熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題

改革開(kāi)放十多年來(lái)，隨著中國(guó)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑熱水的供應(yīng)在中國(guó)的中、高端民用建筑中越來(lái)越受歡迎。因而熱水供應(yīng)這個(gè)建筑給水排水專(zhuān)業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)所存在的一些問(wèn)題也就日趨突出地暴露出來(lái)。在1992年6月、1995年4月召開(kāi)的第一、第二屆全國(guó)熱水供應(yīng)研討會(huì)上,與會(huì)代表就國(guó)內(nèi)熱水供應(yīng)的理論、研究、設(shè)計(jì)、計(jì)算、使用等多方面存在的問(wèn)題踴躍發(fā)表了意見(jiàn)。下面我們將近幾年來(lái)接觸工程設(shè)計(jì)中集中熱水供應(yīng)部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算、使用等所遇到的幾個(gè)問(wèn)題談一點(diǎn)看法,與廣大專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者磋商。1計(jì)算qh大的法結(jié)果近年來(lái)設(shè)計(jì)的旅館、醫(yī)院等建筑大都設(shè)有集中熱水供應(yīng)系統(tǒng),這類(lèi)建筑使用熱水的地方都是綜合性的。如旅館,除客人外,使用熱水者還有職工盥洗、洗衣房、廚房、理發(fā)、游泳池、按摩浴等多處。醫(yī)院情況也類(lèi)似。目前計(jì)算其最大小時(shí)熱水用量(或設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量Qh)的方法,一是將各項(xiàng)用水者分別算出其分項(xiàng)最大小時(shí)熱水用量qh之后將各項(xiàng)qh迭加即Qh=∑qhmax;二是用主要用熱水對(duì)象(如旅館中的旅客)的最大小時(shí)用熱水用量qh加其他各用熱水對(duì)象的平均時(shí)熱水用量作為Qh,即Qh=q主max+∑q其他av.。顯然,用前法計(jì)算要比后法計(jì)算Qh大,據(jù)我們對(duì)部分工程計(jì)算,前者比后者約高30%。我們認(rèn)為,究竟采用哪種方法,主要應(yīng)由實(shí)際用水情況來(lái)決定。如旅館,主要用熱水者——客人的用水高峰即最大小時(shí)使用熱水的時(shí)間一般在晚上8～11點(diǎn)之間,而在這段時(shí)間里,職工淋浴、廚房、餐廳、洗衣房等用熱水均不會(huì)處于高峰階段,最多相當(dāng)于平均時(shí)用水的工況。因此按第二種方法計(jì)算較為準(zhǔn)確。其他類(lèi)型的建筑,在分析用水情況的基礎(chǔ)上,亦可參照第二種方法進(jìn)行計(jì)算。最大小時(shí)熱水用量是我們選擇鍋爐及熱水加熱器的主要依據(jù),國(guó)內(nèi)以往一些以容積式水加熱器為換熱設(shè)備的工程,大多出現(xiàn)加熱設(shè)備使用不充分,有的甚至很不充分的現(xiàn)象。其中Qh計(jì)算數(shù)值偏大,不能不說(shuō)是原因之一。因此根據(jù)工程實(shí)用情況計(jì)算出較準(zhǔn)確的Qh,對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的熱水供應(yīng)系統(tǒng)是很重要的一環(huán)。2種密集式水加熱產(chǎn)物的容積利用生活熱水的供應(yīng)和冷水供應(yīng)一樣是很不均勻的。因此在以往絕大部分工程中,如冷水系統(tǒng)設(shè)置高位水箱或氣壓罐一樣,熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用容積式(或儲(chǔ)存式)水加熱器、儲(chǔ)熱水箱或本身帶有儲(chǔ)存容積的水加熱設(shè)備來(lái)起調(diào)節(jié)作用,達(dá)到使制備熱媒(蒸汽或軟化熱水)的鍋爐能較均勻平穩(wěn)的供熱,減少鍋爐負(fù)荷的目的。