集中供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

何梓翔

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

我國人口基數(shù)大，人均資源少，全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展是科學(xué)發(fā)展觀的基本要求。自2005 年時(shí)任浙江省省委書記的習(xí)近平提出“寧要綠水青山，不要金山銀山”以來，我們一直響應(yīng)人與自然和諧共生的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策?！笆奈濉睍r(shí)期，我國的生態(tài)文明建設(shè)強(qiáng)力推行減污降碳，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)全面綠色轉(zhuǎn)型，推動形成綠色發(fā)展方式和生活方式，堅(jiān)定綠色低碳的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展道路。

黨的十八大以來，我國全力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，響應(yīng)全球氣候治理戰(zhàn)略，并于2020 年提出碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)。各行各業(yè)亦紛紛響應(yīng)雙碳目標(biāo)，落實(shí)綠色低碳，節(jié)能先行，國家住建部亦于2019 年8 月1日批準(zhǔn)實(shí)施新版《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，并對其余設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)作出修訂和完善，進(jìn)一步推行及規(guī)范綠色低碳的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

與此同時(shí)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，公共建筑項(xiàng)目的綠色節(jié)能減排愈發(fā)成為建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的重中之重。于給水排水設(shè)計(jì)的熱水系統(tǒng)而言，對比分散供熱，集中供熱無疑可提供更穩(wěn)定、更高品質(zhì)的熱水，更重要的是集中供熱能更有效地節(jié)約能源，減少污染。本文結(jié)合若干實(shí)際工程案例，對不同項(xiàng)目的集中供熱系統(tǒng)略作淺述與分析。

1 項(xiàng)目概況

1.1 清遠(yuǎn)某發(fā)電工程項(xiàng)目

本工程坐落于廣東省清遠(yuǎn)英德市，項(xiàng)目占地約10.4 萬m2。項(xiàng)目為電廠內(nèi)擴(kuò)建的配套公共建筑，包括辦公樓、多功能廳、活動中心、宿舍、食堂、消防站等。

項(xiàng)目所在電廠生活水源為廠區(qū)凈水站，凈水站從北江取水，凈水站內(nèi)設(shè)有500m2生活水池，廠前區(qū)配套公建未單獨(dú)設(shè)置水泵房加壓。本電廠配套項(xiàng)目由廠區(qū)引入一根DN200 進(jìn)水管，壓力約0.50MPa，供廠前區(qū)生活用水使用。項(xiàng)目內(nèi)員工宿舍、基建宿舍、消防站設(shè)有集中供熱系統(tǒng)，為響應(yīng)和落實(shí)國家的雙碳目標(biāo)，熱源均采用空氣源熱泵和電輔熱。

1.2 東莞某高級中學(xué)項(xiàng)目

本工程位于廣東省東莞市，建筑總面積約31457m2。項(xiàng)目包括1 棟教學(xué)樓以及1 棟食堂宿舍綜合樓，其中綜合樓首層及二層裙房部分為食堂和廚房備餐，3～6 層塔樓部分為3 棟宿舍樓。

本工程生活水源為校區(qū)內(nèi)原有環(huán)狀給水管網(wǎng)。管徑為DN150，水壓約為0.25MPa，生活給水系統(tǒng)的水質(zhì)符合現(xiàn)行的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求。項(xiàng)目內(nèi)三棟宿舍樓均設(shè)有集中供熱系統(tǒng)，熱源采用太陽能集熱板及空氣源熱泵。

1.3 東莞某員工宿舍配套幼兒園項(xiàng)目

項(xiàng)目位于廣東省東莞市，項(xiàng)目內(nèi)包括員工宿舍以及幼兒園單體。幼兒園位于地塊最北側(cè)，幼兒園基底面積約1474m2，建筑高度10.8m，地上三層，幼兒園為無住宿幼兒園。

地塊水源由地塊北側(cè)和南側(cè)市政路共引入2 根DN150 市政給水管，壓力約0.25MPa。幼兒園生活給水入戶管壓力約0.23MPa。結(jié)合當(dāng)?shù)匾?，幼兒園集中供熱系統(tǒng)的熱源采用太陽能集熱板結(jié)合電輔助加熱，其余員工宿舍住宅樓采用分散式燃?xì)鉄崴鳌?/p>

1.4 東莞某公租房項(xiàng)目

本工程位于廣東省東莞市，占地面積約7.5 萬m2，最高建筑高度為92.25m，建筑總面積約29.2 萬m2，地下2 層，地上27 層。項(xiàng)目包括宿舍、公租房、商業(yè)、泳池配套、地下車庫。

