在能源与环境成为时代主题的今天,如何以最小的资源、能源与环境的代价来创造安全、健康与舒适的建筑空间环境是当下面临的一个关键问题。前人针对这一问题,已开展了大量的研究与开发工作,取得了丰硕的研究成果,并相继涌现出一大批有效的建筑及其关键设备与系统的节能技术。然而,从文献与实际调研发现,当前居住建筑的水资源、能源使用模式和利用效率仍有大幅的改进和提升空间。本文基于居住建筑单元家庭现有用能、用水模式及其系统存在的问题,着眼于实现居住建筑户内热能的循环利用和水的梯级利用,从而提高家庭能源的综合利用效率。基于此,本文以理论分析和试验研究为主线,开展了以下研究工作:首先,提出了一种家庭废水资源化利用方案。以大连地区一户建筑面积为120m~2的三口之家为例,以户内热能循环利用和水梯级利用的最大化为目标,提出了可实现废水蕴含热能的循环利用与水的梯级利用的方案,结合理论分析论证了该方案的可行性,提出了家庭废水资源化利用系统的概念机,并对其样机进行了设计开发。其次,设计并搭建了样机的性能测试平台。在自主开发家庭废水资源化利用系统样机基础上,以获取样机在提取与非提取凝固热两种情况下9种运行模式下的运行特性为目标,设计开发了样机性能测试平台,并完成了系统的调试与热平衡校验。第三,试验研究了样机在非提取凝固热情况下的动态运行特性。研究结果表明:家庭废水资源化利用系统在制热水模式(本试验工况)下,以空气、废水、空气和废水作为热源的热泵系统平均COP_h分别为3.77、3.28、3.97,回收废水中废热的热量分别为6.3MJ、14.7MJ、10.3MJ,占废水总显热量的比例分别为39.9%、93.0%、65.2%;家庭废水资源化利用系统在供暖模式(本试验工况)下,以空气、废水、空气和废水作为热源的热泵系统平均COP_h分别为2.90、2.85、3.15,回收废水中废热的热量分别为7.9MJ、15.6MJ、15.6MJ,占废水总显热量的比例分别为39.9%、98.7%、98.7%;家庭废水资源化利用系统在制冷水模式(本试验工况)下,风冷、水冷、风冷和水冷联合空调制冷水系统的平均COP_c分别为3.31、3.89、3.79;家庭废水资源化利用系统在制冷水兼制热水模式下具有良好的节能性,其COP_p的均值高达6.11,回收废水中废热的热量为8.2MJ,占废水总显热量的比例为86.7%。第四,试验研究了样机在提取凝固热情况下的动态运行特性。研究结果表明:初始水温从8.00°C提高到到12.50°C,非实时除冰制热水模式(本试验工况)下的平均COP_h从2.32增加到2.50,废热循环量从12.8MJ减小到11.2MJ,占废水总显热量的比例从735%减小到238%;初始水温从8.00°C提高到到12.50°C,实时除冰制热水模式(本试验工况)下的平均COP_h从3.03减少到2.83,废热循环量从4.5MJ减小到4.0MJ,占废水总显热量的比例从214%减小到85%。最后,结合样机测试结果对家庭废水资源化利用系统进行了技术经济分析。以应用传统能源应用系统的哈尔滨、北京、上海、广州、昆明地区建筑面积为120m~2的三口之家为例,对比分析结果表明:全年能量的循环量分别为17.70GJ、15.50GJ、15.13GJ、13.27GJ、9.88GJ,占各总消耗能量的比例分别为25.31%、25.90%、24.70%、25.18%、30.90%;全年节水量为49m~3,占总用水量的1/3;我国每户家庭全年总节能量为1400~5180kW·h,机组LCC费用比传统设备低1.4-3.1万元,机组LCC费用低于传统设备LCC费用时的使用时间为0.66-1.34年。本文研究成果对家庭用能系统的设计以及实现单元家庭内部热能的循环利用和水的梯级利用具有参考价值。这些研究成果为解决本专业面临的核心问题提供了新思路,对改进居住建筑单元家庭的资源与能源利用模式、大幅提高资源与能源的利用效率、促进建筑绿色化发展具有积极的推动意义。