某高校體育中心熱水系統初步設計

劉志國

（太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

某高校體育中心由體育館、游泳館、體育場三個子項目組成。其中體育館地上三層，建筑面積為26744m2，建筑高度32.30m；標準體育場地上兩層，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、體育場成品字形布置，三個子項目均設置了淋浴室，需要設計熱水系統，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使用特點

由于該項目位于某高校內，體育場及體育館除偶爾舉行重大賽事外，其余時間僅用于學生鍛煉及體育教學，使用熱水淋浴的頻率較低，平時僅為場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淋浴室相對分散。

游泳館后期將承包出去運營，面向社會，使用熱水特點為全日制連續使用，另外泳池內熱水需要循環加熱。

3 根據當地政策及外部條件確定各場館熱源形式

本項目所在地政府強制推行太陽能熱水系統，且由于項目所在地市政燃氣供應不充足、燃氣鍋爐使用受限，無全年供熱的熱力管網。經與建設方商議，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僅在比賽時開放運動員休息室淋浴，平時體育館使用過程中并不給學生提供淋浴用水，故不建議使用集中熱水系統，而采用用水系統管路盡量短的局部熱水系統相對較為合理，減少管路熱損失，更有利于節能。該體育中心所在地鼓勵使用太陽能熱水系統，但體育館和體育場屋面均為弧形或褶皺行鋼結構屋面，屋面設置太陽能集熱器安裝及后期維修管理困難，運行維護成本高，并不能產生實際的社會經濟效益。故本項目體育館及體育場淋浴器熱源最終確定為輕型商用容積式電熱水爐，其優點是占地少、管路少、熱損失少、運行管理費用低，后期運行維護相對靈活。

游泳館除泳池池水需要循環加熱外，配套的淋浴間也需要全天供應熱水。鑒于游泳館屋面為斜屋面，熱水系統為全日制熱水供應系統，熱水系統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

關于游泳館的熱水系統最初設置了以下兩種方案：

（1）設置一個大的水箱，屋面太陽能熱水系統集熱、空氣源集熱、泳池換熱、浴室供熱水均由該水箱提供。此方案的優點是系統運行相對穩定，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，提高熱效率。缺點是浴室供熱水為開式系統，冷熱水壓力不好平衡；兩種低位熱源設置在同一水箱中，很難實現合理的控制，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只供給浴室使用，采用間接利用方式，熱水系統為閉式系統，輔助熱源配以空氣源熱泵；泳池循環加熱系統是由空氣源熱泵配合板式換熱器加熱供水。此方案的優點是系統運行穩定，浴室冷熱水壓力平衡；太陽能熱源與空氣源熱泵分別設置在兩個半容積式換熱器中，可充分利用太陽熱水系統熱源。缺點是常規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熱媒換熱效率并不高，見圖3。

經過比選，本項目最后選擇方案二，由于泳池循環加熱僅采用空氣源熱泵間接換熱方式，加熱系統相對簡單，下文僅對游泳館浴室熱水系統設計進行進一步探討。

5 太陽能熱水系統半容積式換熱器容積及換熱面積計算

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。經計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半容積式換熱器可根據《建筑給水排水設計標準》6.6.5.1條確定，換熱面積根據公式6.5.7計算。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的集熱量及時換出去。查閱相關文獻，一天中最大及最小太陽能輻照量比值約為1.5～1.8，帶入相關數據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。由于計算過程中涉及各參數取值，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鍵參數后就可對容積式換熱器進行選型。

6 供熱量和儲熱量之間的關系

熱水系統設計中供熱量和儲熱量之間的關系是此消彼長的，舉個更直觀但不一定很恰當的例子就是大鍋小火和小火大鍋的關系。火（供熱量）大，則鍋（儲熱量）小點也可滿足用戶使用要求；火（供熱量）小，則鍋（儲熱量）大點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耗熱量還小。

游泳館熱水系統為太陽能熱水系統半容積式換熱器出水后串聯采用空氣源熱泵為熱源的半容積式換熱器，前面已經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行簡單論述。由于太陽能熱源為不保證熱源，輔助熱源要按照全部熱負荷選取。一般情況下加熱設備的初投資和后期維護管理費用比儲熱設備大，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耗熱量計算。為了滿足空氣源熱泵供熱量能按照平均小時耗熱量計算，就必須要將設計小時耗熱量持續時間段內的全部耗熱量都儲存下來。故系統內儲水量就要按照2～4倍最大小時熱水量選取，所以空氣源熱泵系統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-太陽能熱水系統配套換熱器有效容積；qrh-最大小時熱水量。空氣源熱泵配套的換熱器換熱面積計算方法同太陽熱水系統。

7 熱水系統設計中一些其他設備

為保證加熱效果及用水側使用舒適性，該熱水系統中熱媒側及熱水側均設置了循環泵。太陽能集熱器循環泵、空氣源集熱循環泵應按照《建筑給水排水設計標準》6.6.5.5條及6.6.7.3條選取及計算，熱水側循環泵應按照6.7.10條選取及計算。熱水系統設計中還有一些膨脹管等設備，本文中就不一一展開論述了。

8 結語

由于熱源種類多、熱水系統形式多樣（開式或閉式）、熱水加熱方式多等原因，從而使熱水系統的設計千變萬化。在遇到熱水系統的設計時，我們不應該按照固定的模式復制，而應該對熱水使用特點、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。本文只是簡單介紹了某高校體育中心熱水系統初步設計的過程，其中還有諸多熱水系統設計中需要注意的細節未提及，在后期施工圖設計中會進一步深化并完善設計，以達到用水舒適、節能的目的。