某高校體育中心熱水系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

劉志國

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

某高校體育中心由體育館、游泳館、體育場(chǎng)三個(gè)子項(xiàng)目組成。其中體育館地上三層，建筑面積為26744m2，建筑高度32.30m；標(biāo)準(zhǔn)體育場(chǎng)地上兩層，建筑面積為6350m2，建筑高度15.560m；游泳館地上一層，地下一層，建筑高度為14.2m。體育館、游泳館、體育場(chǎng)成品字形布置，三個(gè)子項(xiàng)目均設(shè)置了淋浴室，需要設(shè)計(jì)熱水系統(tǒng)，見圖1。

圖1 某高校體育中心鳥瞰圖

2 各單體建筑熱水系統(tǒng)使用特點(diǎn)

由于該項(xiàng)目位于某高校內(nèi)，體育場(chǎng)及體育館除偶爾舉行重大賽事外，其余時(shí)間僅用于學(xué)生鍛煉及體育教學(xué)，使用熱水淋浴的頻率較低，平時(shí)僅為場(chǎng)館管理人員及教職工提供零洗浴熱水，另外體育館及體育場(chǎng)淋浴室相對(duì)分散。

游泳館后期將承包出去運(yùn)營，面向社會(huì)，使用熱水特點(diǎn)為全日制連續(xù)使用，另外泳池內(nèi)熱水需要循環(huán)加熱。

3 根據(jù)當(dāng)?shù)卣呒巴獠織l件確定各場(chǎng)館熱源形式

本項(xiàng)目所在地政府強(qiáng)制推行太陽能熱水系統(tǒng)，且由于項(xiàng)目所在地市政燃?xì)夤?yīng)不充足、燃?xì)忮仩t使用受限，無全年供熱的熱力管網(wǎng)。經(jīng)與建設(shè)方商議，最后確定的熱源為太陽能、空氣源熱泵及電輔助。

考慮到體育館及體育場(chǎng)僅在比賽時(shí)開放運(yùn)動(dòng)員休息室淋浴，平時(shí)體育館使用過程中并不給學(xué)生提供淋浴用水，故不建議使用集中熱水系統(tǒng)，而采用用水系統(tǒng)管路盡量短的局部熱水系統(tǒng)相對(duì)較為合理，減少管路熱損失，更有利于節(jié)能。該體育中心所在地鼓勵(lì)使用太陽能熱水系統(tǒng)，但體育館和體育場(chǎng)屋面均為弧形或褶皺行鋼結(jié)構(gòu)屋面，屋面設(shè)置太陽能集熱器安裝及后期維修管理困難，運(yùn)行維護(hù)成本高，并不能產(chǎn)生實(shí)際的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。故本項(xiàng)目體育館及體育場(chǎng)淋浴器熱源最終確定為輕型商用容積式電熱水爐，其優(yōu)點(diǎn)是占地少、管路少、熱損失少、運(yùn)行管理費(fèi)用低，后期運(yùn)行維護(hù)相對(duì)靈活。

游泳館除泳池池水需要循環(huán)加熱外，配套的淋浴間也需要全天供應(yīng)熱水。鑒于游泳館屋面為斜屋面，熱水系統(tǒng)為全日制熱水供應(yīng)系統(tǒng)，熱水系統(tǒng)熱源最終確定為屋面太陽能和室外空氣源熱泵。

4 多種熱源配合使用

關(guān)于游泳館的熱水系統(tǒng)最初設(shè)置了以下兩種方案：

（1）設(shè)置一個(gè)大的水箱，屋面太陽能熱水系統(tǒng)集熱、空氣源集熱、泳池?fù)Q熱、浴室供熱水均由該水箱提供。此方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，浴室用熱水為太陽能集熱器和空氣源熱泵直接制備的熱水，減少換熱次數(shù)，提高熱效率。缺點(diǎn)是浴室供熱水為開式系統(tǒng)，冷熱水壓力不好平衡；兩種低位熱源設(shè)置在同一水箱中，很難實(shí)現(xiàn)合理的控制，太陽能熱源得不到充分的利用，見圖2。

圖2 方案二

圖2 方案一

（2）屋面太陽能熱水系統(tǒng)只供給浴室使用，采用間接利用方式，熱水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，輔助熱源配以空氣源熱泵；泳池循環(huán)加熱系統(tǒng)是由空氣源熱泵配合板式換熱器加熱供水。此方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，浴室冷熱水壓力平衡；太陽能熱源與空氣源熱泵分別設(shè)置在兩個(gè)半容積式換熱器中，可充分利用太陽熱水系統(tǒng)熱源。缺點(diǎn)是常規(guī)空氣源熱泵熱源最高出水溫度為55℃左右，做為浴室閉式熱水系統(tǒng)熱媒換熱效率并不高，見圖3。

