高层住宅小区集中热水系统设计探讨
时间：2023-06-25 13:00:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
姜凌云，王 昱
（1.甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；
2.东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819）
人民生活水平的日益提高，对居住条件的要求也越来越高，热水供应系统已经成为住宅小区的最基本的硬件条件。住宅热水系统的好坏直接关系到人们的入住体验，小区集中生活热水供应系统的设计，应落实节能、节水、节地、节材、保护环境的原则，综合考虑能源供应，小区规模与布局，单体建筑形式、小区给水系统、室内给水、热水及其他专业室外综合管道等因素，还应为施工安装、操作管理、维修检测及安全保护等提供便利条件。
住宅小区热水供应系统的形式一般情况下分为4种：①燃气热水器供应（比较常用）；
②电热水器供应；
③太阳能热水器供应（分为分散的家用型和集中式2种）；
④集中热水供应系统（需由热源换热型）。集中热水供应系统的热源选用应经技术经济比较后确定。
某高层住宅小区位于兰州市，共8个高层住宅楼（16～30 层）及一个地下车库；
总用地面积29 333.40 m2，总建筑面积122 114.67 m2，总户数1 215户，每户按3.2人计，总人数3 888人。其中1#楼18层，2#楼16层，3#楼29层，5#楼30层，4#、6#、7#、8#楼28层；
地下停车库小汽车泊位数量263个，车库上托8个住宅楼，车库总建筑面积13 245.46 m2。换热站等设备用房设在车库内。
3.1 热源的选取
小区东北角锅炉房提供0.4 MPa高温蒸汽，锅炉房属于附近厂区生产用，供热量有富裕且与小区属同一个业主，可以作为生活热水的热源。
3.2 设计参数的选取
热水用水定额的选取根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）中集中热水供应和沐浴设备的住宅日用水定额，最高为60～100 L/人·d，平均为25～70 L/人·d。据调查，设置集中热水供应系统的住宅，卫生设备完善，用水量与水价成反比，当水价在10元/m3时，居民的热水用水量约为48 L/人·d；
当水价在25元/m3时，居民的热水用水量约为28 L/人·d。经与业主沟通，属于厂区配套职工住宅，运行时热水价格较低，故取规范的上限值100 L/人·d。
热水用水定额用来计算热水负荷，其水量已经包括每人每日用水定额里面。有集中热水供应的工程，首先用用水定额来计算每日的用水量，然后用热水定额来计算热水用量及热水设备的负荷。总用水定额（每人每日用水量）包括冷水用水量和热水用水量。冷、热水管网分开时，计算冷水管道的设计秒流量，应减去热水的用水量。该工程冷水用水定额取200 L/人·d，各分区冷水变频供水设备运行正常。根据人们的生活习惯，在早晨6：00～8：00，主要用水是洗漱用水；
中午12:00～14:00，主要用水是洗手、洗菜、洗碗；
晚上20:00～22:00，主要用水为洗浴，热水用水高峰发生在晚上。通过读取换热站内各分区接换热器冷水管上水表读数来观测热水用水量情况；
联系甲方了解到1#换热站（供应688户热水）的用水量在1年内最大月（7月）的用水量是5 158 m3，折算每人每日用水量78 L是设计值的78%；
在最大月内最高的日用水量是189.5 m3，折算每人每日用水量86 L是设计值的86%。由此可见，设计取规范上限100 L/人·d满足使用要求，取值略高。
3.3 热水量、耗热量计算
按《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）中3.1～1、5.3.2公式[1]计算出总的设计耗热量为11 616 809.50 KJ/h，设计小时热水量为56.44 m3/h，热水为24 h供应。
3.4 系统形式、换热站的设置及水加热、储热设备计算
（1）建筑单体热水系统的形式为上供下回机械全循环同程式。系统形式参考暖通专业分户计量的系统。该项目高层住宅冷水系统最多分4个区，热水系统分区同冷水系统。热水系统每个分区1根供水立管、2根回水立管，4个分区共12根管道，如图1所示。
图1 热水系统展开图
供水主立管及回水管均设在管井内，热水表也集中设在管井内，且热水管还有保温层，管井内共22根管道，12根热水管、4根冷水管、1根废水管、1根雨水管、4根采暖管，还有热水表、冷水表、热表，安装后管井内空间相当紧张，设计时应与暖通专业一起仔细排布管井，向建筑专业返提管井条件时，由于以往经验不足需按实际提供合理的平面尺寸。
