热水供应系统设计

在设计热水供应系统时，我们需要考虑以下几点

• 热水系统必须符合法律和标准要求
• 热水供应系统必须安全且质量良好
• 效率高，且能源成本低
• 安装后节能耐用
• 使用方便且易于维护

设计的热水系统必须适合使用且对用户安全。大多数卫生设备使用 55-60°C 的热水，而洗涤设备如洗碗机、热水洗衣机使用 82-88°C 的热水。

在安装热水供应系统时，我们有四个主要设备，即

1. 储水式加热器（Storage Heater）是热水器和热水储存罐的组合，可以使用液化气、油或电力作为燃料。当水加热到所需温度后，会储存在带有保温层的热水罐中以防止热量散失。
2. 热水供应系统（各种管道）是将热水通过管道分配到建筑物各处，供给卫生设备或洗涤设备使用。
3. 热水循环泵（Hot water circulating pump）是当水温降至 55°C 时，负责向系统补充热水，使水温保持在 60°C 的泵。
4. 控制阀和其他配件（Control valve and accessories）是系统中的阀门设备或控制设备，用于确保热水供应系统正常运行。

热水供应系统可分为三种类型

1. 上给水系统（Up-feed system）
2. 下给水系统（Down-feed system）
3. 混合给水系统（Combination of up and down feed system）

• 热水器和热水储存罐通常位于一楼或地下室，这是基于多个因素考虑，如节能、管道布置距离、废气处理便利性等。
• 空气积聚器（Air Accumulator）安装在每个立管的最高处，当打开水龙头时，管内积聚的空气会被排出。
• 循环泵（Circulating Pump）负责向系统补充水。泵由水温控制器（Aquastat）控制，当温度降至设定值时，泵会启动以保持系统水温在 60°C。

• 热水供应管道安装在建筑物最高点
• 热水通过管道流向所有卫生设备
• 排气阀安装在管道最高点，用于排出热水管道系统中积聚的空气。

• 下给水系统（Down-feed system）比上给水系统（Up-feed system）尺寸更小，因为下给水系统的压力损失遵循重力（静水头），而上给水系统的压力损失取决于管道流动摩擦。
• 通常摩擦力大于重力，这就是为什么下给水系统比上给水系统尺寸更小的原因。

• 每个立管（Riser）和回水管（Return）的流量都通过球阀（Globe valve）或平衡阀（Balancing valve）控制。
• 循环泵（Circulating pump）必须能效高且能维持热水温度（当温度低于 55°C 时泵开始工作）。

表 1.1 的详细设置如下

• SCH 40 铁钢管
• 管内热水温度 60°C
• 25 毫米厚玻璃棉保温
• 保温材料导热系数为 0.038 W/m.K

• 淋浴和洗碗槽用热水温度为 60°C，与冷水混合后温度为 35-40°C。
• 热水温度通常不应低于 50°C，除非是混合后温度在 40°C 以上的热水管道。
• 高温热水管道使用的水量较少。
• 高温热水管道使用的管径较小。
• 高温热水管道的热损失较大。
• 建议正常热水使用温度为 60°C。如果需要更高温度，如洗碗机、洗衣机使用 82°C，应单独设置热水管道。

• 水温控制器（Aquastat）是热水管道系统中用于控制系统水温并防止水泵持续运行的设备。水温控制器可以设置最高温度限制（High Temperature Limit）和最低温度限制（Low Temperature Limit）。
• 如果使用温控器（Thermostat），它只能设置一个温度值（High Temperature Limit）。当水温低于 60°C 时，水泵会向系统补充热水，使系统水温高于 60°C。
• 但我们不需要在水温低于 60°C 时就补充热水，而是希望在水温低于 55°C 时补充热水，并在水温达到 60°C 时停止。
• 实际上，热水使用取决于用户的使用时间。白天用热水的人少时，水泵运行次数少，因为不需要频繁补充水。但在傍晚使用人数多时，水泵会频繁运行。
• 有些人计算水温降至 55°C 的时间间隔，然后设定泵运行时间，如每小时运行一次。他们认为频繁开关会使水泵更快损坏。但这样做会导致在用水高峰期供应不足，而且比安装水温控制器更耗能。

