建筑給水排水本科教學創(chuàng)新實驗平臺

王玉蘭+蘇饋足+王文靜+董方+徐瑋榕+胡真虎+徐得潛

摘要：開發(fā)研制了一種建筑熱水系統(tǒng)實驗裝置，裝置操作簡便、運行穩(wěn)定、經濟實用。可用于給水排水科學與工程本科專業(yè)必修課《建筑給水排水工程》等相關課程和實踐教學環(huán)節(jié)以及創(chuàng)新性、設計性、綜合性實驗中，彌補實驗室建筑給水排水實驗設備不足的現(xiàn)狀，可為學生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新思維培養(yǎng)、科研水平的提高提供先進的硬件條件。

關鍵詞：給水排水科學與工程；熱水系統(tǒng)；實驗裝置

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）19-0278-02

根據合肥工業(yè)大學本科“給水排水科學與工程”專業(yè)新版培養(yǎng)計劃和教學大綱要求，學生實踐能力、動手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)顯著加強，實踐、實驗環(huán)節(jié)學時數(shù)均有增加。一直以來，各有能力的高校為滿足創(chuàng)新和綜合設計實驗的要求，不斷嘗試自制實驗平臺。本研究建立的建筑熱水系統(tǒng)實驗裝置平臺將輔助支持本專業(yè)教學，保證課程實驗的順利進行。在該平臺裝置建設之初，項目負責人及相關教師采用文獻調研和親自到相關單位調研兩種方式，分析研究了當前建筑給水排水實驗平臺設置現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前建筑熱水實驗裝置尚無成套設備，僅有部分建筑給水排水系統(tǒng)實驗裝置實現(xiàn)熱水給水供應，卻沒有實現(xiàn)建筑熱水系統(tǒng)循環(huán)方式的模擬，相關參數(shù)收集不全面，因此不能很好地形象地進行本科實驗和相關的技術參數(shù)研究。

伴隨我國經濟的飛速發(fā)展，國民生活水平的顯著提高，各種高層、超高層民用住宅、綜合寫字樓、高級酒店、賓館等大批涌現(xiàn)，專為高層建筑設計的給水排水技術也在逐步完善。熱水供應系統(tǒng)是高層建筑給水排水系統(tǒng)的一個重要組成部分，經濟發(fā)達地區(qū)的很多房地產開發(fā)商更是將其作為一個賣點進行宣傳，在一些有地熱資源的城市，開發(fā)商更是對業(yè)主承諾在家就能用上溫泉水。可見熱水供應系統(tǒng)已然成為一個衡量建筑檔次的標準。在熱水供應系統(tǒng)的普及之下，該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)存在的一些問題也日益凸顯出來。比如，一些開發(fā)商對熱水供應系統(tǒng)的選擇不當，導致其在供水安全性、穩(wěn)定性上存在問題和隱患，影響居民在使用熱水時的舒適度和安全性，等等。因此，必須加強對熱水供應系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究，熱水供應系統(tǒng)應向著更高效、更節(jié)能、更智能的方向發(fā)展。

建立建筑給水排水本科教學創(chuàng)新實驗平臺——熱水系統(tǒng)實驗裝置可用于給水排水科學與工程本科專業(yè)必修課《建筑給水排水工程》等相關課程和實踐教學環(huán)節(jié)以及創(chuàng)新性、設計性、綜合性實驗中，同時，該裝置也可為本科生綜合創(chuàng)新實踐和其他課外創(chuàng)新活動提供實驗平臺，彌補實驗室建筑給水排水實驗設備不足的現(xiàn)狀，該裝置面向給水排水科學與工程專業(yè)本科生和市政工程專業(yè)研究生，此平臺的搭建既可為教學環(huán)節(jié)開展綜合性、設計性實驗，也可應用到認識、生產實習和創(chuàng)新實驗等實踐活動環(huán)節(jié)中，還可為相關老師、研究生開展熱水流量等研究提供實驗平臺，進一步能夠解決諸如建筑熱水循環(huán)管網的流量分配計算或者分析高層建筑熱水供應系統(tǒng)的故障根源等若干細節(jié)問題，為建筑熱水系統(tǒng)的實際應用做出貢獻。

一、裝置的創(chuàng)新點

1.給水方式和循環(huán)方式切換。該裝置設置了52個電磁閥，通過控制相應的電磁閥，可對上行下給和下行上給兩種供水方式進行切換，回水管網可實現(xiàn)干管循環(huán)和支管循環(huán)兩種不同循環(huán)方式間的切換。

2.自動控制與監(jiān)測。該裝置設置了2個電磁流量計、7個壓力傳感器和4個溫度傳感器，可對主要參數(shù)壓力、流量、溫度實現(xiàn)全自動監(jiān)測。

