高層住宅小區(qū)集中熱水系統(tǒng)設(shè)計探討

姜凌云，王 昱

（1.甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

人民生活水平的日益提高，對居住條件的要求也越來越高，熱水供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)成為住宅小區(qū)的最基本的硬件條件。住宅熱水系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到人們的入住體驗，小區(qū)集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)落實節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境的原則，綜合考慮能源供應(yīng)，小區(qū)規(guī)模與布局，單體建筑形式、小區(qū)給水系統(tǒng)、室內(nèi)給水、熱水及其他專業(yè)室外綜合管道等因素，還應(yīng)為施工安裝、操作管理、維修檢測及安全保護(hù)等提供便利條件。

住宅小區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的形式一般情況下分為4種：①燃?xì)鉄崴鞴?yīng)（比較常用）；②電熱水器供應(yīng)；③太陽能熱水器供應(yīng)（分為分散的家用型和集中式2種）；④集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)（需由熱源換熱型）。集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源選用應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

2 項目介紹

某高層住宅小區(qū)位于蘭州市，共8個高層住宅樓（16～30 層）及一個地下車庫；總用地面積29 333.40 m2，總建筑面積122 114.67 m2，總戶數(shù)1 215戶，每戶按3.2人計，總?cè)藬?shù)3 888人。其中1#樓18層，2#樓16層，3#樓29層，5#樓30層，4#、6#、7#、8#樓28層；地下停車庫小汽車泊位數(shù)量263個，車庫上托8個住宅樓，車庫總建筑面積13 245.46 m2。換熱站等設(shè)備用房設(shè)在車庫內(nèi)。

3 熱水系統(tǒng)設(shè)計

3.1 熱源的選取

小區(qū)東北角鍋爐房提供0.4 MPa高溫蒸汽，鍋爐房屬于附近廠區(qū)生產(chǎn)用，供熱量有富裕且與小區(qū)屬同一個業(yè)主，可以作為生活熱水的熱源。

3.2 設(shè)計參數(shù)的選取

熱水用水定額的選取根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）中集中熱水供應(yīng)和沐浴設(shè)備的住宅日用水定額，最高為60～100 L/人·d，平均為25～70 L/人·d。據(jù)調(diào)查，設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的住宅，衛(wèi)生設(shè)備完善，用水量與水價成反比，當(dāng)水價在10元/m3時，居民的熱水用水量約為48 L/人·d；當(dāng)水價在25元/m3時，居民的熱水用水量約為28 L/人·d。經(jīng)與業(yè)主溝通，屬于廠區(qū)配套職工住宅，運行時熱水價格較低，故取規(guī)范的上限值100 L/人·d。

熱水用水定額用來計算熱水負(fù)荷，其水量已經(jīng)包括每人每日用水定額里面。有集中熱水供應(yīng)的工程，首先用用水定額來計算每日的用水量，然后用熱水定額來計算熱水用量及熱水設(shè)備的負(fù)荷。總用水定額（每人每日用水量）包括冷水用水量和熱水用水量。冷、熱水管網(wǎng)分開時，計算冷水管道的設(shè)計秒流量，應(yīng)減去熱水的用水量。該工程冷水用水定額取200 L/人·d，各分區(qū)冷水變頻供水設(shè)備運行正常。根據(jù)人們的生活習(xí)慣，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，主要用水為洗浴，熱水用水高峰發(fā)生在晚上。通過讀取換熱站內(nèi)各分區(qū)接換熱器冷水管上水表讀數(shù)來觀測熱水用水量情況；聯(lián)系甲方了解到1#換熱站（供應(yīng)688戶熱水）的用水量在1年內(nèi)最大月（7月）的用水量是5 158 m3，折算每人每日用水量78 L是設(shè)計值的78%；在最大月內(nèi)最高的日用水量是189.5 m3，折算每人每日用水量86 L是設(shè)計值的86%。由此可見，設(shè)計取規(guī)范上限100 L/人·d滿足使用要求，取值略高。

3.3 熱水量、耗熱量計算

按《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）中3.1～1、5.3.2公式[1]計算出總的設(shè)計耗熱量為11 616 809.50 KJ/h，設(shè)計小時熱水量為56.44 m3/h，熱水為24 h供應(yīng)。

3.4 系統(tǒng)形式、換熱站的設(shè)置及水加熱、儲熱設(shè)備計算

（1）建筑單體熱水系統(tǒng)的形式為上供下回機(jī)械全循環(huán)同程式。系統(tǒng)形式參考暖通專業(yè)分戶計量的系統(tǒng)。該項目高層住宅冷水系統(tǒng)最多分4個區(qū)，熱水系統(tǒng)分區(qū)同冷水系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)每個分區(qū)1根供水立管、2根回水立管，4個分區(qū)共12根管道，如圖1所示。