（2）根据建筑物的楼层数及各换热站至最远建筑物的服务半径，该小区共设计3个换热站，位置示意如图2所示。
图2 换热站分布示意图
1#换热站供3#、5#、7#，服务半径控制在100～150 m。2#换热站供4#、6#、8#楼，服务半径为控制在100～150 m。3#换热站供1#、2#，服务半径为控制在50～100 m。
换热站的布置应考虑就近设在热负荷大的用 水大户或最高建筑物旁。换热站热水计算表见表1。
表1 换热站热水计算表
（3）储热量计算。热源供应满足设计小时平均秒流量但不能满足设计秒流量的要求、用水量变化大且要求供水水温、水压较平稳，设有机械循环的集中热水供应系统宜选用半容积式水加热器。
式中：Ve为贮水容积；
S为贮热时间；
Qh为设计小时耗热量。
按《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）中的表6.5.11，S取20 min；
半容积式水加热器的供热量Qg=Qh；
总传热面积计算：
式中：Cr为热水系统热损失系数；
K为传热系数；
Δtj为热媒与被加热水的计算温度差；
ε为由于水垢和热媒分布不均匀影响热效率的系数。
换热站储热量按上述公式（1）、（2）计算见表2。
表2 换热站储热量计算表
高温蒸汽为优质热源，因热源供热量相对富裕，故换热设备选用半容积式换热器，每个分区2台，每台保证60%的供水量。根据小区入住情况，单台或双台投入使用，供水温度60 ℃，回水温度50 ℃，供水温度高及半容积式换热器储存的热水少，可降低军团杆菌的滋生，这也是设计应注意的问题。
3.5 热水计量
住宅热水计量一直是设计中的难题，户内支管循环不循环，设1块表还是设2块表，都是设计人纠结的问题；
热水表集中设在管井内，从管井埋地敷设至各户厨房或卫生间，户内管道与地暖管道一同埋地敷设；
规范要求保证热水配水点出水温度不低于45 ℃的时间，居住建筑不应大于15 s，公共建筑不应大于10 s，这就需要做户内循环系统。
户内循环系统，从管井到最远用水卫生间有20 m，如果不循环，每次用热水前要放掉5～6 L冷水，造成极大的浪费。故采用户内支管循环，管井里在供、回水管上分别设热水表计量，再统计两者的差值就是住户的热水用水量，管井内热水表设置如图3所示。
图3 管井内热水表设置示意图
这种做法的弊病是计量不够准确，容易造成计量误差。有2种方法解决这种系统的弊病：
（1）从分户循环横管引至各卫生间的支管上单设水表，每户设2～3块水表，这样不循环的管段只有卫生间内一小段。缺点为横干管设在房顶上，不美观，装修不好处理，水表设置块数多，造价高。热水表设置如图4所示。
图4 户内热水表设置示意图
（2）热水支管还可以设置自调温电伴热保温，保证热水供水温度是循环系统的补充措施，由于电伴热造价较高、长期耗电，据统计1 m的DN15的管道维持40 ℃水温1 d耗电0.2 ℃。这种形式较多用于高标准的公寓、别墅等场所；
换一种思路，能设集中热水供应系统的住宅也应该算作高级住宅，支管循环做的电伴热增加的投资，在工程总投资中所占比重很低。因此热水支管设自调控电伴热保温是可行的[3]。
该项目设计时在热水供、回水管上分别设了热水表计量，通过2块表的差值计量收费。根据业主反映，使用效果不好、计量不准确，有的住户数据偏大；
有的住户的数据居然是负数。这说明热水有反流现象，通过在管井内热水表和回水表后增设止回阀解决上述问题。计量不准确造成用水的浪费，经改造后情况得到改善。
3.6 管网、管材、附件
（1）管网热损失分析。以3个换热站中管网长度最长、服务人数最多的系统来计算分析，即1#换热站总户数688户，室外管网总长度约1 994 m（供水管与回水管总长度，平均管径为DN50），该换热站供应3个单体住宅楼，均为接近100 m的高层住宅，每个单体管井内供、回水立管的长度约490 m（平均管径为DN40），户内供、回水管总长约20 m，管道敷设在地面垫层内不保温，平均管径为DN20。
管道热损失计算公式[4]：
式中：W为管段热损失（KJ/h）；
D为管道计算外径（m）；
l为计算管段长度（m）；
K为无保温管道的传热系数，约为42 KJ/m2·h·℃；
η为保温系数，采取较好保温时取0.8，不保温时取0；
tm为设计管段的平均水温（℃），供回水温度为60 ℃/50 ℃，取55 ℃；
tk为设计管段周围的空气温度（℃），因室内采暖、室外敷设在车库内，取15 ℃。
管网热损失按公式（3）计算，见表3。
