高 宇， 劉夢妍

(1.合肥城市學(xué)院，安徽 合肥 230071； 2.安徽省工程與建設(shè)雜志社，安徽 合肥 230091)

0 引 言

中國城市化進(jìn)程依然在高速進(jìn)行，中國城市生活用水量以年均5%的速度持續(xù)增長。本文在中國居民生活用水不斷提高、“雙碳”、減排理念全球所向的背景下，結(jié)合作者本人于安徽省合肥市完成的若干項(xiàng)目案例，展開對(duì)城市居民住宅內(nèi)生活用水的熱水水路設(shè)計(jì)及其能耗進(jìn)行探究，希望能給相關(guān)部門、相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者在住宅內(nèi)給水方式的優(yōu)化上提供借鑒參考。

因?yàn)楸疚恼{(diào)研時(shí)，合肥市大部分地區(qū)的住宅小區(qū)還未有配備集中生活熱水供應(yīng)或24小時(shí)熱水供應(yīng)條件，所以本文分析是以家庭自備熱水供應(yīng)作為前置分析條件而進(jìn)行的水路設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 合肥市家庭熱水水路設(shè)計(jì)及熱水能耗現(xiàn)狀

從Thomas[1]的相關(guān)分析結(jié)論看，一個(gè)人的日用水量應(yīng)該為100 L上下。而據(jù)《2020年中國水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國人均用綜合用水量達(dá)到412 m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量達(dá)到了207 L/d。城鎮(zhèn)生活用水的指標(biāo)是隨著經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展而變化的，當(dāng)然還有氣候、文化特點(diǎn)、城市類型等其他客觀因素。根據(jù)Friedman[2]的統(tǒng)計(jì)，英國和美國的人均生活用水指標(biāo)分別為278 L/d、575 L/d。對(duì)比英美發(fā)達(dá)國家人均用水指標(biāo)，我國人均用水量總體應(yīng)該還會(huì)用所上升。Friedman進(jìn)一步調(diào)研得出居民生活用水量及各用途用水占比：個(gè)人45%的用水量用于廁所沖廁、35%用于洗澡、20%用于洗衣、5%用于烹飪及飲用。根據(jù)合肥的氣候溫度、生活習(xí)慣等特點(diǎn)，居民日常熱水主要用途為：洗澡、日常洗漱、消毒洗手、食品清洗、洗碗、手洗衣物、打掃衛(wèi)生清洗潔具等。王珊珊等[3]調(diào)查表明居民個(gè)人一般洗浴熱水用量在30～50 L/d。

1.1 當(dāng)前家庭住宅水路常規(guī)設(shè)計(jì)方案

本次研究以安徽省合肥市為調(diào)研對(duì)象城市，合肥市居民住宅基本經(jīng)市政供水系統(tǒng)的主管道，多使用規(guī)格為DN20或DN25(別墅)的PB、PP-R、鋁塑PP-R水管入戶供水。入戶后，根據(jù)不同位置的用水量再連接DN15、DN20、DN25等規(guī)格的管道對(duì)用水設(shè)備進(jìn)行供水。由計(jì)算可知，DN20、DN25水管的水流量為0.4～0.7 L/S，即1.4～2.5 m3/h。傳統(tǒng)家庭的室內(nèi)水路設(shè)計(jì)如圖1所示，通常會(huì)由入戶主水管經(jīng)前置過濾后分出熱水、冷水兩路，熱水水路經(jīng)熱水器后再通向各個(gè)有熱水需求的用水設(shè)備。

