建筑物中几种常用热水器碳排放的探讨

建筑物中几种常用热水器碳排放的探讨
摘要：建筑节能是降低碳排放的有效手段。

建筑节能分类中，采用空气源
热泵制热水，是实现建筑给排水系统节能的一项重要技术支持。

在广州，最冷月
份的月平均气温为9~16摄氏度，适宜采用空气源热泵。

近年来，广州的居住用
房常用的制热水的方式有空气源热泵、电热水器及燃气热水器。

本文主要讨论了，同一栋公寓，采用三种不同的制热水方式，碳排放的贡献量。

在空气源热泵、燃
气热水器、电热水器三种设备中，空气源热泵碳排放量最小。

关键字：空气源热泵;碳排放;碳中和;制热方式
0 引言
随着人类社会的进步，生活方式的提升，对环境的消耗也不断的增加，碳排
放量不断加大。

有研究报道，若世界各国按规定排放碳，到2030年时，全球温
度上升接近2.4℃；如果世界各国继续按现在的情况继续肆意排放碳，那么到
2030年时，全球上升的温度接近5℃，这个数据是非常严重而值得全世界人们重
视的。

在全球的碳排放中，建筑的碳排放量占全球平均碳排放占三分之一。

由此，建筑领域的节能减排和低碳化对于减少温室气体的排放将是贡献巨大的[1]。

根据《中国建筑能耗研究报告（2020）》，2018年度全国建筑运行阶段碳
排放21.1亿吨，占全国碳排放的比重为21.9％[2]。

近年来，部分国家相继制定了不同的绿色建筑评价体系。

例如：美国绿色建
筑评估体系（LEED），英国绿色建筑评估体系（BREE-AM），日本建筑物综合环
境性能评价体系（CASBEE）等等。

我国2006年首次发布了《绿色建筑评价标准》，经过2014年及2018年两次修订。

同时，我国颁布了不同的条例、规范等
绿色建筑的相关文件。

文件中鼓励建筑采用可再生能源，因地制宜推广节能技术。

《建筑给排水设计标准》中6.6.7.5，空气源热泵热水供应系统设计应符合
下列规定：1)最冷月平均气温不小于10℃的地区，空气源热泵热水供应系统可不
设辅助热源；2)最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃的地区，空气源热泵热水
供应系统宜采取设置辅助热源，或采取延长空气源热泵的工作时间等满足使用要
求的措施。

广州的1月份为最冷月，月平均气温9～16℃，适宜采用空气源热泵。

结合绿色建筑的推广以及现今引起广泛关注的“双碳”课题，本文针对广州
市地区，同一栋建筑，采用市场常用的不同的三种制热水设备碳排放量数据进行
对比，探讨三种制热水设备的碳排放贡献量。

1 项目概况
拟采用一栋公寓的热水用水量，做碳排放的探讨。

公寓为七层，每层15户，每户2人，总人数为N=15×2×7=210人。

工况为全日制供水方式。

住宅以及公
寓等建筑制热方式通常采用的是分散性供热方式，本文为了简化计算且集中供热
方式，热损失量小的原因，假设本栋公寓为集中供热方式，进行碳排放计算对比。

集中供热方式相对于分散性供热方式的有效供热量数值偏高，对最终几种制取热
水设备的碳排放量高低的对比结果影响不大。

2 常用的制热水设备
民用建筑常用制热水方式比较多，常用的有以下几种：①采用锅炉制热水，
这种制热水方式通常应用到单体大型公建、需要保证热水使用效果的高档酒店、
集体集中供热水住宅小区等。

采用锅炉烧制热水，可以保证使用效果且热水出水
温度基本稳定。

②采用市政集中供热系统，通过二次换热，供给建筑热水。

这种
方式不需要住宅小区另建锅炉房及相应设备，节省造价，利用市政供热系统可以
减少无效热能损失。

但是这种方式有其自身的限制，在北方，冬季供暖，夏季停供，所以此种市政供暖的热水系统并不能常年满足小区利用市政热水交换制热水
的使用，一般在工业区附近且工业区常年可以提供稳定的废热来作为制热水的热
源小范围区域，可以采用此方式；③燃气热水器，随着燃气管道的完善进展，燃
气热水器逐步成为住宅家中普遍采用的一种加热方式，此种制热水方式，不受天
气和温度变化而影响使用。

初期，燃气热水器在北方的使用率并不高，主要原因
是在北方，冬季温度下降，居住区门窗紧闭，燃气热水器在室内使用期间，因安
装方式错误、质量不过关、使用方式不对等原因，经常发生煤气中毒事件。