同時(shí)使熱水供應(yīng)系統(tǒng)的水溫、水壓平穩(wěn),節(jié)能節(jié)水。那么,對(duì)于這種帶有較大調(diào)節(jié)儲(chǔ)熱容積的熱水供應(yīng)系統(tǒng),它的熱媒耗量應(yīng)如何計(jì)算。即如何選擇合適負(fù)荷的鍋爐,這在《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒(méi)有太明確的規(guī)定,下面我們介紹一種《美國(guó)管道工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算方法:式中Qt——水加熱器總產(chǎn)熱水量,L/s;R——熱媒的加熱能力,L/s;M——儲(chǔ)熱加熱容器的容積利用率,即儲(chǔ)存適用的熱水量與容器總?cè)莘e之比;S——儲(chǔ)熱加熱容器的總?cè)莘e,L;Ps——管道部分容積,L;d——高峰用水(最大小時(shí)用水)的持續(xù)時(shí)間,s。上述這個(gè)公式反映了水加熱設(shè)備的產(chǎn)熱水能力、熱媒的加熱能力及儲(chǔ)熱量之間的關(guān)系,即計(jì)算熱媒耗量可以扣除儲(chǔ)存的那部分熱量。如果把管道部分容積Ps略去,公式即可簡(jiǎn)化為:我們認(rèn)為該式應(yīng)用到工程實(shí)際中是比較合理的。表1列出了我院近年來(lái)設(shè)計(jì)的南海酒店、國(guó)際藝苑、梅地亞、301醫(yī)院加熱設(shè)備等的主要設(shè)計(jì)使用數(shù)據(jù)及按我們常用的按設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱水量來(lái)確定熱媒耗量與按上式計(jì)算的熱媒耗量的對(duì)比數(shù)據(jù)。從上面四個(gè)工程實(shí)例的計(jì)算可看出:熱媒耗量考慮與不考慮儲(chǔ)熱容積的因素,相差近25%。而且對(duì)照表1,當(dāng)旅館的出租率,醫(yī)院的病床使用率達(dá)100%時(shí),實(shí)用率和R2/R1值是比較接近的。當(dāng)然要應(yīng)用此公式作為設(shè)計(jì)依據(jù),還應(yīng)多積累一些工程實(shí)用資料,以使公式中的一些參數(shù)的選擇更為合理、適用。3水的舒適、節(jié)約一個(gè)好的熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)該是使各用水點(diǎn)隨時(shí)取到適宜溫度、平穩(wěn)壓力的熱水,即達(dá)到用水舒適、節(jié)約用水之目的。因此,設(shè)計(jì)熱水供應(yīng)系統(tǒng),除保證水量、水質(zhì)外,還應(yīng)把握住水壓、水溫這兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。3.1確保冷和熱之間的平衡3.1.1新型水加熱設(shè)備的研制一般的熱水供水系統(tǒng)如圖1所示。從圖中用水點(diǎn)A的冷、熱水供水情況可以看出:供水水源均是同一高位水箱,即壓力源相同,但冷水走的路程很短,而制備熱水的水加熱設(shè)備大多放在地下室或裙房?jī)?nèi)。這樣熱水不僅走的路程長(zhǎng),而且還要加上水加熱器的阻力。因而相對(duì)用水點(diǎn)A來(lái)說(shuō),熱水水壓小于冷水水壓,當(dāng)然我們可以通過(guò)調(diào)整冷熱水管管徑或控制閘門(mén)來(lái)加以調(diào)節(jié),但如果冷熱水壓差過(guò)大,就很難用調(diào)節(jié)管徑和控制閘門(mén)的方法來(lái)解決。而是否會(huì)產(chǎn)生壓力差過(guò)大的關(guān)鍵因素是水加熱設(shè)備——包括直接加熱的鍋爐或間接加熱的水加熱器。這就是為什么在我們相當(dāng)多的工程設(shè)計(jì)中,采用容積式水加熱器的主要原因。