關于建筑熱水系統的優化設計研究與分析

龍海

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

為滿足用戶對熱水的使用需要，建筑在給排水系統設計中加入了熱水系統。從目前實際的情況來看，由于熱水系統的設計欠缺合理性，致使大量的水資源白白浪費，與節約用水的理念相違背。為了解決這一問題，應當采取合理可行的方法和措施，對建筑熱水系統進行優化設計，從而提高熱水系統的性能，實現節水、節能的目標。

1 建筑熱水系統優化設計目標

高層建筑中，常見的熱水供應系統包括以下兩大類：一類是開式，另一類是閉式，其中開式又可細分為上行下給、下行上給等；閉式除了上行下給和下行上給之外，還有集中并聯，無論采用何種方式的熱水供應系統，最終的設計目標都是節水、節能。但從實際情況來看，大部分高層建筑的熱水系統都存在非常嚴重的水資源浪費現象，導致這一問題的根本原因是用戶開啟熱水裝置后，并不能立即獲得溫度適中的熱水，需要放掉一定的冷水后，水溫才會達到使用要求，被放掉的這部分冷水在熱水系統中被稱為無效冷水，而減小無效冷水是建筑熱水系統優化設計的最終目標，也是實現建筑節水的重要舉措。

2 建筑熱水系統的優化設計方法

2.1 優化設計的依據

在建筑給排水系統的常規設計中，熱水系統的循環管道通常采用的布置方式為同程供水系統，該系統的特點是各個配水點的供回水管路長度的和基本相等。在實際工程的設計中，為使熱水點經過的路程相同，相同的路程可以保持水溫一樣，可以采用后進先出、先進后出的方法，由此導致熱水管會在建筑的設備夾層內或是各個房建的吊頂中盤繞若干圈。我國現行的GB50015《建筑給排水設計規范》中，對同程給出了具體的解釋，對此可作如下理解：與每個配水點相對應的管道內的流體，在管網當中流過的路程相等，即為同程。

從建筑的角度上看，熱水系統是一個以并聯方式運行的管道系統，假設1 和2 為并聯節點，且無流量分出，在兩個節點間的管段分配流量為a、b、c，Q 為起始流量。因管道采用的是并聯方式，從而使得各個管道的起點和終點為共同，在這個前提條件下，管段的水頭損失全部相等，可用下式表示管長和管道單位長度的水頭損失：

圖1 熱水系統的模型示意圖

圖2 模型中各個節點的水溫情況示意圖

由上式可對規范中給出的熱水同程進行重新定義，即熱水通過各管段的水頭損失相等，當符合這一條件時，便可將之確定為同程熱水系統。

由于熱水具有溫度高、黏性強等特點，從而使其在管道內流動時，需要克服阻力作用，這樣一來熱水擁有的機械能便會轉化為熱能散失，正因如此，使得熱水流動時的機械能會不斷減少，總水頭線則會沿程下降。在能量守恒的前提下，結合伯努利方程可對熱水管網進行計算，具體的計算公式如下：

當熱水從管網的起始端流出之后，會在一定的時間內到達末端，在這一過程中熱水損失的機械能即為水頭損失。在建筑熱水系統設計時，需要通過計算循環管網的水力，給循環水泵的選擇提供依據。通常情況下，熱水系統設計時，循環水泵的選擇是在配水干管和立管以及回水管的管徑全部確定之后進行。在對各個管段內的節點水溫進行確定時有兩種方法，一種是面積比溫降法，另一種是長度比溫降法，雖然后者比較簡單，但是其誤差更大一些，因此，推薦采用第一種方法，即面積比溫降法。通過分析可知，控制點的總水頭損失最大且壓力最小，可將控制點作為起點繪制出一條控制線，其上的點則是水流至下個節點的長度。

2.2 構建熱水系統優化模型

在對建筑熱水系統的優化模型進行建立的過程中，可以對如下因素進行重點考慮，具體包括：管網非同程、建筑非等高，簡而言之就是建筑當中的熱水管網存在高低之分，如圖1 所示。

