學校建筑集中熱水供應系統方案探討

學校建筑集中熱水供應系統是該類型建筑給排水設計的核心內容。從熱源型式的選擇、鍋爐房及熱水機房位置的確定、熱水系統及循環系統的設計、室外熱水管網的敷設及各種常見系統的優缺點等方面，詳細進行了分析、對比和探討。

學校建筑； 熱源型式； 熱水機房位置； 熱水循環方式； 室外熱水管道的敷設

TU822+.1 A

［定稿日期］2022-05-18

［作者簡介］楊槐（1975—），男，本科，高級工程師，從事建筑給排水設計及技術管理工作。

學校建筑的集中熱水供應系統是該類型建筑給排水設計中難度最大的部分。不同的熱源型式、不同的機房位置、開式系統和閉式系統的選擇、不同的系統管網循環方式等方面都有很大的研究價值，會給整個系統的運行、造價、綠建節能等方面帶來很大的影響。本文從這幾個角度進行了詳細分析對比，并得出了相關關鍵性結論。

1 學校建筑熱水供應系統的特點

（1）各用水點熱水用時特點不同，浴室、學生宿舍、體育館及游泳館、風雨操場等屬于定時熱水供應系統，用水集中，應根據定時集中熱水衛生器具數計算設計熱負荷;教師宿舍和食堂屬于24 h熱水供水，可按熱水小時變化系數法計算熱負荷。

（2）由于供熱樓棟及部位分散，供熱距離較遠，會面臨多棟建筑集中熱水系統的統一設置及熱水循環問題。

（3）室外熱水管道的敷設問題需要特別關注。

（4）太陽能、空氣源熱泵、燃油燃氣熱水鍋爐、電加熱等多熱源的綜合利用及綠色節能要求的配合設計導致系統的復雜。

（5） 由于學校建筑熱水需要量大，儲水量較大，使用開式系統、屋頂設置開式熱水箱的情況較多，往往需要考慮重力供水和加壓供水區域，增加了供水系統的復雜性。

（6）熱水循環系統較多，包括熱媒循環系統、加熱循環系統、供熱循環系統等。

2 學校建筑熱水供應系統熱源的選擇

2.1 燃油燃氣熱水鍋爐

燃油燃氣常壓熱水鍋爐是指鍋爐本體開孔或者用聯通管與大氣相通，在任何情況下鍋爐本體頂部表壓為零的鍋爐，均為開式鍋爐，分為直接式和間接式。直接式鍋爐是指直接加熱爐膛內的水，直接利用爐膛內的水作為熱媒水使用，熱媒水溫度可達70～95 ℃。直接式鍋爐不承壓，屬于開式。間接式鍋爐在直接式鍋爐的基礎上加入換熱盤管，被加熱水通過換熱盤管與鍋爐爐膛內的水進行熱交換。間接式鍋爐盤管內的水可以作為熱媒水，也可以作為生活熱水直接使用。作為生活熱水使用時，盤管內的水溫度可達55～60 ℃。由于換熱盤管的存在，盤管可以承壓1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa，以適應各種閉式熱水供應系統的要求。由于存在熱交換，間接式鍋爐的熱效率略低于直接式鍋爐。一臺間接式燃油燃氣熱水鍋爐可以配置最多3組盤管，根據每組盤管的換熱面積來分配其各供熱分區需要的熱負荷。燃油燃氣熱水鍋爐需考慮排污降溫設施。真空鍋爐是間接式鍋爐的一種，利用真空環境下盤管外被加熱的水蒸氣凝結釋放潛熱來加熱盤管內的水。由于真空環境下水的沸點低于100 ℃，故真空鍋爐盤管內的水溫度會比較低，一般最多可達80～90 ℃。真空鍋爐隨著使用時間的增加，真空度可能降低，導致熱效率降低。真空鍋爐無須考慮排污問題，不用考慮降溫設施。燃氣價格便宜，經濟性好，使用普遍。燃氣鍋爐的缺點是需要考慮泄爆問題。燃油或燃氣鍋爐不應布置在人員密集場所的上一層、下一層或貼鄰; 燃油或燃氣鍋爐房應設置在首層或地下1層的靠外墻部位，但常（負）壓燃油或燃氣鍋爐可設置在地下2層或屋頂上。設置在屋頂上的常（負）壓燃氣鍋爐，距離通向屋面的安全出口不應小于6 m。采用相對密度（與空氣密度的比值）不小于0.75的可燃氣體為燃料的鍋爐，不得設置在地下或半地下。鍋爐房的疏散門均應直通室外或安全出口。鍋爐房不能設置在主要通道、疏散口的兩旁。住宅建筑物內，不宜設置鍋爐房。鍋爐房的外墻、樓地面或屋面應有相應的防爆措施，并應有相當于鍋爐間占地面積10%的泄壓面積，泄壓方向不得朝向人員聚集的場所、房間和人行通道，泄壓處也不得與這些地方相鄰。地下鍋爐房采用豎井泄爆方式時，豎井的凈橫斷面積應滿足泄壓面積的要求。鍋爐應考慮排煙使用的煙管及煙道問題。