3.模擬運行與實際相接近。該裝置總長20余米，高近7米，各配水點之間的距離與實際非常接近，很好地模擬了熱水系統(tǒng)工作狀況時的出流狀態(tài)。

4.實驗演示與科學研究相結合。該裝置既能模擬熱水的制備、貯存、輸送、循環(huán)使用等過程進行實驗演示，還能對熱水系統(tǒng)技術參數(shù)、計算公式等進行科學研究。

二、實驗裝置的研制方案

建筑熱水系統(tǒng)實驗裝置主要由貯水設備、增壓設備、加熱設備、配水管網、回水管網、控制系統(tǒng)和閥門附件等組成，如圖一所示。

（一）貯水設備

水箱是最常用的貯水設備，該裝置設置了一個長、寬、高分別為1.2m的、不銹鋼板焊接而成的貯水箱，該水箱可用來貯存冷水和回收熱水，熱水從水龍頭放出后經排水管道收集回該水箱中。水箱設置進水管、出水管和泄水管。

（二）增壓設備

給水系統(tǒng)中常用的增壓設備有水泵和氣壓罐。其中水泵是最常用的增壓設備。且熱水系統(tǒng)中需要設置循環(huán)水泵來促進熱水在管道中的循環(huán)流動，循環(huán)水泵常采用管道離心泵。該裝置設置水泵為增壓設備，根據壓力及水頭損失計算，最終給水水泵選取某型號變頻水泵，流量為5.6m3/h，揚程為16m，功率為0.75kW。循環(huán)水泵選取某型號管道泵，流量4m3/h，揚程15m，功率0.55KW。

（三）加熱設備

局部熱水系統(tǒng)有燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器等加熱設備，對于集中熱水供應系統(tǒng)，常見的加熱設備是熱水鍋爐、水加熱器、加熱水箱等。該裝置中的加熱設備選用某品牌儲水式電熱水器，三臺并聯(lián)使用。該熱水器由電腦智能控制，可儲水80L，同時可用遙控器進行遠距離控制，熱水器設有半膽加熱、整膽加熱、全速增容等工作方式，半膽加熱功率為1000W，溫度升高1℃所需時間約為4.8min；整膽加熱功率為2000W，溫度升高1℃需要的時間約為2.4min；全速增容功率為3000W，溫度升高1℃需要的時間約為1.6min。

（四）配水管網

配水管網是將被加熱到一定溫度的熱水從水加熱器配送至各個配水點，按水平干管的敷設位置可分為：上行下給、中分式以及下行上給三種形式。本裝置中，可通過對電磁閥的控制，自由切換上行下給和下行上給兩種不同的供水方式。干管設在頂層天花板下、吊頂內或技術夾層中的上行下給式適用于設置高位水箱的居住與公共建筑和地下管線較多的工業(yè)廠房。干管埋地、設在底層或地下室中的下行上給式適用于利用室外給水管網水壓直接供水的工業(yè)與民用建筑。

（五）回水管網

為了保證各用水點隨時都能放出指定溫度的熱水，在立管、水平干管甚至支管設置回水管，熱水經過回水管網流回至加熱器，此設置可以補充管網所散失的熱量。按照設置回水管網的方式不同，可分為全循環(huán)、半循環(huán)和無循環(huán)三種方式。由于該裝置的配水管網采用的是上行下給和下行上給這兩種不同供水方式間進行切換，回水管網也必須通過對電磁閥的控制實現(xiàn)相應的變換，故對于下行上給方式，回水管采用全循環(huán)方式，對于上行下給方式，回水管采用立管循環(huán)方式，且本裝置采用的是機械循環(huán)方式，在回水干管上設置一個管道循環(huán)泵。

（六）閥門、儀表、附件

1.閥門。建筑熱水系統(tǒng)實驗平臺裝置體積較大，裝置中所需閥門較多，為了提高實驗的可操作性，該實驗裝置中共安裝了52個電磁閥來控制相應閥門的開關。冷水加熱后會產生水蒸氣，水蒸氣聚集在管內則會影響裝置的使用，針對此現(xiàn)象，裝置在最頂端設置了2個DN25的自動排氣閥，用來排除管內水蒸氣。同時在裝置的最低端設置了一個泄空閥以便在試驗結束后及時排空裝置中的水，以免對裝置的使用壽命造成影響。

2.儀表。該實驗裝置中設置了4個溫度傳感器、2臺電磁流量計和7個壓力傳感器用來測量和記錄水溫、水頭損失、配水流量及循環(huán)流量等相關物理量。溫度傳感器的量程為0—80℃，用來監(jiān)測熱水水箱出水、最不利點及回水溫度。電磁流量計設置于配水干管和回水干管上，用來測量配水流量和循環(huán)流量，流量計量程為0—5L/s，適用溫度為0—80℃。壓力傳感器用來測量水泵出口、各立管最高處、最不利點處和循環(huán)水泵進水管處的壓力，計算水頭損失，量程為0—0.6MPa，適用溫度為0—80℃。