為便于研究，可將圖1 視作為住宅建筑，每戶中的廚房、洗衣間均為一個，衛生間為兩個。

2.2.1 水力計算方法

根據相關規范標準的規定要求，在對生活給水管網進行設計時，可以選用的公式有兩個，其中一個適用于民用住宅，另一個適用于公共建筑。由于熱水與冷水的設計秒流量相同，因此計算公式也相同，即：

上式當中qg表示設計秒流量（單位：L/s）；U 同時出流概率；Ng表示給水當量總數；0.2 為單個用水器具的額定流量（單位：L/s）。建筑內部每個用水器具的給水當量同時出流概率可以用下式進行計算：

在建筑熱水系統工程設計中，管徑為DN15-20、DN25-40、DN50-70 和DN80 以上的管子，其經濟流速分別為0.6-1.0m/s、≤1.2m/s、≤1.5m/s 和≤1.8m/s。據此，可根據熱平衡方程，對熱水系統中的各個管段的熱損失和節點溫度進行求解，因熱水系統在該階段并未進行循環，所以無循環流量，這樣通過用水點的溫度便可獲悉溫度最低的配水點。

在整個熱水系統當中，與管網起始點距離最遠的配水點水溫最低，因為熱水管網內無循環流量，所以可認為在熱水系統當中溫度最低的配水點為系統最末端。計算管網的循環流量后，便可計算出熱水系統各管段的循環流。當熱水系統的管道內徑、總長度、材質等全部確定后，那么管網運行時產生的熱損失將是一個定值。但是，因為熱水的流量變化會導致水溫發生變化，此時熱水系統中各個節點的水溫也會隨之發生改變。為便于分析，可以假定無用戶使用熱水，此時的熱水系統為散熱裝置，它的散熱量處于恒定狀態，循環流量從出口（熱水管網的起始端）到進口（管網末端）的溫降為固定。通過對熱水循環流量進行分配，并對各個節點的溫度進行重新計算，能夠得出各個管段的熱水流量，如圖2 所示。

因熱水系統當中采用的管道直徑、長度以及熱水的流速等均為最終定值，通過查詢相關資料，能夠得到各個管段在不同管徑、流量以及流速下的水頭損失，可以按照沿程水頭損失的25%來計算，由此便可求出熱水沿著不同路徑達到回水點的水頭損失，據此能夠找到熱水管網當中配水壓力最小的點，可將該點作為建筑熱水系統的控制點，采用相應的措施對該點進行優化調整，使其與其它管段的水頭損失相等，這樣便可達到本文所定義的同程，進而確保建筑熱水系統的穩定運行。

2.2.2 具體的計算流程

a.以建筑物的具體性質作為前提，對熱水管網設計的秒流量及初始溫度進行確定，并在布置圖中，對管段、節點進行編號，同時對各個管段內的用水器具當量進行標定。

b.對熱水管網內的水流放進行擬定，據此對管段的起止點加以確定，借助計算機軟件，得出各個管段的配水流量；然后分三次進行迭代，完成管段管徑、熱損失、溫差以及循環流量的確定。

c.對沿程水頭損失進行標定，以此作為主要依據，求出不同路徑的沿程水頭損失，整條路徑上的水頭損失是沿程的1.25倍。

2.3 熱水管網優化設計效果

建筑熱水管網的優化設計過程如下：先將初始數值輸入到計算機系統當中，按照當量數對管段進行分配，求出起始端流量；根據有關參數求出各個管段的管徑、流速、熱損失等，最后求出不同的路徑的水頭損失，據此便可對熱水系統進行優化設計。本文提出的這種優化設計方法在某建筑工程中進行應用，按優化后的同程定義對熱水管網進行設計，使該建筑的熱水系統水頭損失得到有效控制，達到節水的目的，并且在熱水系統運行過程中的能耗也隨之降低。

3 結論

綜上所述，建筑熱水系統給用戶提供了非常大的方便，但由于系統設計時考慮的不夠全面，從而導致熱水系統投入運行后的能耗比較高，大量的水資源白白浪費。為避免這一問題的發生，應當對建筑熱水系統進行優化設計，在降低系統運行能耗同時，減少水資源的浪費。