容積式水加熱器不僅具有較大的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)能力,而且被加熱水通過(guò)它的壓力損失很小(一般小于0.2m),因而只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,不管用水如何變化,用水點(diǎn)處壓力變化都會(huì)比較平穩(wěn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)新型加熱設(shè)備不斷涌現(xiàn),有各種型式的直接加熱設(shè)備——燃油燃?xì)鉄崴畽C(jī)組,直燃機(jī)組;也有各種不同的間接加熱設(shè)備——新型容積式、半容積式、半即熱式、熱管式、波紋管式。這些新設(shè)備都具有各自一定的優(yōu)點(diǎn),尤其是加熱能力、傳熱系數(shù)與傳統(tǒng)設(shè)備相比,均有很大的提高。但是傳熱系數(shù)的提高,往往是和提高熱媒流速與被加熱水流速(即增大這兩部分阻力)密切相關(guān)的。表2是我們研制RV-02新型立式容積式換熱器水-水換熱時(shí),熱力性能測(cè)定的熱媒阻力h與傳熱系數(shù)k之關(guān)系的幾組數(shù)據(jù)。從表2可以看出,k值的提高與h即相應(yīng)的熱媒流速V是成正比關(guān)系的。對(duì)于生活用熱水的水加熱設(shè)備來(lái)說(shuō),熱媒即蒸汽或軟化熱水阻力是可以通過(guò)凝結(jié)水泵或循環(huán)水泵來(lái)克服的,它與用水點(diǎn)用水不發(fā)生任何關(guān)系。但被加熱水的阻力,就是上述的水加熱設(shè)備的阻力是很難通過(guò)加壓的方式克服的,它將直接影響用水點(diǎn)處的熱水壓力。因此,我們?cè)谘兄芌V系列容積式換熱器、HRV系列半容積式換熱器時(shí),就牢牢掌握住這一原則,即保持被加熱水的阻力損失小于0.3m。然而,有不少水加熱設(shè)備,包括我們所見(jiàn)到的熱水機(jī)組,直燃機(jī)組,其樣本中都指明被加熱水的阻力損失3～5m。這種類(lèi)型的設(shè)備如果用在淋浴等需冷熱水壓力平衡的地方,就很難滿(mǎn)足使用要求,即便設(shè)備放在屋頂,如圖2所示,縮短了熱水輸水路程,設(shè)備本身有3～5m的阻力,即在用水點(diǎn)處,冷熱水壓差將相差3～5m。要解決此問(wèn)題,只有在熱水箱同高程處再加一冷水箱。圖2的高位補(bǔ)水箱,只作熱水爐補(bǔ)水用。至于高出熱水爐h=5m的高位補(bǔ)水箱能否找到合適的位置,這就要看工程的實(shí)際情況了。據(jù)上分析,為了解決用水處冷熱水壓力平衡的問(wèn)題,選擇水加熱設(shè)備時(shí)一定要考慮被加熱水的阻力損失因素。3.1.2水加熱器和熱水管的平衡目前國(guó)內(nèi)大部分工程,水加熱用的設(shè)備間大多放在地下室。但也有些工程是將水加熱設(shè)備和蒸汽鍋爐放在一起,這樣容易造成熱水供水管路過(guò)長(zhǎng),阻力大,同樣會(huì)使用水點(diǎn)處冷、熱水壓力不平衡,而且還可能會(huì)使最不利供水處保證不了最低供水壓力。我院20世紀(jì)80年代初設(shè)計(jì)的“南海酒店”就曾出現(xiàn)過(guò)此問(wèn)題?！澳虾＞频辍钡母呶凰渑c最高用水點(diǎn)高差約為9.5m,按計(jì)算,最不利點(diǎn)的自由水頭達(dá)5.5m,應(yīng)該是足夠的。但由于水加熱器設(shè)在主體建筑之外的鍋爐房?jī)?nèi),熱水管供水管來(lái)回總長(zhǎng)約250m,盡管我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)放大了熱水管管徑,并采用英國(guó)產(chǎn)薄壁銅管,但在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)管網(wǎng)流量較大時(shí),最不利點(diǎn)出水水壓仍顯不足,與冷水出流有明顯的差別。因此,熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加熱間的位置,應(yīng)盡量避免造成熱水管路過(guò)長(zhǎng)的情況。3.1.3冷、熱水系統(tǒng)管段的布置為了保證冷、熱水出水壓力平衡,冷、熱水供水系統(tǒng)的分區(qū)應(yīng)一致,各區(qū)的水加熱器、儲(chǔ)水器的進(jìn)水,均應(yīng)由同區(qū)的給水系統(tǒng)供應(yīng)。這是《規(guī)范》所規(guī)定的條款。