高層住宅小區集中熱水系統設計探討

姜凌云，王 昱

（1.甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.東北大學冶金學院，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，熱水供應系統已經成為住宅小區的最基本的硬件條件。住宅熱水系統的好壞直接關系到人們的入住體驗，小區集中生活熱水供應系統的設計，應落實節能、節水、節地、節材、保護環境的原則，綜合考慮能源供應，小區規模與布局，單體建筑形式、小區給水系統、室內給水、熱水及其他專業室外綜合管道等因素，還應為施工安裝、操作管理、維修檢測及安全保護等提供便利條件。

住宅小區熱水供應系統的形式一般情況下分為4種：①燃氣熱水器供應（比較常用）；②電熱水器供應；③太陽能熱水器供應（分為分散的家用型和集中式2種）；④集中熱水供應系統（需由熱源換熱型）。集中熱水供應系統的熱源選用應經技術經濟比較后確定。

2 項目介紹

某高層住宅小區位于蘭州市，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1 215戶，每戶按3.2人計，總人數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。換熱站等設備用房設在車庫內。

3 熱水系統設計

3.1 熱源的選取

小區東北角鍋爐房提供0.4 MPa高溫蒸汽，鍋爐房屬于附近廠區生產用，供熱量有富裕且與小區屬同一個業主，可以作為生活熱水的熱源。

3.2 設計參數的選取

熱水用水定額的選取根據《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）中集中熱水供應和沐浴設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。據調查，設置集中熱水供應系統的住宅，衛生設備完善，用水量與水價成反比，當水價在10元/m3時，居民的熱水用水量約為48 L/人·d；當水價在25元/m3時，居民的熱水用水量約為28 L/人·d。經與業主溝通，屬于廠區配套職工住宅，運行時熱水價格較低，故取規范的上限值100 L/人·d。

熱水用水定額用來計算熱水負荷，其水量已經包括每人每日用水定額里面。有集中熱水供應的工程，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備的負荷。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、熱水管網分開時，計算冷水管道的設計秒流量，應減去熱水的用水量。該工程冷水用水定額取200 L/人·d，各分區冷水變頻供水設備運行正常。根據人們的生活習慣，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，熱水用水高峰發生在晚上。通過讀取換熱站內各分區接換熱器冷水管上水表讀數來觀測熱水用水量情況；聯系甲方了解到1#換熱站（供應688戶熱水）的用水量在1年內最大月（7月）的用水量是5 158 m3，折算每人每日用水量78 L是設計值的78%；在最大月內最高的日用水量是189.5 m3，折算每人每日用水量86 L是設計值的86%。由此可見，設計取規范上限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《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）中3.1～1、5.3.2公式[1]計算出總的設計耗熱量為11 616 809.50 KJ/h，設計小時熱水量為56.44 m3/h，熱水為24 h供應。

3.4 系統形式、換熱站的設置及水加熱、儲熱設備計算

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

圖1 熱水系統展開圖

供水主立管及回水管均設在管井內，熱水表也集中設在管井內，且熱水管還有保溫層，管井內共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，安裝后管井內空間相當緊張，設計時應與暖通專業一起仔細排布管井，向建筑專業返提管井條件時，由于以往經驗不足需按實際提供合理的平面尺寸。

（2）根據建筑物的樓層數及各換熱站至最遠建筑物的服務半徑，該小區共設計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#，服務半徑控制在100～150 m。2#換熱站供4#、6#、8#樓，服務半徑為控制在100～150 m。3#換熱站供1#、2#，服務半徑為控制在50～100 m。

換熱站的布置應考慮就近設在熱負荷大的用 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。熱源供應滿足設計小時平均秒流量但不能滿足設計秒流量的要求、用水量變化大且要求供水水溫、水壓較平穩，設有機械循環的集中熱水供應系統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為設計小時耗熱量。

按《建筑給水排水設計標準》（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為熱水系統熱損失系數；K為傳熱系數；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。

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

高溫蒸汽為優質熱源，因熱源供熱量相對富裕，故換熱設備選用半容積式換熱器，每個分區2臺，每臺保證60%的供水量。根據小區入住情況，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，可降低軍團桿菌的滋生，這也是設計應注意的問題。

3.5 熱水計量

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

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

圖3 管井內熱水表設置示意圖

這種做法的弊病是計量不夠準確，容易造成計量誤差。有2種方法解決這種系統的弊病：

（1）從分戶循環橫管引至各衛生間的支管上單設水表，每戶設2～3塊水表，這樣不循環的管段只有衛生間內一小段。缺點為橫干管設在房頂上，不美觀，裝修不好處理，水表設置塊數多，造價高。熱水表設置如圖4所示。

