可再生资源利用技术在建筑给水排水设计中的应用

摘要：结合住宅建筑太阳能热水系统的推广应用，住宅与其他使用生活热水的建筑中太阳能热水供水系统、热泵热水供水系统与几种方式联合供应生活热水系统的设计使用，对各种利用可再生资源的节能措施选择、优缺点、适用条件、参数的确定及设计施工中应注意的事项等方面进行论述。
关键词：太阳能热水供应 空气源热泵 水源热泵 太阳能一热泵中央热水系统
1太阳能热水供应节能技术
随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的卫生热水、空调已成为普遍需求。在发达国家，卫生热水、供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%一30%，据统计资料，我国也已达到这个比例。而我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃烧产生的大量污染物，如温室效应气体的排放已日益成为各国政府和公众关注的焦点。太阳能、低温自然能源的利用是节能和减少CO:排放的关键技术之一。21世纪是能源的世纪，这些可再生新能源的开发已经成为不可阻挡的趋势。
我国根据近几年来在太阳能、低温自然能源的利用，制定了有关国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364一2005)、《地源热泵系统工程技术规范))(GB50336一2005)。许多地方政府还针对当地的情况，出台了许多有关节能的地方法规从政策上加以引导和鼓励。
1.1采用太阳能再生能源的优点
丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。利用太阳能热水器提供热水有许多优点。
1.1.1节能、经济
太阳光是不要钱的，住宅用户投资几千元的太阳能热水器，可用上15一20年，省掉许多煤气或油等不可再生能源。
1.1.2节材
太阳能集热器可就近设置，缩短了管道的长度，减小循环设备等的尺寸，减少设备的能耗。
1.1.3环保
没有任何废气排放，不污染环境，是一种绿色环保产品。现代太阳能热水器在夏天可把水加热至70℃以上，春秋天使用也基本无问题，在冬天同样可以使用。冬天只要是晴朗的日子或是忽阴忽阳的雨天有2一3h的光照，水就热了，可直接使用;在冬季阴雨连绵的日子，水温也可提升20一30℃，这时只要辅助电加热装置将水加热升温，水就可以用于洗浴、盟洗了，比起从市政生活供水直接升温至需要的温度，省掉了大部分能源。和电热水器相比，用太阳能供应热水，全年一般可节省80%一90%的电。
1.2太阳能再生能源的适用条件
太阳能、水源、空气源属低温热源，故在水的加热和储存及相应储热设备、水加热器等的设计计算均不能采用常规热源系统的设计参数。《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中规定，日照时数大于1400h/a年太阳辐射量大于4200MJ/耐及年极端最低气温不低于一45℃的地区，宜优先采用太阳能作为热水供应热源。
1.3太阳能热水供应系统的设计应用
为使民用建筑太阳能热水系统安全可靠、性能稳定、与建筑和周围环境协调统一，太阳能热水系统的设计、施工，应与建筑、施工设计一体化。“量身定做”是太阳能热水系统的发展方向，应根据建筑风格的不同，针对不同建筑设计出最适合的太阳能热水供水系统，最终获得满意的效果。
1.3.1非集中式太阳能热水系统常用方式及特点
1.3.1.1整体式非承压自然循环式太阳能
(l)方案特点:①满足个性化需求，根据建筑结构、用户要求，量身定做太阳能热水器，安装与建筑一体化结合，视觉效果整齐淡观，与建筑相得益彰;②集热系统采用水位和定温相结合的循环方式，有效地利用了太阳能;③设有自动回水功能，保证用热水时温度，减少了冷水的流失;④可和任何常规能源相结合，确保阴雨天的使用。
(2)系统优点:①系统初投资低，运行较稳定，运行成本低;②系统施工周期短;③技术成熟，便于组织安装及售后服务，配品、配件较为普及，便于维护;④系统控制模式多样，满足不同消费者生活习惯。
1.3.1.2承压型分户集热一分户水箱的方式
(1)方案特点:①集热系统为闭式，间接换热，分户水箱;②集热器采用阳台式或壁挂式安装，和建筑有效结合，增加建筑的美观;③水箱根据需要放置在用户要求的地方，如阳台上、卫生间内、厨房内等;④循环管路预埋在墙、室内垫层内，避免影响室内的美观;⑤解决了屋面集热器安装面积不足造成的难题—高层建筑不能使用太阳能;⑥减少了系统的循环管路，从而提高了集热效率，降低了使用费用;⑦每户一套系统，用水和用电分户计量，住户可随住随用，无计费纠纷，便于物业管理。
(2)系统优点:①系统承压运行，性能稳定，使用起来安全可靠;②系统采用间接加热，有效保证热水的卫生和洁净;③水箱承压运行，有效保证冷热水的水压一致，混水均匀，提高了热水使用的舒适度;④至卫生间、厨房等相对较远位置的集热循环管路采用TPZ铜管，其使用寿命与建筑基本相等，真正实现了建筑的部品化;⑤控制系统人性化设计，自动化控制，使用安全可靠。
1.3.2集中式太阳能热水系统适用范围及优点集中式太阳能热水系统除具有太阳能热水系统的共同优点外，相对非集中式太阳能热水系统，还具有太阳能资源利用率高、管理相对集中方便的特点，适合在供水保障性要求不高的场所单独使用，或在供水保障性要求较高的情况下与其他辅助热源联合使用。广泛应用于集体宿舍、小型宾馆酒店、学校公共浴室、医院、桑拿等的集中生活热水供应。