圖1 熱水系統(tǒng)展開圖

供水主立管及回水管均設(shè)在管井內(nèi)，熱水表也集中設(shè)在管井內(nèi)，且熱水管還有保溫層，管井內(nèi)共22根管道，12根熱水管、4根冷水管、1根廢水管、1根雨水管、4根采暖管，還有熱水表、冷水表、熱表，安裝后管井內(nèi)空間相當(dāng)緊張，設(shè)計時應(yīng)與暖通專業(yè)一起仔細(xì)排布管井，向建筑專業(yè)返提管井條件時，由于以往經(jīng)驗不足需按實際提供合理的平面尺寸。

（2）根據(jù)建筑物的樓層數(shù)及各換熱站至最遠(yuǎn)建筑物的服務(wù)半徑，該小區(qū)共設(shè)計3個換熱站，位置示意如圖2所示。

圖2 換熱站分布示意圖

1#換熱站供3#、5#、7#，服務(wù)半徑控制在100～150 m。2#換熱站供4#、6#、8#樓，服務(wù)半徑為控制在100～150 m。3#換熱站供1#、2#，服務(wù)半徑為控制在50～100 m。

換熱站的布置應(yīng)考慮就近設(shè)在熱負(fù)荷大的用 水大戶或最高建筑物旁。換熱站熱水計算表見表1。

表1 換熱站熱水計算表

（3）儲熱量計算。熱源供應(yīng)滿足設(shè)計小時平均秒流量但不能滿足設(shè)計秒流量的要求、用水量變化大且要求供水水溫、水壓較平穩(wěn)，設(shè)有機(jī)械循環(huán)的集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)宜選用半容積式水加熱器。

式中：Ve為貯水容積；S為貯熱時間；Qh為設(shè)計小時耗熱量。

按《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）中的表6.5.11，S取20 min；半容積式水加熱器的供熱量Qg=Qh；總傳熱面積計算：

式中：Cr為熱水系統(tǒng)熱損失系數(shù)；K為傳熱系數(shù)；Δtj為熱媒與被加熱水的計算溫度差；ε為由于水垢和熱媒分布不均勻影響熱效率的系數(shù)。

換熱站儲熱量按上述公式（1）、（2）計算見表2。

表2 換熱站儲熱量計算表

高溫蒸汽為優(yōu)質(zhì)熱源，因熱源供熱量相對富裕，故換熱設(shè)備選用半容積式換熱器，每個分區(qū)2臺，每臺保證60%的供水量。根據(jù)小區(qū)入住情況，單臺或雙臺投入使用，供水溫度60 ℃，回水溫度50 ℃，供水溫度高及半容積式換熱器儲存的熱水少，可降低軍團(tuán)桿菌的滋生，這也是設(shè)計應(yīng)注意的問題。

3.5 熱水計量

住宅熱水計量一直是設(shè)計中的難題，戶內(nèi)支管循環(huán)不循環(huán)，設(shè)1塊表還是設(shè)2塊表，都是設(shè)計人糾結(jié)的問題；熱水表集中設(shè)在管井內(nèi)，從管井埋地敷設(shè)至各戶廚房或衛(wèi)生間，戶內(nèi)管道與地暖管道一同埋地敷設(shè)；規(guī)范要求保證熱水配水點出水溫度不低于45 ℃的時間，居住建筑不應(yīng)大于15 s，公共建筑不應(yīng)大于10 s，這就需要做戶內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。

戶內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，從管井到最遠(yuǎn)用水衛(wèi)生間有20 m，如果不循環(huán)，每次用熱水前要放掉5～6 L冷水，造成極大的浪費。故采用戶內(nèi)支管循環(huán)，管井里在供、回水管上分別設(shè)熱水表計量，再統(tǒng)計兩者的差值就是住戶的熱水用水量，管井內(nèi)熱水表設(shè)置如圖3所示。

圖3 管井內(nèi)熱水表設(shè)置示意圖

這種做法的弊病是計量不夠準(zhǔn)確，容易造成計量誤差。有2種方法解決這種系統(tǒng)的弊?。?/p>

（1）從分戶循環(huán)橫管引至各衛(wèi)生間的支管上單設(shè)水表，每戶設(shè)2～3塊水表，這樣不循環(huán)的管段只有衛(wèi)生間內(nèi)一小段。缺點為橫干管設(shè)在房頂上，不美觀，裝修不好處理，水表設(shè)置塊數(shù)多，造價高。熱水表設(shè)置如圖4所示。