热水管道布置取决于用热水设备的位置。有时设备可能集中在一起，如洗衣机，有时可能单独分散。

Loop A – Loop A 的管道布置是从主供水管（Main Supply）分支（Branch Line）供水到各设备，然后回流到主回水管（Main Return）。这种连接方式可以使用较小管径，降低管道成本。

Loop B – Loop B 的管道布置是主管直接连接设备。Loop B 的管径与主管相同，管道长度比 Loop A 长。管道越长，摩擦阻力越大，需要更大的泵，成本也更高。但 Loop B 的布置更简单，水流平衡也更容易。

Branch C – Branch C 的管道布置是直接从主管分支到设备，没有回水管。这种布置可节省一半管道成本，因为不需要回水管。但缺点是初次使用时，水可能是冷的，不符合设计温度。因此，Branch C 只适用于设备距离主管不超过 10 米的情况。

热水管道尺寸取决于热水使用量和管内水流速度，计算和选择方法与冷水管（Cold water pipe）相同，但对回水管尺寸没有具体要求。

通常回水管应尽可能小以节省管道成本。如果管径太小，摩擦阻力会过大，需要选择更大的泵。而管径太大会增加热损失。因此，设计回水管时需要平衡成本。

1. 回水管（Return pipe）尺寸增大时成本增加。
2. 管径过大时热损失增加。
3. 管径过小会增加管内摩擦阻力，需要更大的水泵。

以下是回水管选择建议

1. 如果主供水管（Main Supply）直径小于 50 毫米（<2 英寸），回水管尺寸为主管的一半（1/2）。
2. 如果主供水管直径大于 50 毫米（>2 英寸），回水管尺寸可为主管的一半（1/2）或略小于一半。

热水器是用于制备热水（温度 60°C）供建筑物使用的设备。根据能源使用可分为四种类型：

1. 燃气热水器是最古老的系统，通过建筑物内的燃气管道供气制热。常见于乡村或山区度假村，因为燃气成本低于电力。但不适合酒店、医院，因为需要处理加热过程中的废气，还要考虑燃气泄漏的安全问题。

2. 电热水器 是最易使用和最熟悉的类型，开启即可使用。 市场上分为两种：储水式和即热式。

储水式电热水器通过电热丝直接加热水并储存在带保温层的安全水箱中。优点是随时有热水可用，适合淋浴、洗衣机或浴缸使用。

即热式电热水器或称热水器，优点是使用简单、安全，适合家庭使用，但不适合酒店因为能耗高。

3. 太阳能热水器 利用太阳能加热水，是免费能源，分为平板式和真空管式两种。

太阳能热水器 平板式是最早商业化的类型。由钢框架构成，前面是透明玻璃，框架内是铁管或铜管供水流过。当金属吸收太阳热量时，管内水温升高。最高温度可达 80°C。优点是安装简单，可安装在屋顶或阳台，缺点是易结水垢，重量较大。

太阳能热水器 真空管式是平板式的改进型。仍使用吸收太阳热量加热水的原理。集热管是双层玻璃管，内层涂有太阳能吸收涂层，外层是真空层（良好的保温层）。内部温度可达 100°C，但外表面不烫。优点是占地面积小，效率高，缺点是安装较复杂。

无论是平板式还是真空管式，都取决于当天是否有阳光，且不适合夜间使用，因为需要额外安装热水储罐。

太阳能热水器适合洗衣业或日间用热的工业，因为能源免费。我们可以在阴天或下雨导致水温不够时，配合其他类型加热设备使用。

4. 热泵热水器 (Heat Pump) 是最节能的设备（不计太阳能）。消耗 1 单位电能可产生 3-4 单位热能（节省 3-4 倍）。其工作原理与空调相反。

蒸发器 (Evaporator)安装在建筑物外。从阶段 1 到 2，铜管中的制冷剂温度较低，从室外吸收热量储存在制冷剂中，然后进入压缩机。

压缩机 (Compressor)与蒸发器相邻。从阶段 2 到 3，压缩机压缩从蒸发器来的制冷剂，提高压力和温度，然后进入冷凝器。

冷凝器 (Condenser)从阶段 3 到 4，高温制冷剂向水箱释放热量。被加热的水变热上升到水箱上部（热水上浮）。释放热量后的制冷剂变为液态流向阀门。

膨胀阀 (Expansion Valve)从阶段 4 回到阶段 1，阀门降低制冷剂压力，制冷剂回到蒸发器重新吸收热量，如此循环。

完成热水系统设计和管道布置后，我们需要选择热水器尺寸。以下数据用于选择热水器：

1. 每日热水需求量（Require per day）
2. 每小时最大需求量（Max. demand per hour）
3. 最长连续使用时间
4. 热水箱尺寸
5. 热水器安装空间