本項(xiàng)目水源由項(xiàng)目附近市政路引入2 根DN200 市政給水管，水壓約為0.18MPa。項(xiàng)目內(nèi)共設(shè)有3 個生活水泵房，其中公租房水泵房設(shè)于負(fù)二層。為響應(yīng)國家綠色低碳節(jié)能的號召，結(jié)合業(yè)主和甲方的要求，宿舍采用分散式燃?xì)鉄崴鳎夥?、泳池淋浴間、員工淋浴間均采用集中供熱系統(tǒng)，熱源采用燃?xì)忮仩t，泳池及低區(qū)鍋爐房設(shè)置于負(fù)一層，中區(qū)高區(qū)鍋爐房設(shè)于負(fù)二層的公租房水泵房。

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例及分析

2.1 清遠(yuǎn)某發(fā)電工程配套宿舍空氣源集中供熱系統(tǒng)

上述清遠(yuǎn)某發(fā)電工程項(xiàng)目中，本文枚舉員工宿舍的集中供熱系統(tǒng)。員工宿舍生活給水入戶管壓力約為0.48MPa，地上共5 層，建筑高度為17.7m。據(jù)上述條件，本項(xiàng)目生活給水及熱水系統(tǒng)毋需作豎向分區(qū)供水，循環(huán)方式采用干管同程循環(huán)；此外為了充分利用生活給水入戶的壓力，宿舍樓的集中供熱系統(tǒng)采用空氣源熱泵和電輔熱的閉式系統(tǒng)，如圖1 所示。

兩棟員工宿舍的熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)為80L/（床·d）。單棟宿舍最高日熱水用量為12.0m3/d，最大時(shí)熱水用量為2.0m3/h，則設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為133.75kW。該項(xiàng)目的加熱設(shè)備選擇直熱式空氣源熱泵和電輔熱。按該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)范《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]取值并計(jì)算，空氣源熱泵設(shè)計(jì)供熱量為230285kJ/h，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間為3h，熱泵工作時(shí)間取12h；熱泵儲熱水箱最小有效容積為4680L。項(xiàng)目選用2 臺空氣源熱泵，每臺熱泵額定制熱量為40kW；2 座承壓式儲熱水罐，有效容積為3m3；以及1 座電加熱水罐，有效容積為455L，功率為75kW；熱水出水總管處按流量設(shè)置紫外線消毒器。

在以其他電廠項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，由于電廠廠區(qū)內(nèi)使用電能毋需繳納費(fèi)用，業(yè)主方往往更希望使用電加熱的熱水系統(tǒng)。而本項(xiàng)目在多方的共同努力下，響應(yīng)國家低碳的號召，選用更為節(jié)能的空氣源熱泵作為熱源，實(shí)在難能可貴，值得推廣學(xué)習(xí)。

2.2 東莞某高級中學(xué)太陽能及空氣源集中供熱系統(tǒng)

本項(xiàng)目學(xué)生宿舍建筑規(guī)劃高度為23.4m，該項(xiàng)目3～6 層宿舍樓生活給水及熱水系統(tǒng)豎向不分區(qū)，循環(huán)方式為干管同程循環(huán)，集中供熱系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，熱源采用太陽能集熱板及空氣源熱泵。熱水系統(tǒng)原理如圖2所示。

該綜合樓三至六層學(xué)生宿舍熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)取值為80L/（床·d）。宿舍總最高日用水量約140m3/d，最大時(shí)用水量約18m3/h，則設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為3993141kJ/h，單棟宿舍設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量約為350kW/h。單棟宿舍2m2太陽能集熱板工112 塊，共224m2，單位面積日均產(chǎn)量60L/（m2·d）。計(jì)算得太陽能日耗熱量為2276264kJ/d，則太陽能集熱水箱最小有效容積為13440L。按流量選取太陽能循環(huán)水泵和太陽能集熱循環(huán)水泵。因?qū)W生宿舍人員密度大，以及太陽能集熱板熱源可靠性不足，空氣源熱泵計(jì)算取值按滿足全員熱水需求考慮。按規(guī)范設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間取值3h，熱泵工作時(shí)間取10h；則計(jì)算得空氣源熱泵設(shè)計(jì)供熱量為1002200kJ/h，熱泵儲熱水箱最小有效容積為4667L。項(xiàng)目選取2 臺空氣源熱泵，額定制熱量為188kW；熱泵儲熱水箱14.5m3；太陽能儲熱水箱15m3。為了保證充分利用更為節(jié)能的太陽能熱源，熱泵水箱置于太陽能儲熱水箱后方，并于熱水變頻加壓水泵組后的熱水干管處，按流量配備紫外線消毒器。