圖4 戶內(nèi)熱水表設(shè)置示意圖

（2）熱水支管還可以設(shè)置自調(diào)溫電伴熱保溫，保證熱水供水溫度是循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)充措施，由于電伴熱造價較高、長期耗電，據(jù)統(tǒng)計1 m的DN15的管道維持40 ℃水溫1 d耗電0.2 ℃。這種形式較多用于高標(biāo)準(zhǔn)的公寓、別墅等場所；換一種思路，能設(shè)集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的住宅也應(yīng)該算作高級住宅，支管循環(huán)做的電伴熱增加的投資，在工程總投資中所占比重很低。因此熱水支管設(shè)自調(diào)控電伴熱保溫是可行的[3]。

該項目設(shè)計時在熱水供、回水管上分別設(shè)了熱水表計量，通過2塊表的差值計量收費。根據(jù)業(yè)主反映，使用效果不好、計量不準(zhǔn)確，有的住戶數(shù)據(jù)偏大；有的住戶的數(shù)據(jù)居然是負(fù)數(shù)。這說明熱水有反流現(xiàn)象，通過在管井內(nèi)熱水表和回水表后增設(shè)止回閥解決上述問題。計量不準(zhǔn)確造成用水的浪費，經(jīng)改造后情況得到改善。

3.6 管網(wǎng)、管材、附件

（1）管網(wǎng)熱損失分析。以3個換熱站中管網(wǎng)長度最長、服務(wù)人數(shù)最多的系統(tǒng)來計算分析，即1#換熱站總戶數(shù)688戶，室外管網(wǎng)總長度約1 994 m（供水管與回水管總長度，平均管徑為DN50），該換熱站供應(yīng)3個單體住宅樓，均為接近100 m的高層住宅，每個單體管井內(nèi)供、回水立管的長度約490 m（平均管徑為DN40），戶內(nèi)供、回水管總長約20 m，管道敷設(shè)在地面墊層內(nèi)不保溫，平均管徑為DN20。

管道熱損失計算公式[4]：

式中：W為管段熱損失（KJ/h）；D為管道計算外徑（m）；l為計算管段長度（m）；K為無保溫管道的傳熱系數(shù)，約為42 KJ/m2·h·℃；η為保溫系數(shù)，采取較好保溫時取0.8，不保溫時取0；tm為設(shè)計管段的平均水溫（℃），供回水溫度為60 ℃/50 ℃，取55 ℃；tk為設(shè)計管段周圍的空氣溫度（℃），因室內(nèi)采暖、室外敷設(shè)在車庫內(nèi)，取15 ℃。

管網(wǎng)熱損失按公式（3）計算，見表3。

表3 管網(wǎng)熱損失計算表

熱水用水定額取100 L/人·d，每戶按3.2人計，則每戶全天的耗熱量[5]：

W=3.2×100×（60－10）×4.187×1.0=66 992（KJ/戶·d）

6 569.39÷66 992＝9.8%，即總的熱損失量占使用量的9.8%。這個熱損失量是在工程可接受的范圍內(nèi)。因高層住宅相對多層住宅容積率較高，單位占地面積內(nèi)的居住密度較高，故單從管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析，高層住宅集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)要比多層住宅集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理。

熱水供應(yīng)系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計力求管路簡潔，過于龐大和復(fù)雜的管網(wǎng)只會使系統(tǒng)不平衡，壓力、溫度不穩(wěn)定，尤其熱水供應(yīng)系統(tǒng)后期使用中不好調(diào)節(jié)，影響使用效果。對單體建筑同程式的管網(wǎng)布置是最佳選擇，雖然浪費一些管材，但很好地避免了系統(tǒng)不平衡、水不熱問題。對于多棟樓的熱水管網(wǎng)，室外工程設(shè)計有時很難做到同程式，這時設(shè)熱水回水總循環(huán)泵。單體建筑的回水管與小區(qū)熱水回水總管采用導(dǎo)流三通連接。換熱站內(nèi)每個分區(qū)均設(shè)置2臺循環(huán)泵，一用一備，交替運行。循環(huán)泵的計算按《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）6.7.5、6.7.10-1公式計算，循環(huán)泵的流量需控制在合理范圍內(nèi)，循環(huán)泵的揚程只需克服管網(wǎng)的阻力即可，揚程不可過大。循環(huán)管路上設(shè)置自動溫控閥，循環(huán)系統(tǒng)末端循環(huán)泵的啟動溫度設(shè)定為50 ℃。換熱站內(nèi)循環(huán)泵的布置如圖5所示。