一般情況下不選用燃油鍋爐，采用燃氣熱水鍋爐，燃氣鍋爐房不選擇設置在屋頂。

2.2 容積式燃氣熱水機組

國家標準圖集《生活熱水加熱機組》20S121中，單臺功率小于100 kW，最大水容積小于500 L的不認為是鍋爐。國家標準GB 18111-2021《燃氣容積式熱水器》適用于額定熱負荷小于100 kW，額定容積小于500 L的容積式燃氣熱水器。

容積式燃氣熱水機組又稱燃氣容積式熱水器、大炮彈。由于其不屬于鍋爐，在設備機房的選擇上具有更大的靈活性，無須考慮泄爆口，但是需考慮排煙問題。

2.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵分常溫型、低溫型（-15 ℃）和超低溫型（-30 ℃），低溫型和超低溫型價格更高，但是后者在環境溫度較低時，COP值比常溫型高。循環式熱水機是一套先將自來水注入保溫水箱，再經過機組將水箱中的水循環加熱至設定溫度的系統。一般空氣源熱泵出熱水的溫度最高為55 ℃，如果不能滿足末端水溫要求，需增加電加熱器。

由于冬季空氣源熱泵機組COP值降低，為減少初期設備臺數，可以適當輔助電加熱系統，但是應進行經濟合理性比較。空氣源熱泵+輔助電加熱系統滿足GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》第5.3.1條規定：集中熱水供應系統的熱源，宜利用余熱、廢熱、可再生能源或空氣源熱泵作為熱水供應熱源。當最高日生活熱水量大于5 m3時，除電力管理鼓勵用電，且利用谷電加熱的情況外，不應采用直接電加熱熱源作為集中熱水供應系統的熱源。

空氣源熱泵的COP值跟環境溫度、進水溫度、出水溫度有關系。環境溫度越高、進水溫度越低、出水溫度越低均可以導致COP值增加。采用空氣源熱泵系統時應當考慮最冷月冬季平均氣溫并結合空氣源熱泵的COP值綜合考慮設備選型，必要時應選用低溫型和超低溫型空氣源熱泵機組。

從綠色建筑方面，空氣源熱泵與太陽能經常搭配使用，以達到節約能源的目的。為節約初期投資，可以考慮在春、夏、秋季采用空氣源熱泵系統，在冬季輔以電加熱。承壓型空氣源熱泵機組一般可承壓1.0 MPa。

2.4 太陽能

太陽能集熱器分為真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器。真空管型太陽能集熱器分為全玻璃真空管型、玻璃-金屬結構真空管型和熱管式真空管型太陽能集熱器，全玻璃真空管型太陽能集熱器工作壓力為0.05 MPa，平板型太陽能集熱器和玻璃-金屬結構真空管型太陽能集熱器工作壓力為0.6 MPa。太陽能熱水系統分為直接系統和間接系統， 該系統設計可以參考國家標準圖集《太陽能集中熱水系統選用及安裝》15S128。太陽能熱水系統可以跟電熱水機組、空氣源熱泵合并設置系統。太陽能熱水系統應采用防凍、防結露、防過熱、防電擊、防雷、抗雹、抗風、抗震等技術措施。