集中式太阳能热水系统的辅助加热装置一般选用热泵、电能、燃油(气)锅炉等。换言之，是通过相应的阀门控制，把太阳能集热器作为电能、燃油(气)锅炉、热泵等加热设备的预热设备，做到节能减排。夏季热水供应主要依靠太阳能集热器，其他三季可由太阳能将水预热，热量不足部分由热泵、电能、燃油(气)锅炉等补充。当太阳能系统检修时，可由其他加热设备供给全部热量。系统的运行、转换、定时等通过相应的温度、光照控制仪和阀门控制。
2水源、空气源低温再生能源热水供应节能技术
2.1采用水源、空气源低温再生能源的优点
热泵的作用通常是提取环境(大气、地表水和大地)中的热量或废热的温度并利用这些热量。热泵热水器是利用热泵原理，从周围环境介质中吸收热量来制取生活热水的热泵装置。常规热泵热水器，包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等几种机械压缩式热泵形式。由热泵得到的这部分热水(热泵提升能量一驱动能)属于可再生能源。
2.1.1环境效益显著
开发推广热泵热水器热水供应技术可彻底革除中小型燃气热水器以及小型燃煤锅炉，该装置的运行没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，减轻了城镇的大气污染。同时避免了电热水器所造成的能源浪费严重。更为主要的是将为温室气体C姚的减排做出重大贡献，具有极大的环境效益。
2.1.2节能、运行费用低
热泵制热系数(能效比)恒大于1，全年平均的能效比可达3~4，制热效率高。热泵热水器比传统热水供应系统运行效率还要高25%一30%。在华东、华南小型宾馆传统热水供应系统的运行耗电量约为2.33kw•h/人，而热泵热水器热水供应系统约为0.74kw•h/人。保守估计每个客房节约电能约为500kw•h/a。每1kw•h按0.6元计，每间客房节省300元/a。因此由于热泵热水器系统的运行费用低，所增加的初投资可在5一7a内收回。
2.1.3超大水量、适用范围广、安装方便
热泵热水器水箱容量根据具体要求量身订做，水量充足，可满足不同客户不同时段需求。而且不受气候影响，在环境温度为一10一43℃下均能正常工作，可广泛应用于家庭、宾馆、酒店、学校、医院、集体宿舍、住宅小区、桑拿等集中供热。热泵热水器可以安装在任何地方，安装在室内不占用空间，也可以安装在室外，如屋顶、地面等露天放置，可以实现远程监控，占地面积小、安装简单，无需另设机房。
2.1.4利用可再生能源，可持续发展
热泵热水器是利用了空气内热能或地热资源作为冷热源，进行能量交换的热水供应系统。空气和地表浅层地热资源量大面广，无处不在，是一种清洁的可再生能源。
2.2水源、空气源低温再生能源的适用条件
(1)空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度一10℃以上的地区。
(2)在地下水源充沛、水文地质条件适宜，能保证回灌的地区，可采用地下水源热泵热水供应系统。
(3)在沿江、沿海、沿湖、地表水源充足，水文地质条件适宜，及有条件利用城市污水、再生水的地区，宜采用地表水源热泵热水供应系统。
2.3热泵热水系统常用方式及优缺点
2.3.1空气源热泵热水系统以室外空气为热源的空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在卫生热水供应方面具有不可替代的优势。空气源热泵热水器采用多台机组并联的安装模式，当用户用水量增大时，可随时增添设备。除了比较大型的空气源热泵热水系统外，现在已有多个品牌的小型家用空气源热泵热水器也已投放市场。同太阳能热水器相比，热泵热水器对外界的天气条件依赖性小，对安装条件要求低。与即热式电热水器相比，热泵热水器出水温度稳定。而与燃气热水器相比，热泵热水器使用成本也有一定幅度的降低。热泵热水器能源源不断地吸收空气中的热能，随时提供生活热水。
2.3.2水源热泵热水系统热回收型的水源热泵热水机组，可以汲取巧一60℃的低品位水(海水、污水、建筑中水、空调冷水、冷却水、工业废水等)的热量，来制取60一90℃的高品位热水，作为采暖热水、生活热水或工业用热水。在生活热水系统中，现在已经得到推广应用的水源热泵主要为空调和生活热水同时产生的“两用机组”，或者称之为“热回收机组”。这种机组在夏季利用空调用的冷水机组的冷凝热回收，可以很方便地得到生活热水;冬季则采用燃气、燃油、电锅炉太阳能集热系统等辅助热源制备生活热水。
2.3.3太阳能一热泵集中热水系统
太阳能一热泵集中热水系统的主要组成为太能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括太阳循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器太阳能与太阳能辅助加热空气源热泵结合作集中热水系统的热源，其目的在于取长补短，使二互为补充，互为备用，在日照充足时优先使用太阳加热热水，利用太阳能集热器产生的低温热水作为阳能辅助加热空气源热泵的辅助热源，从而改善热的运行工况，提高其制热性能。这种组合形式，使者均在相对比较稳定高效的条件下工作，保证系统年全天候的卫生热水供应。
空气源热泵制热过程质上是对空气中蕴藏的太阳热能的提升利用，根据泵的工作特性，在整个热水系统的运行过程中，热机组作为辅助热源运行所供应的热量中，只有一小分来自电能，所以太阳能一热泵集中热水系统大大高了太阳能利用率，减少了对一次能源的消耗。太阳能一热泵集中热水系统中，太阳能直接热可满足热水系统全年60%一80%的热量需求，余20%一40%热量由太阳能辅助加热空气源热机组供应，热泵平均COP可达3，即其所供应热有65%以上来自集热器不能直接利用的太阳能空气热能。在整个系统运行中，集热器吸收的太能的利用率接近100%，辅助加热的电力消耗只系统总能耗的7%一14%，较常规能源的热水系可至少节能85%以上。