經(jīng)過比選，本項(xiàng)目最后選擇方案二，由于泳池循環(huán)加熱僅采用空氣源熱泵間接換熱方式，加熱系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，下文僅對(duì)游泳館浴室熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

5 太陽能熱水系統(tǒng)半容積式換熱器容積及換熱面積計(jì)算

由于太陽能為不保證熱源，屋面太陽能集熱器按照平均日用水定額確定即可。經(jīng)計(jì)算后確定屋面太陽能集熱器面積為300m2，本工程太陽能集熱系統(tǒng)半容積式換熱器可根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》6.6.5.1條確定，換熱面積根據(jù)公式6.5.7計(jì)算。換熱面積要能保證把太陽能集熱器一天中太陽能輻照量最大小時(shí)的集熱量及時(shí)換出去。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，一天中最大及最小太陽能輻照量比值約為1.5～1.8，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得每百平米太陽能集熱器用容積式換熱器換熱的話需要7～10m2。由于計(jì)算過程中涉及各參數(shù)取值，就不再一一贅述了。確定容積式換熱器容積及換熱面積等關(guān)鍵參數(shù)后就可對(duì)容積式換熱器進(jìn)行選型。

6 供熱量和儲(chǔ)熱量之間的關(guān)系

熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中供熱量和儲(chǔ)熱量之間的關(guān)系是此消彼長的，舉個(gè)更直觀但不一定很恰當(dāng)?shù)睦泳褪谴箦佇』鸷托』鸫箦伒年P(guān)系?；穑ü崃浚┐?，則鍋（儲(chǔ)熱量）小點(diǎn)也可滿足用戶使用要求；火（供熱量）小，則鍋（儲(chǔ)熱量）大點(diǎn)亦可滿足用戶使用要求，但火（供熱量）再小也不能比平均小時(shí)耗熱量還小。

游泳館熱水系統(tǒng)為太陽能熱水系統(tǒng)半容積式換熱器出水后串聯(lián)采用空氣源熱泵為熱源的半容積式換熱器，前面已經(jīng)討論了太陽能集熱器和采用太陽能熱源的半容積式換熱器的選型。以下就空氣源熱泵和配套半容積式換熱器的選型進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。由于太陽能熱源為不保證熱源，輔助熱源要按照全部熱負(fù)荷選取。一般情況下加熱設(shè)備的初投資和后期維護(hù)管理費(fèi)用比儲(chǔ)熱設(shè)備大，故為了減少工程投資，空氣源熱泵供熱量最小可按照平均小時(shí)耗熱量計(jì)算。為了滿足空氣源熱泵供熱量能按照平均小時(shí)耗熱量計(jì)算，就必須要將設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間段內(nèi)的全部耗熱量都儲(chǔ)存下來。故系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)水量就要按照2～4倍最大小時(shí)熱水量選取，所以空氣源熱泵系統(tǒng)配套的半容積式換熱器的有效容積為：

其中：V空-空氣源熱泵配套換熱器有效容積；V太-太陽能熱水系統(tǒng)配套換熱器有效容積；qrh-最大小時(shí)熱水量?？諝庠礋岜门涮椎膿Q熱器換熱面積計(jì)算方法同太陽熱水系統(tǒng)。

7 熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一些其他設(shè)備

為保證加熱效果及用水側(cè)使用舒適性，該熱水系統(tǒng)中熱媒側(cè)及熱水側(cè)均設(shè)置了循環(huán)泵。太陽能集熱器循環(huán)泵、空氣源集熱循環(huán)泵應(yīng)按照《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》6.6.5.5條及6.6.7.3條選取及計(jì)算，熱水側(cè)循環(huán)泵應(yīng)按照6.7.10條選取及計(jì)算。熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有一些膨脹管等設(shè)備，本文中就不一一展開論述了。

8 結(jié)語

由于熱源種類多、熱水系統(tǒng)形式多樣（開式或閉式）、熱水加熱方式多等原因，從而使熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)千變?nèi)f化。在遇到熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們不應(yīng)該按照固定的模式復(fù)制，而應(yīng)該對(duì)熱水使用特點(diǎn)、熱源條件等情況綜合分析，最終選擇適用于該工程的熱水系統(tǒng)。本文只是簡(jiǎn)單介紹了某高校體育中心熱水系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的過程，其中還有諸多熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的細(xì)節(jié)未提及，在后期施工圖設(shè)計(jì)中會(huì)進(jìn)一步深化并完善設(shè)計(jì)，以達(dá)到用水舒適、節(jié)能的目的。