2.5 電鍋爐及電熱水機組

電鍋爐及電熱水機組不得單獨作為集中熱水供應系統的熱源，但是可以與空氣源熱泵或太陽能集熱系統聯合供熱，不違反GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》第5.3.1條的規定。

3 學校建筑熱水供應系統相關計算問題

3.1 熱水循環泵的計算

3.1.1 熱水鍋爐與供熱閉式熱水罐、供熱開式熱水箱之間的循環

循環泵流量按最大小時耗熱量的1.5～2.0倍設計（折算成供水溫度機組熱水產水量）。

3.1.2 熱水回水管網的循環

全日集中熱水供應系統的熱水循環流量一般控制為最大小時熱水供水量的0.10～0.15。定時集中熱水供應系統的熱水循環流量可按循環管網總水容積的2～4倍計算。循環管網總水容積包括配水管、回水管的總容積，不包括不循環管網、水加熱器或貯熱水設施的容積。全日集中熱水供應系統的循環水泵在泵前回水總管上應設溫度傳感器，由溫度控制開停。定時熱水供應系統的循環水泵宜手動控制，或定時自動控制。

3.1.3 熱水熱媒循環系統

循環泵流量按最大小時耗熱量的1.5～2.0倍設計（熱媒的供回水溫差為20 ℃計算熱媒循環熱水量）。

3.1.4 熱水循環及管網布置的其他相關問題

（1）集中熱水供應系統為減少分區數量，市政水壓直供高度范圍內的熱水供水范圍也可以采用跟冷水合用的閉式變頻供水，其余非集中熱水供水范圍內的冷水區采用市政直供，不屬于市政水壓未充分利用的界定情況。

（2）開式系統的熱水加熱循環泵、熱水供熱管網循環泵、熱水供水泵應分開設置。如果三泵合一， 在熱水供水過程中，熱水加熱循環、熱水供熱管網循環同時運行的話，會導致供水泵壓力下降，不能滿足用水點壓力的情況。故這3種泵在熱水開式系統中要分開設置，不能合用，以免影響供水壓力。

（3）為保證循環效果，減少運行調試困難，減少檢修影響范圍，不建議采用區域統一的熱水供水管網和熱水回水循環管網系統。建議每棟宿舍樓單獨設置供熱管網及循環管網，單獨設置加熱循環泵及供熱管網循環泵。

3.2 電加熱器數量及功率的計算

3.2.1 電加熱與太陽能熱水系統合用時

電加熱器的功率應滿足沒有太陽能集熱系統情況下所需要的熱負荷要求。電加熱器應對供熱水箱中的水進行循環加熱。電加熱器數量建議不少于2臺。

3.2.2 電加熱器與空氣源熱泵熱水系統合用時

電加熱器的功率應滿足空氣源熱泵系統供熱不足部分所需要的熱負荷要求。電加熱器對供熱水箱中的水進行循環加熱。一般可以考慮僅在冬季采用輔助電加熱，春、夏、秋季只運行空氣源熱泵，以節約空氣源熱泵的數量和初期投資。輔助電加熱的功率及空氣源熱泵的臺數及功率的確定應根據冬季室外溫度及產品的COP參數值綜合確定，應通過經濟技術及長期運行費用綜合比較確定。電輔助加熱功率越大，空氣源熱泵的臺數及功率越少，初期投資越低，但是長期運行費用越高。相反，電輔助加熱功率越小，空氣源熱泵的臺數及功率越大，初期投資越高，但是長期運行費用越低。電加熱器數量建議不少于2臺。