表3 管网热损失计算表
热水用水定额取100 L/人·d，每户按3.2人计，则每户全天的耗热量[5]：
W=3.2×100×（60－10）×4.187×1.0=66 992（KJ/户·d）
6 569.39÷66 992＝9.8%，即总的热损失量占使用量的9.8%。这个热损失量是在工程可接受的范围内。因高层住宅相对多层住宅容积率较高，单位占地面积内的居住密度较高，故单从管网经济性分析，高层住宅集中热水供应系统要比多层住宅集中热水供应系统经济合理。
热水供应系统管网的设计力求管路简洁，过于庞大和复杂的管网只会使系统不平衡，压力、温度不稳定，尤其热水供应系统后期使用中不好调节，影响使用效果。对单体建筑同程式的管网布置是最佳选择，虽然浪费一些管材，但很好地避免了系统不平衡、水不热问题。对于多栋楼的热水管网，室外工程设计有时很难做到同程式，这时设热水回水总循环泵。单体建筑的回水管与小区热水回水总管采用导流三通连接。换热站内每个分区均设置2台循环泵，一用一备，交替运行。循环泵的计算按《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）6.7.5、6.7.10-1公式计算，循环泵的流量需控制在合理范围内，循环泵的扬程只需克服管网的阻力即可，扬程不可过大。循环管路上设置自动温控阀，循环系统末端循环泵的启动温度设定为50 ℃。换热站内循环泵的布置如图5所示。
图5 换热站循环泵布置示意图
住宅小区室外热水管网敷设时，在有大底盘车库的情况下，最好明设在车库内，这样方便检修；
在没车库的情况下，需根据地勘报告核实场地有无湿陷性，无湿陷性可以采用直埋方式，如果有湿陷性则需设置管沟，并根据湿陷等级选用钢筋混凝土管沟或砖砌管沟。而管沟的投资很大，有些湿陷性严重的小区动辄上千万，所以管网设在地下车库内是最经济实用的方案。该项目除了污水、雨水管网设在车库顶板上覆土层内，其他的所有压力管道均设在车库内。管网在车库内需与通风管、桥架等综合排布，保证车库使用的净高要求。
（2）热水管材一般可选薄壁不锈钢管、塑料管、钢塑复合管等。机房内的热水管不能采用塑料管应采用金属管，一般户内埋地的支管采用塑料管，高层建筑的热水主立管采用金属管，热水供应系统的管径考虑结垢的影响宜适当放大。该项目热水管采用薄壁不锈钢管。热水管网直线管段较长时设置伸缩器，热水主立管顶端设自动排气阀，闭式系统需设置膨胀罐。
（1）住宅设置热水供应设施，以满足居住者洗浴的需求，是提高生活水平的必要措施，也是居住者的普遍要求。实际工程中住宅小区热水的供水形式多样化，分户燃气热水器、电热水器或太阳能热水器等，而因地制宜地选择热源是热水系统设计的关键。
（2）热水系统同冷水系统最大的不同是除了要满足使用流量的要求外还要满足使用温度的要求，同时要保证用水点冷、热水压力平衡，故热水系统的分区必须同冷水系统，各区水加热器应由同区的给水系统专管供应，以保证系统冷、热水压力平衡。对于高层住宅，分区多、管道多、且热水供回水管保温，需要的管井面积大，设计时要跟建筑师沟通，争取设计合理的管井尺寸，减少后期安装、检修空间紧张的问题。
（3）集中热水供应系统中供、回水管道及系统规模是设计关键点。管道系统过大，供回水管过长，管网热损失占总耗热量比值高，系统不经济；
同时也难以保证机械循环的效果，管网末端回水不畅，水温也达不到设计要求。根据计算管网热损失，合理布置换热站是一个重要环节，换热站靠近用水大户或最高建筑物，服务半径不宜大于500 m，即热水供应系统不宜做得过大。热水供应系统的形式无论是上供下回还是下行上给立管循环，都应采用同程式机械全循环。热水供水水温关系涉及安全、卫生、节能、设备管道使用寿命等，当不设消毒设备时，加热设备出水温度控制在55～60 ℃；
换热、贮热设备的选用是热水系统设计的另一个关键点，当热媒供应能力大于或等于设计小时供热量，选用半容积式换热器；
当热媒供应能力小于设计小时耗热量，选用导流型容积式水加热器或加大容积的半容积式水加热器。
（4）热水计量是热水系统设计的重要环节，居住建筑集中热水系统配水点的供水温度不低于45 ℃，时间不大于15 s。在套内热水表前设置循环回水管，热水表后或户内热水器不循环的热水供水支管，长度不宜超过8 m[6]。户内热水支管设置自调温电伴热保温，保证出水温度要求，系统简单，电费在可控范围内；
实际工程中只有热源、系统、阀门、附件等设计合理才能达到15 s内配水点温度45 ℃的要求。
（5）住宅小区室外热水管网的设计需满足安全、经济、实用；
合理确定管网敷设方式，且管网的布置越简洁越好；
同时还要和其他给水管、消防管、雨污水管、采暖管等协调布置。