3.附件。裝置中在熱水箱的出水口處設置了管道過濾器，用來過濾水中的雜質，以免影響電磁閥的使用效果；在水泵的進水和出水管上均設置了橡膠可曲柔性接頭，以防止水泵運行時產生的振動對管道及裝置造成不利影響；在裝置的回水管道上設置了膨脹水罐，以免出現(xiàn)安全隱患。

（七）控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)自動控制和記錄，裝置中共設置了4個控制箱和1個控制柜，用來控制電磁閥、水泵等設備的開閉，記錄并保存溫度、流量、壓力等物理量，可以實時顯示該系統(tǒng)的壓力，溫度，流量等信息。

三、實驗裝置的特性

針對目前實驗教學中存在建筑給水排水實驗裝置不足的問題，開發(fā)研制建筑熱水系統(tǒng)實驗平臺，為學生提供了一套具有創(chuàng)新性、設計性和綜合性的實驗裝置，為課程實踐、認識實習和科研創(chuàng)新提供了先進的硬件設施，為學生的課程學習和實踐學習創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境。

（一）實驗裝置的靈活操作性

通過電磁閥的設置，實現(xiàn)了實驗裝置較高的靈活性和綜合性。根據給水方式的不同，可對上行下給和下行上給兩種不同的供水方式進行切換，同時回水管網可實現(xiàn)干管循環(huán)和支管循環(huán)兩種循環(huán)方式的切換。另外，裝置配制自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)，可對主要參數(shù)實現(xiàn)全自動監(jiān)測。該實驗裝置平臺合理并充分地利用了有限空間，同時綜合考慮其他因素，具備較高的靈活性和綜合性，可用于學生的創(chuàng)新性、設計性和綜合性實驗及師生科研工作，能較好地服務于教學實踐和科研活動。

（二）實驗裝置的經濟實用性

在使用中可根據實際運行的不同情況采用不同的控制條件，同時，自動控制的實現(xiàn)大大地提高了工作效率。此裝置所使用的配件方便可得，普通市場即可購買齊全，所需成本較低。該裝置又很好地模擬了實際生活中建筑熱水系統(tǒng)的運行過程，研究成果為學生的實踐教學提供了有益的理論指導。如此一來，既滿足了實驗需求，又為項目節(jié)省了資金，一舉兩得，經濟實用。

（三）實驗裝置的先進性

該建筑熱水系統(tǒng)實驗平臺的建設規(guī)模接近實際，不僅可實現(xiàn)兩種不同供水方式間的切換，回水管網還可實現(xiàn)兩種不同循環(huán)方式的切換。另外，裝置可實現(xiàn)對主要參數(shù)的全自動監(jiān)測，實時顯示系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等信息，可以用來模擬熱水的制備、貯存、輸送、循環(huán)使用等過程，還可以通過對水頭損失、循環(huán)流量、配水流量等參數(shù)的記錄進行實驗研究，為建筑熱水系統(tǒng)的設計應用提供了理論指導，具有創(chuàng)新性和先進性。

（四）實驗裝置的多功能性

建筑熱水系統(tǒng)實驗裝置可用于建筑熱水系統(tǒng)運行過程工藝參數(shù)確定及相關技術與理論研究等方面。不僅可用于“建筑給水排水工程”理論課程學習，同時適用于學生設計性、創(chuàng)新性和綜合性實驗，還可以作為校內實習基地的一部分，用于學生的生產實習、認識實習等實踐環(huán)節(jié)，以及建筑給水排水系統(tǒng)相關的科學研究。

四、結束語

建筑熱水供應系統(tǒng)作為當今社會建筑給水排水的主要系統(tǒng)之一，已經被廣泛地應用于酒店、賓館、高層住宅、公寓等場所，建筑熱水系統(tǒng)實驗平臺裝置的研制可用于模擬熱水的制備、貯存、輸送、循環(huán)使用等過程，可對水頭損失、配水流量、循環(huán)流量等參數(shù)進行實驗研究。通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對所有閥門的自動控制，以及流量、壓力、溫度等物理參數(shù)的自動記錄和保存，為相關教學實踐活動和科學研究提供了有力支撐。

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Building Water Supply and Drainage Undergraduate Teaching Innovation Experimental Platform

—Development of Experimental Platform for the Building Hot-water System

WANG Yu-Lan，SU Kui-Zu，WANG Wen-Jing，DONG Fang，XU Wei-Rong，HU Zhen-Hu，XU De-Qian*

（School of civil Engineering，Hefei University of Technology，Anhui，Hefei 230009，China）

Abstract：A hot water system exp