3.3 熱水鍋爐、熱水機組（單臺功率小于100 kW）數量及型號的計算

燃油燃氣熱水鍋爐一般根據樓棟運行組合搭配情況考慮多工況的運行時間，進而考慮鍋爐的選型搭配使用，以提高熱效率。一般至少選用2臺，單臺不小于整個熱負荷的70%，以便檢修鍋爐時不過多影響使用。熱水機組（單臺功率小于100 kW）的選型應根據熱負荷和儲水容積綜合考慮，一般考慮多臺并聯運行使用，備用最大一臺熱水機組，以便檢修時不影響正常運行。熱水機組（單臺功率小于100 kW）的選型應考慮儲水總容積是否滿足儲水要求，如果不滿足，應另外單獨配置儲水罐。

4 學校建筑集中熱水供應系統典型方案

4.1 方案一：區域集中閉式熱水系統

熱水鍋爐采用間接式燃氣熱水鍋爐，熱水鍋爐及開式熱水箱均集中位于地下室，冷熱水均采用變頻給水系統供水，冷熱水變頻泵出口壓力設定值相等，熱水管網為閉式系統，設置管網末端循環泵，循環泵出口設置閉式膨脹罐。各樓棟供水管網及管網末端熱水循環泵均獨立設置。開式熱水箱跟燃氣熱水鍋爐之間設置熱水循環泵。生活熱水通過鍋爐中的盤管間接加熱，盤管熱水出水溫度60 ℃；熱媒水直接使用爐膛內的水，溫度90 ℃。為避免相互影響，定時熱水供應部分的熱水變頻供水機組應單獨設置。

該方案特點：屬于閉式系統，初期投資造價低，設備機房集中，機房面積小，熱水供水管網循環系統復雜，室外需敷設熱水管道，運行管理簡單。熱水供水泵、供水管網、熱水管網末端循環泵分樓棟設置，易調試，運行可靠。鍋爐應有備用，鍋爐房位于地下室，需考慮泄爆口位置，鍋爐需考慮排煙問題。該方案適用于地下室有面積設置燃氣熱水鍋爐房、開式儲熱水箱及熱水循環泵且供熱半徑不是很大的情況。

4.2 方案二：集中制熱分散儲熱開式熱水供應系統

熱水鍋爐采用間接式燃氣熱水鍋爐，熱水鍋爐集中位于地下室，開式熱水箱位于各樓棟屋頂。開式熱水箱跟燃氣熱水鍋爐之間設置熱水循環泵。生活熱水通過鍋爐中的盤管間接加熱，盤管熱水出水溫度60 ℃，一臺鍋爐可設置最多3套盤管，每套盤管對應一棟宿舍，每套盤管的換熱面積對應其所需熱負荷。該系統也可以采用板換外置的方式進行設計，多套板換可對應多棟宿舍，板換與鍋爐間需設置熱媒水循環水泵。冷水給水系統在屋頂設置與熱水箱同標高的冷水箱，冷水箱的有效容積按0.5 h最大時冷水用水量計算。對于水壓能滿足要求的樓層采用重力流供水，其余樓層采用變頻給水系統，冷熱水分別設置變頻給水泵組。冷水及熱水系統的供水方式及管網布置完全一致。需單獨設置鍋爐與開式熱水箱之間的循環泵及熱水供水管網的循環泵，每棟樓的循環泵均獨立設置。

該方案特點：屬于開式系統，系統較復雜，調試較困難，設備機房分散，機房總面積大，初期投資高。屋頂需設置冷水及熱水供水泵、供水管網熱水循環泵，產生振動及噪音。所有水泵應考慮防雨措施。熱水供水管網復雜，分為直供區和加壓區，循環系統復雜，運行不穩定。室外需埋地敷設熱水循環管道，熱水循環管網長，熱損失大，鍋爐需考慮備用。室外熱水循環管網檢修影響小，只會影響單棟宿舍，開式水箱熱損失大。該方案適用于定時供水數量較大、水箱容積較大地下室無法設置熱水箱的情況。鍋爐房位于地下室，需考慮泄爆口，同時鍋爐需要考慮排煙問題。