随着
燃气热水器的质量提高、人们对热气热水器的认识增加，在北方新建及旧小区改
造中使用率大幅提高。

④电热水器，在太阳能热水器没有大力推广时，是市场普
遍采用的一种制热水设备，因出水温度和流量稳定，而受欢迎。

⑤空气源热泵，
是近几年开始普及的一种清洁能源，在夏热冬暖区域，只要温度适宜，就可以利
用较小的电量，通过与空气换热，置换热水。

不仅节能，对环境破坏较小，制热
不受天气影响。

⑥太阳能热水器，是近年大力推广的一种环保制热方式，利用太
阳能制备热水，此种方式，热源取之不尽，对环境友好。

此种加热方式受室外温度、太阳辐射及天气变化的影响非常大。

广州，地处中国南部，夏热冬暖。

地区处于旧城改造，逐步城市化的发展阶段。

因南方的温度，阳台可以不封闭处理，新建的住宅项目基本采用燃气热水器
制热水。

一部分旧城区，因历史原因，大部分采用的宜于安装和使用的电热水器。

新建的商业、一部分旧城区、公寓等民用建筑采用空气源热泵。

综上所述，本论文通过广州本地比较常用的电热水器、空气源热泵、燃气热
水器三种制热设备，讨论碳排放量的贡献率。

2.1三种制热水设备的介绍
①空气源热泵
空气源热泵机组是以空气源为热源的加热设备，是由一个制冷循环组成，包
括主机和冷凝器两部分。

主机部分包括蒸发器、风扇、压缩机及膨胀阀；冷凝器
为内放冷凝盘管的保温箱。

热泵机组根据逆卡诺循环原理，运行时吸收环境中的
低温热能来制备热水或热媒。

压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过
做功将制冷剂压缩成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器与水交换热量，在
冷凝器中被冷凝成低温热液体而释放出大量的热量，水吸收热量而提升水温。

空
气源热泵利用上述循环，不断地吸收制取热量，产生热水或者热媒[3]。

空气源热
泵具有将低温热转化为高温热、运行费用低，环境适应范围广、运行安全可靠、
运行环保无无污染等特征[4]。

②电热水器：是利用电热水器中的电阻丝，将电能转化成热能，从而将加热
器中的水加热。

电热水器按加热方式分为间热式加热器、直热式加热器。

按贮热
方式，可分为快速式和容积式。

家用常见的为容积式热水器，其优点具有安装方便、出水量大和水温稳定等；缺点是加热速度慢、等待时间长和耗电量大[6]。

③燃气热水器。

燃气热水器又被称为燃气热水炉，是指以燃气作为燃料，通
过燃烧加热方式，将热量传递到流经热交换器的冷水中，以制备热水的一种燃气
用具[7]。

燃气热水器主要是由阀体组成、主燃烧器、小伙燃烧器、热交换器和安
全装置等组成，还包括烟道式热水器烟道、强排式热水器的强排装置等。

其优点
是即开即用，等待时间短，而且安装方便、简单易用；缺点是在使用时会产生一
氧化碳，存在一定的使用安全隐患，严重时，可危及人身安全[7]。

2.2热水耗热量的计算
根据《建筑碳排放计算标准》中4.3.1条生活热水年耗热量计算公式，热水
用水定额，按《民用建筑节水设计标准》确定，选用80L/人。

广州地表水量丰富，选取地表水温15度，做为冷水温度。

Q h==3.9×210×80×4.187×(60-
15)×0.983×1.1÷24=556191KJ/h
K h—小时变化系数；m—用水人数；qr—热水用水定额；tr—热水温度
tl—冷水温度；Pr—热水密度；Cr—热水供应系统的热损失系数
T—每日使用时间
2.3热水供热量
①空气源热泵的供热量：
《建筑给水排水设计标准》6.6.7中热泵机组设计工作时间为8~16小时，在
这里选取最短的运营时间8小时。

Q g==210×80×4.187×(60-15)×0.983×1.1÷8=427839KJ/h
②燃气热水器的供热量：
Q g=3600×q g(t y-t l)C×P y=3600×4.5×(60-15)×4.187×0.983=3000433KJ/h
③电热水器使用工况为，储存的热量为消耗的热量：
Q g= Q h=556191KJ/h
2.4热源消耗量
①空气源热泵： Q g =427839KJ/h=119KW
按图集选择空气源直热式热泵热水机组中最大制热量为38.5KW，额定功率为9KW的产品。

台数N=119KW÷38.5=3.01,选取3台，总功率为3×9=27KW。

②燃气热水器：G=K× Qg÷Gη=1.1×300043÷3600÷0.75=122.2Kg/h
③电热水器：G=556191÷3600=154.5KW
空气源热泵选用每日运行8小时，燃气热水器及电热水器全日制运行，碳的消耗量以年为单位计算。

假设使用的电能均为火力发电，根据我国火力发电CO2排放量为0.785kg/KWh[8]。

消耗量的计算总量如下表：
表（一）
3 总结
从上表（一）的对比数据可以得到以下结论：1、空气源热泵的碳排放量最低，燃气热水器次之，电热水器的碳排放量最高；2、电热水器的碳排放量约为
空气源热泵的碳排放量的17倍。

三种制热水方式中，采用空气源热泵制取热水，可减少向环境中碳的排放量，保护环境。

在碳达峰、碳中和目标下，中国清洁热能行业将走上一个全新的历史起点，进入一个前所未有的新赛道。

而空气能以其能效更高、能耗更低、性能更稳定、
体验更舒适，不但能提供热水、采暖、烘干，还能实现夏季制冷，满足不同场景
下的多种需求等优势，位居电气化改革的前列。

参考文献：
[1]绿色建筑设计导则.1.
[2]胡洪.空气源热泵能效提升设计研究[J].制冷与空调.2021.95
[3]专业管理委员会秘书处.建筑给水排水工程[M].2022:252.
[4]吴燕国,霍韶波,李淼.空气源热泵在五星级酒店热水系统中的应用及辅助
措施[J].2021
[5]史密斯商品使用手册
[6]黄凯敏,柯学,王平,魏建中,郝珊.家用热水器使用安全研究
[M].2021.39(6).91
[7]蔡莹,秦朝葵.燃气热水器技术进展[J].煤气与热力,2006（11）:34-37
[8]Ping J,KeithTovey N,2009,Opportunities for low carbon sustainability in large commercial buildings in China［J］.Energy Policy,37(11):4949-4958。