天然氣熱水器和電熱水器是合肥地區(qū)住宅主要家庭生活用水的熱源制備設(shè)備。采用燃?xì)鉄崴鲿r(shí)，大多數(shù)設(shè)置在廚房或廚房附近的生活陽臺(tái)上。對(duì)一些住宅衛(wèi)生間和廚房布置特殊戶型，通常熱水器會(huì)放置在廚房即煤氣表位置，且煤氣管道在敷設(shè)時(shí)要求嚴(yán)格，無法再額外設(shè)置燃?xì)夤苈返叫l(wèi)生間，因此需要從廚房內(nèi)燃?xì)鉄崴魈庝佋O(shè)熱水管到衛(wèi)生間。但這種管路鋪設(shè)方案的缺點(diǎn)是衛(wèi)生間內(nèi)用水時(shí)需要將管道內(nèi)的冷水放出后才能使用熱水。有試驗(yàn)表明，管長為25 m的熱水系統(tǒng)管道內(nèi)存有6.5 L冷水，使用熱水時(shí)需要將6.5 L冷水輸出完才能讓用水端出水的溫度達(dá)到合適的水溫。假設(shè)普通家庭每人每天沐浴1次，可以計(jì)算得出僅洗澡這一項(xiàng)生活熱水的使用，一個(gè)普通三口之家就會(huì)有19.5 L的水資源浪費(fèi)，據(jù)此估算一年會(huì)造成大約7 117.5 L水的流失。對(duì)于電熱水器，在水路的設(shè)計(jì)上是一樣的，只是有的家庭會(huì)把電熱水器安裝在衛(wèi)生間內(nèi)，相同道理，此種情況對(duì)于廚房的生活熱水的使用又會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求不斷提高，有許多家庭要求在設(shè)計(jì)熱水水路時(shí)做到即開即熱盡量減少冷水排放。因此，很多家庭用戶選擇了家庭熱水循環(huán)系統(tǒng)，即通過增加一個(gè)熱水循環(huán)泵使熱水水路中的水在使用區(qū)間內(nèi)始終處于加熱循環(huán)中，這樣可以達(dá)到即開即熱的用水情況。

家庭熱水循環(huán)系統(tǒng)的能耗主要在水加熱及熱水管熱損耗上。雖然目前循環(huán)系統(tǒng)的燃?xì)鉄崴饔卸〞r(shí)等智能模式來保證出水即熱的使用體驗(yàn)，但是使用過程中還是存在著管路水溫過高、泵頻繁啟動(dòng)、不會(huì)根據(jù)不同地域以及四季的氣候自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)水的溫度等問題；同時(shí)還存在能源浪費(fèi)問題，智能模式可以保證整個(gè)水路都處于熱水狀態(tài)，但如果用戶只想某一個(gè)用水點(diǎn)出水即熱，或者用戶不定時(shí)使用某個(gè)出水即熱的用水點(diǎn)等，就會(huì)造成能源浪費(fèi)問題。

1.2 當(dāng)前家庭住宅熱水水路能耗計(jì)算

一般來說，住宅熱水管道的熱損失包括殘留熱損失和輸送熱損失兩部分。殘留熱損失是指每次使用熱水后殘留管道中的熱水熱損失。因此優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)，選用適宜管徑，盡可能縮短管道長度，有利于減少殘留熱損失。根據(jù)合肥住宅水路水壓情況，一般住宅水管的管道流量可達(dá)6 L/min，當(dāng)管內(nèi)徑為20 mm時(shí)，住宅管道殘留水量占每次洗澡用水的近4%，此時(shí)殘留熱損失也計(jì)作4%。如果按照點(diǎn)熱水器進(jìn)行計(jì)算，一般住宅用戶設(shè)計(jì)功率在 2.0～6 kW，按照最低標(biāo)準(zhǔn)，電加熱器功率為2 kW，每天使用4 h，每度電費(fèi)用為 0.565元，則一年費(fèi)用為 8×0.565=4.52元，則一個(gè)熱水器的熱損失一天就能造成用戶0.18元的損失，一年損失粗算可計(jì)65.9元。有些家庭使用太陽能熱水器，但由于存在一些室外水管管路，管路中的殘留水量其實(shí)也很大，假定室外管道按照上述平均數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于DN20家庭常用管路的管內(nèi)徑，殘留水量占每次淋浴量的比例約為7.52%。家庭成員每次洗澡時(shí)間越少，殘留水量占每次洗浴用水量的比例更大，因此管內(nèi)殘留熱損失是不容忽視的。