4.3 方案三：分散式太陽能預熱加電輔熱熱水供水系統

在太陽能豐富的地區，可以采用太陽能集熱系統，并設置電輔熱。每棟宿舍屋頂設置一套太陽能集熱系統及一個電熱水鍋爐房，在鍋爐房內部設置電熱水鍋爐。每個屋頂設置預熱開式熱水箱或是預熱閉式熱水罐，構成太陽能預熱系統。每個屋頂設置開式熱水供水箱或閉式熱水供水罐。電熱水鍋爐循環加熱開式熱水供水箱或閉式熱水供水罐的熱水至需要的溫度。熱水系統的冷水補水直接進入集熱水箱或集熱水罐。太陽能集熱水箱或集熱水罐的容積、集熱板的數量、集熱系統的循環按照太陽能集熱系統的要求計算。電熱水鍋爐與開式熱水供水水箱或閉式熱水供水水罐之間設置熱水循環泵。鍋爐房下方不得是人員密集場所，宿舍屬于人員密集場所，故鍋爐房設置在屋頂時，必須考慮夾層，或是在其下層的房間必須是非人員密集場所。開式系統屋頂冷、熱水箱及系統供水、循環設置要求同方案二。當采用閉式系統時，屋頂無需設置冷水箱。采用開式系統時，集熱系統及供熱系統均為開式系統，設置開式集熱水箱及開式供熱水箱。采用閉式系統時，集熱系統及供熱系統均為閉式系統，設置閉式集熱水罐及閉式供熱水罐。

該方案特點：在太陽能豐富的地區，政府會要求利用太陽能來節約能源。供水系統可以選擇采用開式或閉式系統。由于需考慮陰雨天的熱水供水問題，電鍋爐的設計功率必須滿足沒有太陽能的情況下的最大熱負荷，設計功率極大。由于每棟樓都分散設置太陽能集熱系統、電鍋爐房、集熱開式熱水箱或閉式熱水罐、供熱開式熱水箱或閉式熱水罐，造成初期投資極高，設備機房分散，機房總面積大，屋頂太陽能集熱板占用屋頂面積極大。屋頂需設置太陽能集熱循環泵、熱水供水泵及熱水管網循環泵，開式系統還需要設置冷水供水泵，產生振動及噪音，同時需考慮防雨措施。熱水管網分集熱管網和供熱管網，供熱管網分為直供區和加壓區，系統復雜。室外無需埋地敷設熱水管道，系統運行管理復雜，工作量大。鍋爐檢修或室內管網檢修，只會影響單棟宿舍。開式水箱熱損失大。該方案適用于政府或甲方有要求的太陽能豐富的地區，同時最高電負荷要求能得到滿足、沒有燃氣熱源供應的項目。

4.4 方案四：分散式空氣源熱泵加電輔熱熱水供水系統（開式或閉式）

對于有綠建要求的項目可以采用空氣源熱泵系統，并設置電輔熱。每棟宿舍屋頂設置一套空氣源熱泵系統及一個電熱水鍋爐房，在鍋爐房內部設置電熱水鍋爐。為節約初期投資，可以考慮在春、夏、秋季采用空氣源熱泵系統，在冬季輔以電輔熱。由于空氣源熱泵的供水溫度偏低，如果要求較高的供水溫度，需要設置電輔熱。在每個屋頂設置開式熱水供熱水箱或閉式熱水罐，同時進行空氣源熱泵加熱循環和電熱水鍋爐加熱循環。熱水系統的冷水補水直接進入供熱水箱或水罐。空氣源熱泵的數量及型號按照春、夏、秋3季的最大熱負荷計算。空氣源熱泵與供熱水箱或供熱水罐間的循環按照空氣源熱泵系統的要求計算。鍋爐房及系統供水設置要求同方案三。