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中,我們認(rèn)為有如下兩點(diǎn)值得注意。(1)冷、熱水系統(tǒng)均宜作成上行下給方式。我們發(fā)現(xiàn)有些工程的管道布置如圖3,冷水管上行下給,熱水管下行上給,這樣對(duì)于系統(tǒng)的最不利點(diǎn)a處,冷水走的距離短,且管徑大,即過(guò)水?dāng)嗝娲?阻力小,而熱水走的距離長(zhǎng),且管徑越來(lái)越小,阻力損失相對(duì)就要大多了。這樣也會(huì)加大冷熱水的供水壓力差。而且下行上給,要設(shè)供、回水兩條立管,管材費(fèi)用大,又占地方。因此,我們推薦冷、熱水系統(tǒng)宜盡量設(shè)計(jì)成上行下給的方式。(2)影響冷、熱水流量分配的管段宜獨(dú)立設(shè)置。有不少工程設(shè)計(jì),為了節(jié)省管道和方便管道布置,往往從高位水箱引出一根主干管,然后分支引至各用水點(diǎn),其布置方法如圖4。這種布置,固然省了管材,但實(shí)際運(yùn)行時(shí),將加劇用水點(diǎn)處冷、熱水壓力的不穩(wěn)定。因此,我們建議按圖5來(lái)布置干管。對(duì)用水量較大的點(diǎn)分設(shè)供水干管,避免用水時(shí)相互干擾,引起供水壓力的波動(dòng)。3.2穩(wěn)定水溫控制要保證用水點(diǎn)處穩(wěn)定的水溫,隨時(shí)取到適宜溫度的熱水,我們認(rèn)為要控制好兩個(gè)環(huán)節(jié):一是水加熱設(shè)備的自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)裝置,二是熱水的循環(huán)系統(tǒng)。3.2.1可選用溫壓裝置的理由(1)自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)裝置的種類(lèi)。目前國(guó)內(nèi)用于控制生活熱水溫度的閥門(mén)有多種型式,歸納起來(lái)大概有如下幾種型式。(A)僅用溫包控制的閥門(mén):這種型式的溫控閥,目前使用最多,按其啟閉閥門(mén)的動(dòng)力來(lái)分,它又可分為:a.自力式——不需外部動(dòng)力,依靠溫包內(nèi)介質(zhì)熱脹冷縮的力量來(lái)啟閉閥門(mén);b.電動(dòng)式——它是由溫包探測(cè)信號(hào)反饋至控制箱,再由控制箱執(zhí)行啟閉閥門(mén)的裝置。閥門(mén)有電動(dòng)閥和電磁閥兩種,前者能根據(jù)溫度變化情況調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度,后者則只有啟閉功能,無(wú)調(diào)節(jié)作用;c.汽動(dòng)式——以蒸汽或壓縮空氣為動(dòng)力啟閉閥門(mén)的裝置。(B)由溫度與流量或壓力雙重控制的閥門(mén):這種型式的閥門(mén)是以溫度來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén),以管網(wǎng)的流量或壓力變化來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度。美國(guó)“熱高”牌半即熱式水加熱器,就是采用這種以流量、溫度雙重控制的溫控裝置。美國(guó)康森阿姆斯壯公司則生產(chǎn)以壓力、溫度雙重控制的閥門(mén)。(2)如何選擇合適的溫度控制裝置。我們認(rèn)為選擇溫控裝置的關(guān)鍵是要“靈”。但從目前國(guó)內(nèi)一些產(chǎn)品來(lái)看,大多不是很“靈”。一是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,有的靈,有的不靈;二是開(kāi)始“靈”,用不多久就不“靈”。就是國(guó)外產(chǎn)品,也不是都“靈”。我們?cè)谧魉訜崞鳠崃π阅軠y(cè)試時(shí),曾做過(guò)三個(gè)國(guó)外原裝的自力式溫度調(diào)節(jié)閥的測(cè)試,結(jié)果,其中一個(gè)始終不動(dòng)。因此,根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),在選擇溫控裝置方面提出如下幾點(diǎn)意見(jiàn)供大家參考:(A)不管選用何種產(chǎn)品,均應(yīng)先經(jīng)靜態(tài)試驗(yàn),看其是否能根據(jù)溫度變化動(dòng)作。