型、安装、使用、维护等不当，会使系统耗能增大，考察一些工程案例也发现实际应用效果与设计预期相差甚远。下面以具体项目为例，阐述中央卫生热水系统的节能途径，从而为类似项目的价值型投资提供一些参考。
2、工程案例
某公司有5座相同且相邻的员工宿舍楼，楼高6层，每层10间房，共有近2000名员工住宿。设计按人均日需55℃热水50升，共计100吨，配备10个10吨水箱，10台10HP空气源热泵热水机组。热水系统如图1所示。水箱、热泵机组、水泵等均置于楼顶。
以一座楼为例，楼顶供水总管及楼内立管为DN150镀锌管，长100m，保温层30mm厚；供水循环水泵流量为40吨/小时，功率11kW，一备一用；机组与水箱间循环水泵流量5吨/小时，功率0.55kW；楼顶其余管路为DN50镀锌管，总长40m，保温层30mm厚。楼层支管为DN50耐热聚乙烯PE-X管材，总长400m，未保温；房内管为DN20耐热聚乙烯PE-X管材，总长300m，未保温。
图1 卫生热水系统原理简图
原设计估算运行费用如下：
1）空气源热泵耗电
10HP空气源热泵制热量为35kW，年平均COP=4.0，平均初始水温为15℃
平均日运行时间=100吨×（55℃-15℃）×1.163÷（35kW×10）=13.3（h）。
空气源热泵日耗电=35kW÷4.0×10×13.3h=1163.8kW·h
2）水泵耗电
（1）制热循环水泵日耗电=0.55kW×10×13.3h=73.15kW·h
（2）供水循环水泵日循环时间共5小时日耗电=11kW×5×5h=275kW·h
平均日总耗电=1163.8+73.15+275=1511.95（kW·h），电价是1元/kW·h，因此人均日使用热水费用为0.756元。
而实际使用却大大出乎意料之外，当环境温度低于15℃时，空气源热泵机组日运行24小时还满足不了热水需求，员工投诉热水不够热，而且费用惊人。
3、系统勘查与校核
为找出系统制热量不足和不节能的原因，对现场勘查和理论校核如下。
1）首先对空气源热泵机组进行检查，在15℃环境温度下，机组结霜较少，基本不需考虑化霜的影响。现场运行检测发现机组制热量偏小，只有28kW，高压偏高，能效比偏低，只有3.5。进一步查找原因，除了发现机组换热器面积偏小外，还发现循环水泵偏小。按机组制热量35kW计，循环水流量应不小于：35÷（5×1.163）=6（吨/小时），实际选用5吨/小时，加上管路连接拐弯多、局部阻力大，实际水流量只有4吨/小时多一些，因此机组换热效果差。
2）供热循环水泵的校核
供热循环水泵的功率占了很大的比率，这也是系统耗能的原因之一。按一座楼内共有房间60间，即花洒60个，每个花洒流量为10升/分钟，设同时使用率为75％，则供水流量为27吨/小时，而实际安装40吨/小时的水泵，功率11kW，一备一用。
在实际的运行当中，供水循环水泵每日运行达到10个小时，使水泵的功耗增加了一倍。水泵的功耗虽然有一部份转化为系统热能，但这种热能效率很低，其余大部分由于保温不善损失在周围环境当中。
3）系统保温性能校核
在勘查中发现，在环境温度15℃无用水状态下，系统日水温降严重。为此先校核管路的散热情况。
如图2，设管道中的热水温度为t1，管道内壁的温度是t2，管道和保温材料接触处的温度为t3，保温材料外表面的温度为t4，管道所处空间的温度为t5：设管道的内径是r1，外径是r2，保温材料的外径是r3。
图2
设管道材料的导热系数为λ1，保温材料导热系数为λ2，管内热水和管外空气与管壁间的对流换热系数分别 α1、α2。
由传热学公式可知，热水通过管道壁和保温层传热给空气的过程总热阻（忽略污垢热阻）R为
—————————（a）
式中：
R1——管内对流换热热阻，R1=1／(2α1πr1)；
R2——管壁导热热阻，R2=(1nr2／r1)／2πλ1；
R3——保温层导热热阻，R3=(1nr3/r2)／2πλ2；
R4——保温层外对流换热热阻，R4=1／2α2πr3。
单位管长热损：
(单位：kJ／m·h) ——————————（b）
A、供水总管日散热量Q1
供水总管材料为镀锌管，其导热系数很大（58W/m·℃），而且管道壁的厚度较小，所以其热阻可以忽略，认为其外壁温度和其中热水的温度相等；同时，为了计算的简便将R4忽略，可得
（单位：kJ／m·h ） ——————————（c）
保温材料的导热系数λ2=0.041W/m·℃=0.1476kJ／h·m·℃，热水温度tl=55℃，环境温度t2=15℃，传热时间=24小时，r3=0.105m，r2=0.075代入（c）得：q1=110.18 kJ／m·h
∴Q1=100m×24h×110.18 kJ／m·h=264432kJ=73.46kW·h
B、DN50镀锌管日散热量Q2
取r3=0.055m，r2=0.025m，参照q1和 Q1的计算过程，得：q2=47.02 kJ／m·h
Q2=40m×24h×47.02kJ／m·h=45140kJ=12.54kW·h
C、楼层内DN50聚乙烯PE-X管材日散热量Q3
由a和b得:
取PE-X管材导热系数λ1=0.45W/m·℃，水侧放热系数α1=104W/m2·℃，空气与外管壁自然对流放热系数α2=3.42 W /m2·℃，r1=0.025m，r2=0.029m。计算得：q3=24.12 kJ／m·h
∴ Q3=400m×24h×24.12kJ／m·h=231510kJ=64.31kW·h
D、房间内DN20聚乙烯PE-X管材日散热量Q4
取r1=0.010m，r2=0.014m，参照q3和 Q3的计算过程，得q4=11.61 kJ／m·h
Q4=300m×24h×11.61kJ／m·h=231510kJ=23.22 kW·h
F、水箱日散热量Q5
水箱为不锈钢水箱，不锈钢板壁厚忽略不计，由于箱体直径较大，可视为近似平面传热，设Q5-1为水
箱保温热损失，则：
其中：水箱聚氨酯发泡层导热系数λ2=0.023W/m·℃=0.0828 kJ／h·m·℃；t1-t5为热水与环境的传热温差=40℃；F为保温材料面积；δ为保温层厚度=0.05m；Z为传热时间=24小时；d1为水箱外胆直径=2.22m；d2为水箱内胆直径=2.12m；h为外胆高度=2.93m。计算得：
Q5-1=11.93kW·h
Q5-1使水箱日温降约为1℃，实际上测量得知水箱日温降最大达12.3℃，进一步勘查发现：水箱溢流孔直接与外界相通，水箱上部空气与外界空气形成很强的对流换热；从溢流孔以上的空间有较多的水蒸汽，由于维修孔与水箱内胆密封不严密，因而水蒸汽渗透进入保温层造成热量损失；箱体密封不严密，箱体外层有微漏，露天放置时雨水侵入保温层，造成保温效果降低；水箱顶部平面结构引起水箱顶部积水，进一步加强了雨水的渗漏，造成热量损失增大；水箱局部热桥造成热量损失。
2个水箱实际日最大热损为：
Q5=2×12.3×10×1.163=286.10（kW·h）
4、分析
由以上对一座楼的校核推知整个工程系统管路和水箱日损耗热量为：
Q=5×（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5）=5×（73.46+12.54+64.31+23.22+286.10）=2298.15（kW·h）
由于机组循环水泵及机组本身换热器偏小，机组换热性能下降，15℃环境温度下实际制热量只有28kW，因此制备100吨热水（初始水温=15℃）机组所需运行时间为：
(100×（55-15）×1.163+2298.15)÷（28×10）=24.82（h）＞24h，即24小时内热水不够用。
由于机组效率下降，实际COP值只有3.5，因此机组实际日耗电为：
24h×（28kW×10÷3.5+0.55×10）+5×11kW×10h =2602kW·h，电价是1元/kW·h，因此人均日使用热水费用为1.3元，比设计估算的0.756元增大了72％。
由此可见，由于机组换热器偏小、水泵选用不当、水箱和管路的热损失以及管理不善等，使得系统热水不够用，费用大幅度上升，员工投诉严重。
5、改进措施
1）机组及制热循环水泵的改善
将机组循环水泵更换为6.3吨/小时，功率0.75kW，同时对机组换热翅片及冷凝器污垢进行清洗，经现场测试，机组制热量提高到31kW，COP为3.9。
2）供热循环水泵的改善
将原每座楼2个11kW供水循环水泵改为4个流量为10吨/小时，功率为3kW，并联，其中一个为备用水泵。在控制系统中加了定时器，严格控制供水循环为5小时，具体分配为：早上7：00~8：00，中午12：00~13：00，下午19：30~22：30。
在系统中加了流量变化控制，当用水量减小时，部分水泵停止运行。
3）管路保温的改善
对DN150镀锌水管加厚保温，并对楼顶所有管路进行防潮处理；对裸露的DN50聚乙烯PE-X管进行保温处理。由此使管路日热损耗降低了60kW·h。
4）水箱保温的改善
水箱应选用高质量的节能保温水箱。但本例更换水箱较困难，因此作如下整改：
A、对水箱溢流孔加装单向防对流装置；B、对整个水箱加30mm厚保温棉并防雨防潮处理等。通过实测，水箱日温降减为3℃。
通过以上措施，员工再无热水不够热的投诉；人均使用热水费用降为小于0.87元/日，员工能接受。
6、结论与展望
由以上工程案例分析可知，中央热水项目的节能不但与主机的性能有关，而且和管路的保温性能、水泵的选型、运行管理、维护保养有很大的关系，往往使人忽略的水箱保温性能实际上对系统的节能也有较大的影响。通过对机组、水泵、水箱合理的选用，加强管路的保温，实施严格的运行管理，包括计费管理等，定期进行除垢等维护保养以保持机组高效运行，才能使热水系统处于最节能的状态。
此外，降低管路的阻力，从而降低水泵的功耗；确保系统管路的水力平衡，避免系统局部热水不足；采用支管或立管循环方式，减少热水系统的无效冷水量等，都将对系统起到优化、可靠和节能作用。
太阳能的利用越来越普遍，产品和技术日益成熟，使用热泵与太阳能相结合，有条件的地方加上蓄能措施等，必将给中央卫生热水系统带来更大的节能空间，投资性价比更高，是中央卫生热水系统发展的趋向。
参考资料（略）