該方案特點：有綠建和節能要求的建筑，空氣源熱泵是個不錯的選擇。供水系統可以采用開式或閉式系統，電鍋爐的設計功率必須滿足冬季空氣源熱泵不能滿足的那部分熱負荷。由于每棟樓都分散設置空氣源熱泵系統、電鍋爐房、開式熱水箱或閉式熱水罐，造成初期投資高，設備機房分散，機房總面積大。屋頂需設置空氣源熱泵系統循環泵、熱水供水變頻泵及熱水管網循環泵，開式系統還可能設置冷水供水變頻泵，產生振動及噪音，同時應考慮防雨措施。供熱管網系統及循環系統復雜。室外無需埋地敷設熱水管道，運行管理復雜，工作量大。鍋爐檢修或室內管網檢修，對系統影響小，只會影響單棟宿舍，供水安全性高。開式水箱熱損失大。該方案適用于政府有綠建要求、對節能要求高、沒有燃氣熱源供應的建筑。

4.5 方案五：分散式閉式熱水機組供水系統

教師宿舍、留學生宿舍等規模不大、床位數不多的集體宿舍，當供水要求較高時，可以采用燃氣閉式熱水機組，俗稱“大炮彈”，每臺機組功率小于100 kW，單臺最大水容積小于500 L，承壓1.0 MPa。每臺機組自帶儲熱水容積，可根據設備選型。每臺機組達到設定溫度才會出熱水。一般情況需多臺并聯運行，總容積需達到系統所需的調節容積。由于機組的功率受限制，一般不適用于大規模定時熱水供水系統，以免造成初期投資過大。分散式閉式熱水機組供水系統，可以按樓棟將熱水機組統一設置在每個屋頂，采用集中熱水系統；也可以按樓層分散設置熱水機房，每層或每幾層設置一套集中熱水供應系統及一個熱水機房。由于熱水機組不屬于鍋爐，熱水機房的位置沒有特別要求，可以毗鄰學生宿舍，也可位于學生宿舍的上方，但是需考慮燃氣熱水機組排煙的問題。熱水機組有室外型和室內型2種，可以露天設置在室外或是設置在機房內。熱水供水管網循環泵設置在屋頂時，應考慮防雨和抗振動措施。熱水機組自帶部分儲水容積，當多個熱水機組的儲水總容積能滿足規范要求時，可以不再單獨配置儲水罐。否則，容積不夠部分應加配儲水罐。該方案僅適用于個別樓棟或局部樓層高標準供熱、鍋爐房設置困難的局部場所或局部改造項目，例如：留學生宿舍、教師宿舍、食堂、浴室、體育館、風雨操場等處，造價高。

5 室外熱水管線的敷設問題

室外熱水管線的敷設分為熱力管溝和保溫管直埋2種方式。室外熱水管道采用熱力管溝的敷設方式對于熱損失來說比直埋管小，不會出現埋地管保溫層接頭漏水進去的問題。但是熱力管溝造價較高，會增加初期投資。同時，熱力管溝會占用室外空間，需考慮管溝排水問題，通常考慮在室外集中設置幾處集水坑來提升排除溝內集水，溝底找坡排水至集水坑。高密度聚乙烯外防護管聚氨酯發泡預制直埋保溫復合塑料管是由外防護管、保溫層、工作管組成。外防護管為高密度聚乙烯管材，保溫層為聚氨酯硬質泡沫塑料，工作管為PERTII耐熱聚乙烯管道、聚丁烯PB管、氯化聚氯乙烯CPVC管、無規共聚聚丙烯PPR管等。參見中華人民共和國行業標準CJ/T 480-2015《高密度聚乙烯外防護管聚氨酯發泡預制直埋保溫復合塑料管》。

6 結束語

學校建筑集中熱水系統方案遠不止這幾種類型，但是無論哪種類型，均不能逃離熱源的選擇、機房位置的確定、開式及閉式系統的選擇、管網系統不同的循環方式等幾個方面。只有在結合政府部門的綠建要求、當地可獲取熱源的型式、建筑機房位置的可選擇性等幾個方面來對比分析，方可得出正確的結論。