(B)自力式溫度調(diào)節(jié)閥,全靠溫包內(nèi)介質(zhì)的膨脹與收縮的力量來(lái)啟閉閥門(mén)。因此,它要求閥芯加工精度高、材質(zhì)好。宜選用國(guó)外較好的產(chǎn)品,并且閥前一定要加截污器。(C)應(yīng)根據(jù)不同的水加熱設(shè)備,不同的用水水溫要求來(lái)選擇閥型。容積式、半容積式水加熱器,因其有較大的儲(chǔ)水容積,溫控條件可相對(duì)低些,因此它可選用溫包為光面管的溫控裝置:其靈敏度,即水加熱器內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),溫控閥的動(dòng)作時(shí)間約2min。不帶調(diào)節(jié)儲(chǔ)水容積的半即熱、快速式水加熱器,則應(yīng)用由溫度、壓力(流量)雙重控制的溫控裝置。對(duì)一些對(duì)水溫平穩(wěn)度較高的地方,可用溫包為外螺紋管的溫控裝置,其靈敏度,一般為30s左右。3.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)等程循環(huán)的幾種常用型式。從我們近十多年來(lái)一些工程的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,熱水循環(huán)系統(tǒng)采用等行程循環(huán)(即相對(duì)每個(gè)用水點(diǎn)來(lái)說(shuō),熱水的供、回水距離之和基本相等)是一種好的管道布置方式,雖然它可能多用一點(diǎn)管材,但系統(tǒng)無(wú)需調(diào)節(jié),且使用效果好,節(jié)約用水。圖6和圖7為水加熱設(shè)備位于地下室或裙房的布置方式。圖8為水加熱設(shè)備位于屋頂?shù)牟贾梅绞健?2)供、回水水平干管不宜變徑。供水回水干管不改變直徑,雖然要多用材料,但費(fèi)用增加不會(huì)太多。因?yàn)樽儚降墓芗裙艿蕾F得多。然而,它能使整個(gè)管段的阻力損失減少.有利于各立管中熱水的均衡循環(huán)。(3)減壓閥的設(shè)置。近年來(lái),由于進(jìn)口的或國(guó)內(nèi)自己研制的比例式減壓閥等能減靜壓閥門(mén)的出現(xiàn),大大簡(jiǎn)化了高層建筑的給水分區(qū)系統(tǒng),現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有相當(dāng)多的高層建筑已采用這種產(chǎn)品。但我們?cè)趯徍艘恍┕こ淘O(shè)計(jì)圖(包括一些香港設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì)的圖)時(shí),發(fā)現(xiàn)減壓閥的設(shè)置不當(dāng),如圖9所示。它把未減壓的高區(qū)與經(jīng)減壓的低區(qū)合為同一加熱與循環(huán)系統(tǒng),顯而易見(jiàn),低區(qū)經(jīng)減壓后,水是回不去的,即相對(duì)于圖9中a點(diǎn),因高區(qū)下來(lái)熱水至該點(diǎn)的壓力遠(yuǎn)大于低區(qū)熱水至該點(diǎn)的壓力,因此,在系統(tǒng)循環(huán)時(shí),低區(qū)水回不去,系統(tǒng)不循環(huán)時(shí),則低區(qū)的供水不會(huì)經(jīng)減壓閥的供水管供水,而是由高區(qū)從回水管反過(guò)去供水,此時(shí)減壓閥完全無(wú)用。因此正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)如圖10所示。兩系統(tǒng)必須自加熱器起完全分開(kāi),而減壓閥裝在冷水管上。另外,由于減壓閥需減靜壓,其閥芯部分的密封性能要求很高,這樣相對(duì)地要求管路的水質(zhì)也高,不能夾帶一點(diǎn)可能影響密封圈工作的雜質(zhì),而熱水相對(duì)冷水而言,容易產(chǎn)生水垢及雜質(zhì),而且,溫度高影響密封環(huán)壽命。因此,減壓閥最好設(shè)在冷水端。如果低區(qū)用水點(diǎn)少,影響范