圖4 戶內熱水表設置示意圖

（2）熱水支管還可以設置自調溫電伴熱保溫，保證熱水供水溫度是循環系統的補充措施，由于電伴熱造價較高、長期耗電，據統計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準的公寓、別墅等場所；換一種思路，能設集中熱水供應系統的住宅也應該算作高級住宅，支管循環做的電伴熱增加的投資，在工程總投資中所占比重很低。因此熱水支管設自調控電伴熱保溫是可行的[3]。

該項目設計時在熱水供、回水管上分別設了熱水表計量，通過2塊表的差值計量收費。根據業主反映，使用效果不好、計量不準確，有的住戶數據偏大；有的住戶的數據居然是負數。這說明熱水有反流現象，通過在管井內熱水表和回水表后增設止回閥解決上述問題。計量不準確造成用水的浪費，經改造后情況得到改善。

3.6 管網、管材、附件

（1）管網熱損失分析。以3個換熱站中管網長度最長、服務人數最多的系統來計算分析，即1#換熱站總戶數688戶，室外管網總長度約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，每個單體管井內供、回水立管的長度約490 m（平均管徑為DN40），戶內供、回水管總長約20 m，管道敷設在地面墊層內不保溫，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，約為42 KJ/m2·h·℃；η為保溫系數，采取較好保溫時取0.8，不保溫時取0；tm為設計管段的平均水溫（℃），供回水溫度為60 ℃/50 ℃，取55 ℃；tk為設計管段周圍的空氣溫度（℃），因室內采暖、室外敷設在車庫內，取15 ℃。

管網熱損失按公式（3）計算，見表3。

表3 管網熱損失計算表

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。因高層住宅相對多層住宅容積率較高，單位占地面積內的居住密度較高，故單從管網經濟性分析，高層住宅集中熱水供應系統要比多層住宅集中熱水供應系統經濟合理。

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

圖5 換熱站循環泵布置示意圖

住宅小區室外熱水管網敷設時，在有大底盤車庫的情況下，最好明設在車庫內，這樣方便檢修；在沒車庫的情況下，需根據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置管溝，并根據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，有些濕陷性嚴重的小區動輒上千萬，所以管網設在地下車庫內是最經濟實用的方案。該項目除了污水、雨水管網設在車庫頂板上覆土層內，其他的所有壓力管道均設在車庫內。管網在車庫內需與通風管、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、鋼塑復合管等。機房內的熱水管不能采用塑料管應采用金屬管，一般戶內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，熱水供應系統的管徑考慮結垢的影響宜適當放大。該項目熱水管采用薄壁不銹鋼管。熱水管網直線管段較長時設置伸縮器，熱水主立管頂端設自動排氣閥，閉式系統需設置膨脹罐。

4 結語

（1）住宅設置熱水供應設施，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熱水的供水形式多樣化，分戶燃氣熱水器、電熱水器或太陽能熱水器等，而因地制宜地選擇熱源是熱水系統設計的關鍵。

（2）熱水系統同冷水系統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，故熱水系統的分區必須同冷水系統，各區水加熱器應由同區的給水系統專管供應，以保證系統冷、熱水壓力平衡。對于高層住宅，分區多、管道多、且熱水供回水管保溫，需要的管井面積大，設計時要跟建筑師溝通，爭取設計合理的管井尺寸，減少后期安裝、檢修空間緊張的問題。

（3）集中熱水供應系統中供、回水管道及系統規模是設計關鍵點。管道系統過大，供回水管過長，管網熱損失占總耗熱量比值高，系統不經濟；同時也難以保證機械循環的效果，管網末端回水不暢，水溫也達不到設計要求。根據計算管網熱損失，合理布置換熱站是一個重要環節，換熱站靠近用水大戶或最高建筑物，服務半徑不宜大于500 m，即熱水供應系統不宜做得過大。熱水供應系統的形式無論是上供下回還是下行上給立管循環，都應采用同程式機械全循環。熱水供水水溫關系涉及安全、衛生、節能、設備管道使用壽命等，當不設消毒設備時，加熱設備出水溫度控制在55～60 ℃；換熱、貯熱設備的選用是熱水系統設計的另一個關鍵點，當熱媒供應能力大于或等于設計小時供熱量，選用半容積式換熱器；當熱媒供應能力小于設計小時耗熱量，選用導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設計的重要環節，居住建筑集中熱水系統配水點的供水溫度不低于45 ℃，時間不大于15 s。在套內熱水表前設置循環回水管，熱水表后或戶內熱水器不循環的熱水供水支管，長度不宜超過8 m[6]。戶內熱水支管設置自調溫電伴熱保溫，保證出水溫度要求，系統簡單，電費在可控范圍內；實際工程中只有熱源、系統、閥門、附件等設計合理才能達到15 s內配水點溫度45 ℃的要求。

（5）住宅小區室外熱水管網的設計需滿足安全、經濟、實用；合理確定管網敷設方式，且管網的布置越簡潔越好；同時還要和其他給水管、消防管、雨污水管、采暖管等協調布置。