圖5 換熱站循環(huán)泵布置示意圖

住宅小區(qū)室外熱水管網(wǎng)敷設(shè)時，在有大底盤車庫的情況下，最好明設(shè)在車庫內(nèi)，這樣方便檢修；在沒車庫的情況下，需根據(jù)地勘報告核實場地有無濕陷性，無濕陷性可以采用直埋方式，如果有濕陷性則需設(shè)置管溝，并根據(jù)濕陷等級選用鋼筋混凝土管溝或磚砌管溝。而管溝的投資很大，有些濕陷性嚴(yán)重的小區(qū)動輒上千萬，所以管網(wǎng)設(shè)在地下車庫內(nèi)是最經(jīng)濟(jì)實用的方案。該項目除了污水、雨水管網(wǎng)設(shè)在車庫頂板上覆土層內(nèi)，其他的所有壓力管道均設(shè)在車庫內(nèi)。管網(wǎng)在車庫內(nèi)需與通風(fēng)管、橋架等綜合排布，保證車庫使用的凈高要求。

（2）熱水管材一般可選薄壁不銹鋼管、塑料管、鋼塑復(fù)合管等。機(jī)房內(nèi)的熱水管不能采用塑料管應(yīng)采用金屬管，一般戶內(nèi)埋地的支管采用塑料管，高層建筑的熱水主立管采用金屬管，熱水供應(yīng)系統(tǒng)的管徑考慮結(jié)垢的影響宜適當(dāng)放大。該項目熱水管采用薄壁不銹鋼管。熱水管網(wǎng)直線管段較長時設(shè)置伸縮器，熱水主立管頂端設(shè)自動排氣閥，閉式系統(tǒng)需設(shè)置膨脹罐。

4 結(jié)語

（1）住宅設(shè)置熱水供應(yīng)設(shè)施，以滿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。實際工程中住宅小區(qū)熱水的供水形式多樣化，分戶燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴骰蛱柲軣崴鞯?，而因地制宜地選擇熱源是熱水系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

（2）熱水系統(tǒng)同冷水系統(tǒng)最大的不同是除了要滿足使用流量的要求外還要滿足使用溫度的要求，同時要保證用水點冷、熱水壓力平衡，故熱水系統(tǒng)的分區(qū)必須同冷水系統(tǒng)，各區(qū)水加熱器應(yīng)由同區(qū)的給水系統(tǒng)專管供應(yīng)，以保證系統(tǒng)冷、熱水壓力平衡。對于高層住宅，分區(qū)多、管道多、且熱水供回水管保溫，需要的管井面積大，設(shè)計時要跟建筑師溝通，爭取設(shè)計合理的管井尺寸，減少后期安裝、檢修空間緊張的問題。

（3）集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中供、回水管道及系統(tǒng)規(guī)模是設(shè)計關(guān)鍵點。管道系統(tǒng)過大，供回水管過長，管網(wǎng)熱損失占總耗熱量比值高，系統(tǒng)不經(jīng)濟(jì)；同時也難以保證機(jī)械循環(huán)的效果，管網(wǎng)末端回水不暢，水溫也達(dá)不到設(shè)計要求。根據(jù)計算管網(wǎng)熱損失，合理布置換熱站是一個重要環(huán)節(jié)，換熱站靠近用水大戶或最高建筑物，服務(wù)半徑不宜大于500 m，即熱水供應(yīng)系統(tǒng)不宜做得過大。熱水供應(yīng)系統(tǒng)的形式無論是上供下回還是下行上給立管循環(huán)，都應(yīng)采用同程式機(jī)械全循環(huán)。熱水供水水溫關(guān)系涉及安全、衛(wèi)生、節(jié)能、設(shè)備管道使用壽命等，當(dāng)不設(shè)消毒設(shè)備時，加熱設(shè)備出水溫度控制在55～60 ℃；換熱、貯熱設(shè)備的選用是熱水系統(tǒng)設(shè)計的另一個關(guān)鍵點，當(dāng)熱媒供應(yīng)能力大于或等于設(shè)計小時供熱量，選用半容積式換熱器；當(dāng)熱媒供應(yīng)能力小于設(shè)計小時耗熱量，選用導(dǎo)流型容積式水加熱器或加大容積的半容積式水加熱器。

（4）熱水計量是熱水系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，居住建筑集中熱水系統(tǒng)配水點的供水溫度不低于45 ℃，時間不大于15 s。在套內(nèi)熱水表前設(shè)置循環(huán)回水管，熱水表后或戶內(nèi)熱水器不循環(huán)的熱水供水支管，長度不宜超過8 m[6]。戶內(nèi)熱水支管設(shè)置自調(diào)溫電伴熱保溫，保證出水溫度要求，系統(tǒng)簡單，電費在可控范圍內(nèi)；實際工程中只有熱源、系統(tǒng)、閥門、附件等設(shè)計合理才能達(dá)到15 s內(nèi)配水點溫度45 ℃的要求。

（5）住宅小區(qū)室外熱水管網(wǎng)的設(shè)計需滿足安全、經(jīng)濟(jì)、實用；合理確定管網(wǎng)敷設(shè)方式，且管網(wǎng)的布置越簡潔越好；同時還要和其他給水管、消防管、雨污水管、采暖管等協(xié)調(diào)布置。