对于热水使用不连续的建筑，如酒店或度假村，有时因客人少而用水少，节日期间用水多，每日用量不固定。安装足够大的热水箱以满足高峰期（Peakload）需求可减小热水器尺寸。

通常我们设计尽可能大的热水箱，但尺寸受安装空间限制。

热水箱使用时只储存 70% 容量的热水，因为使用时，冷水从箱底注入推动热水使用。冷热水混合后，60°C 的热水会降至适合使用的温度。

选择热水器尺寸有两种方法：

1. 知道建筑物使用人数，这种方法可得到合适的热水器尺寸。
2. 知道建筑物卫生设备数量，当不知道使用人数时使用此方法，但会得到比实际需求更大的热水器尺寸（一栋建筑不会同时使用所有卫生设备）。

不同建筑的热水需求特点不同，取决于多个因素，如：

• 建筑等级，如五星级酒店、三星级酒店、水疗中心
• 季节
• 卫生设备类型，如环保产品或普通产品

酒店、公寓的热水需求估算使用以下数值：

• 每人每日热水需求量（diary hot water demand per day）= 75-150 升
• 每小时最大需求量 = 1.5 倍
• 最长连续使用时间 = 1-3 小时
• 储水系数（Storage factor）= 0.1-0.2

每小时热水用量 = 每人每日用水量 × 人数 × 每小时最大需求系数

Hourly hot water required = Diary hot water per person × number of person × maximum hourly demand factor

• 每小时最大需求系数 (Maximum hourly demand factor)用于计算每小时热水用量。
• 储水系数 (Storage factor)是与每日热水用量相乘计算合适热水箱尺寸的系数。
• 最长连续使用时间 (Duration of continuous maximum demand)取决于建筑物的热水使用特点。

示例 1 计算 300 间客房酒店的热水器尺寸

• • 设计每间房可住 1-2 人，假设平均 1.5 人/房。
  • 每日平均热水需求量为 120 升/天（根据上述建议）。
  • 热水器尺寸计算：
  • 最大入住人数 = 1.5 × 300 = 450 人
  • 每日用水量 = 450 × 120 = 54,000 升
  • 每小时最大用水量 = (3/24) × 54,000 = 8,100 升/小时
  • 3 小时最长连续用水量 = 8,100 × 3 = 24,300 升
  • 热水箱水量 = 0.15 × 54,000 = 8,100 升
  • 热水箱储水量为 70%，因此热水箱尺寸 = 8,100/0.7 = 11,571 升
  • 热水器尺寸 = (24,300 – 8,100) /3 = 5,400 升/小时

某些建筑物无法知道使用人数时，需要根据卫生设备数量估算。但这种方法会得到超过实际需求的热水量。各类卫生设备的热水用量见表 2。

计算热水器加热能力（rate of heating）时，考虑每小时最大用水量、热水箱尺寸和最长连续使用时间。

较大的热水箱可减小热水器尺寸。我们计算加热能力（rate of heating）：

q = wc_pΔT

• q = 热水器加热能力，单位千瓦（kW）
• w = 制热率，单位千克/秒（kg/s）
• c_p = 水的比热容 4.186 千焦/千克-摄氏度（kJ/kg°C）
• ΔT = 水温升高值，单位摄氏度（°C）

选择热水器尺寸时，我们预留 15% 余量，因为系统各处都有热损失，如热水管道、热水箱、接头等处都会损失热量。

示例 计算将 10°C 水加热至 60°C 的热水器尺寸

• 使用示例 1 的数据：
• 热水器水量 = 5,400 升/小时
• 使用 8,100 升水箱
• 热水器加热能力 = ( 4.186 × 5,400 × (60 – 10) ) /3,600 = 314 kW
• 选择比计算值大 15% 的尺寸 = 1.15 × 314 = 361.1 kW