輸送熱損失輸送熱損失是指熱水在水管流通過程中由于存在外在環(huán)境溫度差造成的熱量傳遞損失。熱水與環(huán)境的溫差、管道保溫性能以及管道長度是影響管道輸送熱損失的主要因素。一般家庭的儲(chǔ)水式熱水器的容量一般為80 L、100 L。一般會(huì)把加熱溫度即熱水器水箱蓄水溫度設(shè)置在65～75 ℃，而人通常洗澡的適宜溫度為42 ℃左右。按照一般人平均淋浴流量6 L/min、洗澡水溫度42 ℃計(jì)算，經(jīng)過實(shí)測熱水噴灑落到人體的過程中，溫度的損失大約為1.5 ℃，因此人洗浴過程中噴頭出水溫度為43.5 ℃時(shí)水溫最為合適。DN20水管的內(nèi)徑為20 mm，因洗澡過程中有冷水匯入，熱水器的熱水溫度設(shè)為65 ℃，冷水溫度為12 ℃，那么可計(jì)算熱水管流量大約為3.8 L/min，利用迪圖斯貝爾特關(guān)聯(lián)式，計(jì)算得到管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)為1 730 W/(m2·K)，管外空氣對(duì)流換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，PPR管材的導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/(m·K)，管壁厚為3 mm，安裝方式為未保溫頂內(nèi)橋裝，室內(nèi)熱水管長取家庭熱水管長度平均值9.43 m，熱水溫度取值65 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度取值15 ℃，根據(jù)計(jì)算得到管道輸送熱損失約為700 W，而熱水的供熱功率為13.89 kW，輸送熱損失的比例為4.74%。

2 根據(jù)合肥市家庭用水需求及條件優(yōu)化熱水管路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述傳統(tǒng)熱水供應(yīng)所存在的能耗問題及市民的用水需求，現(xiàn)提出優(yōu)化住宅水路設(shè)計(jì)方案如下。

2.1 節(jié)能方案設(shè)計(jì)思路

優(yōu)化方案基于以下幾個(gè)方面去進(jìn)行能耗控制：

首先，是要有效提高熱水管路的保溫性能。熱水輸送過程中，管內(nèi)熱水對(duì)流熱阻遠(yuǎn)小于管外空氣對(duì)流熱阻，PPR管材的導(dǎo)熱系數(shù)雖然較小，但管壁較薄，熱傳導(dǎo)熱阻一般也小于管外空氣對(duì)流熱阻，通過包覆保溫材料，并采取暗裝方式，可以將總熱阻提高4倍以上，相應(yīng)地輸送熱損失可降低75%以上。

其次，要縮短輸送管路長度。盡可能減少用水端口至熱水輸出端口的距離是降低熱量消耗節(jié)約能源的有效方式。

最后，考慮到合肥市大部分居民住宅熱水供應(yīng)采用的是家用熱水器，都通過末端冷熱水龍頭調(diào)節(jié)水溫，因而管路輸送水溫較高，熱損失較大。通過在出口位置設(shè)置智能控制部件，實(shí)施末端調(diào)節(jié)水溫，因此輸送管路中通過的是高溫?zé)崴瑫r(shí)連接熱水器出水管、自來水管及末端供水管，通過控制冷熱水混合比例控制末端供水水溫，降低管路輸送熱損失；如果水溫調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)在水箱出水口，可以顯著降低熱水輸送溫度，進(jìn)而減少輸送熱損失。如果室內(nèi)溫度為15 ℃，蓄水箱水溫為65 ℃，前一種配水方式管道輸送溫差為50 ℃；而后者如果出水溫度為45 ℃，輸送溫差則為30 ℃，可以降低輸送熱損失40%，避免浪費(fèi)。