學(xué)校類集中供熱的特點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)集中大量使用熱水。需要考慮到學(xué)生集中時(shí)間洗澡時(shí)熱水儲量和產(chǎn)量不足，導(dǎo)致熱水出水水溫不足。所以按規(guī)范公式算得結(jié)果后，類似項(xiàng)目可考慮額外增加熱水儲熱水罐的數(shù)量及其有效容積，以滿足學(xué)校宿舍對熱水的短時(shí)間大量的需求。

2.3 東莞某幼兒園太陽能集中供熱系統(tǒng)

本項(xiàng)目為三層無住宿大型幼兒園。

因本項(xiàng)目中的無住宿幼兒園熱水需求量小，且均僅在白天需要使用熱水，太陽能集中供熱的劣勢則可以忽略。所以結(jié)合當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)條文要求和地區(qū)的條件，本項(xiàng)目擇優(yōu)選用最為節(jié)能低碳的太陽能集熱板結(jié)合電輔熱，作為本項(xiàng)目集中供熱系統(tǒng)的熱源。參照《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》[4]，太陽能集熱器安裝如圖3所示。

無住宿幼兒園熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)取15L/（人·日）。此幼兒園最高日有水量為3.38m3/d，最大時(shí)用水量為1.62m3/h，則設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為332959kJ/h。由于天面設(shè)備區(qū)間有限，僅能布置33 塊共66m2的太陽能集熱板，不足熱量由電輔熱補(bǔ)充。經(jīng)計(jì)算，選取3.5m3的太陽能集熱水箱，以及1m3的電加熱水罐。

2.4 東莞某公租房燃?xì)忮仩t集中供熱系統(tǒng)

公租房建筑高度64.2m，地下2 層，地上16 層。因熱水需求量大，地下室空間充足，該項(xiàng)目選用真空燃?xì)忮仩t作為熱源。生活給水及熱水豎向均分為3 個分區(qū)：市政壓力低區(qū)、加壓中區(qū)和加壓高區(qū)。熱水循環(huán)管道采用各分區(qū)支管同程方式，且供回水末端管道適當(dāng)放大管徑。

熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)：公租房取160L/（人·d），泳池及員工淋浴取40L/人次。最高日熱水用量64.65m3/d，最大時(shí)熱水用量為8.62m3/h，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量約1770000kJ/h。經(jīng)計(jì)算選用2 臺額定供熱量為1.17MPa 的真空燃?xì)鉄崴仩t。熱水鍋爐系統(tǒng)原理如圖4 所示。

參考《水加熱器選用及安裝》[5]圖集，泳池及員工淋浴選用2 座7.0m3的導(dǎo)流式容積式水加熱器，公租房低區(qū)選用2 座5.0m3的導(dǎo)流式容積式水加熱器，中區(qū)選用2 座6.0m3的導(dǎo)流式容積式水加熱器，高區(qū)選用2 座6.5m3的導(dǎo)流式容積式水加熱器。各分區(qū)的導(dǎo)流式容積式水加熱器的換熱器均選用波節(jié)管U 型傳熱管束，傳熱面積16m2，傳熱系數(shù)≥2000W/（m2·℃），各分區(qū)按流量分別配置循環(huán)泵及熱水膨脹罐，換熱設(shè)備系統(tǒng)原理如圖5 所示。

3 結(jié)語

本文通過列舉四個不同的工程實(shí)例，結(jié)合不同的工程概況以及項(xiàng)目條件，對于集中供熱系統(tǒng)的選用略作淺析，并分享了上述四個采用不同熱源的集中供熱系統(tǒng)的部分具代表性的設(shè)計(jì)成果。上述四個項(xiàng)目深受業(yè)主的好評和施工方的認(rèn)可，也希望能給相似的集中供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員帶來可靠參考和依據(jù)。

可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀一直是維持穩(wěn)定快速發(fā)展的重中之重，我們建筑行業(yè)的從業(yè)人員理應(yīng)更好地結(jié)合不同的項(xiàng)目條件和工程概況，可以本文為參考，理清熱水用水量、設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間和前置條件的關(guān)系，更合理地設(shè)計(jì)集中供熱系統(tǒng)，兼顧項(xiàng)目效果之余，不遺余力地支持和響應(yīng)國家的節(jié)能減排低碳號召。