2.2 多種熱水供應(yīng)聯(lián)合方案

單純地使用電熱水器、燃?xì)鉄崴鞫紩?huì)造成電能和燃料的耗費(fèi)，本文提出多種熱水設(shè)備供應(yīng)的家用熱水器設(shè)置的2+N模式節(jié)能設(shè)計(jì)方案。即多個(gè)小電熱水器+燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴?無輔熱)的模式。生活用水根據(jù)生活用水位置設(shè)計(jì)小型儲(chǔ)熱式熱水器，洗浴房等小型儲(chǔ)熱熱水器無法滿足使用需求的位置設(shè)置燃?xì)鉄崴鞴?yīng)熱水。考慮大部分新建小區(qū)已配套太陽能熱水器，在燃?xì)鉄崴髑翱刹⑷胩柲軣崴?，使太陽能熱水器和燃?xì)鉄崴髀?lián)合供應(yīng)。假設(shè)入戶水溫為10°，通過在日照情況較好的情況下，可以直接將入戶水溫加熱至適用溫度；如果日照條件較差，入戶水先通過太陽能熱水器(經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在室外溫度為20°的陰天天氣下，太陽能熱水器能將入戶水加熱至20°左右熱水供應(yīng)方案如圖2所示。這個(gè)方案最大限度地實(shí)現(xiàn)了即開即熱的用水需求，也充分利用了可再生能源，最大限度地減少了管路損失和能耗。

圖2 2+N水路設(shè)計(jì)圖

本方案相較于傳統(tǒng)方案，增加了小型儲(chǔ)水式熱水器的投入，增加了太陽能熱水器到燃?xì)鉄崴骷案鲀?chǔ)水式熱水器的水管鋪設(shè)長度，但減少了燃?xì)鉄崴鞯匠丛∮盟丝诩按罅繜崴盟诘墓艿冷佋O(shè)距離。兩者相抵，在投入成本上主要是小型儲(chǔ)水式設(shè)備。在熱水管路長度上，以面積為100 m2的一廚一衛(wèi)住宅來概算，可縮短熱水輸出長度至少9.43 m。

在用水成本上，可做如下計(jì)算：

目前合肥市一級(jí)居民自來水價(jià)格為2.66元/m3，電價(jià)為0.565元/(kW·h)，天然氣價(jià)格為2.4元/m3,一般熱水器效率為90%，則可計(jì)算將1 m3的水由20 ℃加熱到60 ℃(使用天然氣)，需要S=[1 m3×(60℃-20℃)×1 000 kcal/(m3·℃)/8 200 kcal/m3/0.9]×1.89元/m3=10.24元。

按照《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)《建筑給排水》的熱損失公式計(jì)算：

W=πDLK(1-η)(tm-tk)

式中：W為熱損失，kJ/h；K為管道無保溫時(shí)的傳熱系數(shù)，在此取12.2 kJ/(m2·h·℃)；D為管道外徑，在此取DN20的0.02m；L為計(jì)算管段長度，在此取最小縮短估值9.43 m；η為保溫系數(shù)，在此取0.75(保溫材料為鋁鎂保溫材料)；tm為管段平均水溫，設(shè)管段平均水溫60 ℃；tk為管道附件空氣溫度，計(jì)為20 ℃。

則通過該方案減少了4 m的熱水供水輸出管道長度，可減少熱損失為：W=3.14×0.02×4×12.2×(1-0.75)×(60-20)=72.29 kJ/(h·戶)，即每天為1 733.97 kJ(414.43 kcal)能耗可被節(jié)約。

按照天然氣價(jià)格計(jì)算，每天可節(jié)約M=2.4×414.43/1 000=0.99元，一年可節(jié)約363.04元。

而一臺(tái)小型儲(chǔ)水式熱水器的成本約為300元。

3 結(jié)束語

隨著中國城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，熱水能耗的比例必然進(jìn)一步提升，住宅熱水節(jié)能潛力巨大。室內(nèi)管路優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行對(duì)住宅熱水節(jié)能和安全非常關(guān)鍵。目前，合肥市家庭住宅熱水管路布置還是存在管路過長、缺乏保溫的問題。室內(nèi)熱水管道殘留熱損失和輸送熱損失總量可以達(dá)到熱水供熱功率的10%左右，而太陽能熱水器由于存在室外管道，管路熱損失的比例更大。在智能電器越來越普及的今天，我們完全可以在現(xiàn)代住宅的熱水水路設(shè)計(jì)優(yōu)化上發(fā)力，合理利用現(xiàn)代的熱水加熱設(shè)備，在著力提高熱水器能效的同時(shí)，注重降低管路熱損失，達(dá)到節(jié)能減排的效果。