集中热水系统设计思路及案例介绍

基本概念
•
影响传热系数的因素： 1/K=1/α 1+δ /λ +1/α 2
α 1—热媒向换热管内壁的对流传热系数，正比于热媒流速的0.8次方；
α 2—换热管外壁向被加热水的对流传热系数，正比于被加热水流速的0.8次方； δ —换热管壁厚、锈蚀和水垢的总厚度； λ —热管壁、锈蚀和水垢的导热系数； • 提高传热系数K的措施： 1）增大热媒与被加热水的流速，增加湍流程度，从而提高对流传热系数； 2）选用合适的加热器材质，控制锈蚀、结垢的情况；
自力式温控阀
电动式温控阀
电动式温控三通阀安装示意图 集中热水系统设计思路及案例介绍 2013-5
3、设计思路
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3.1 使用需求分析 1）供热范围： • • 注意是否有用水量较大的场所； 注意是否有定时供热或用户对供热时段有特殊需求的场所；
设计思路
类似的场所包括浴室、洗衣房、厨房等，这些场所宜独立设置热水管网或加热设备。
系统组件
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2.3 循环泵
系统组件
2）循环泵扬程的确定 克服循环水量经过供回水管网的水头损失：Hb=hp+hx
由于计算过程复杂，实际工程中可按以下方式计算：
Hb=1.1×[R(L+L’)+H2] R—单位长度水头损失，可取0.1~0.15kPa/m。 L—自水加热器至最不利点的供水管长； L’—自回水管最不利点至水加热器的回水管长； H2—水加热器的水头损失。
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2.2 管道——输水至加热器和用水点 1）热水管道管材选用的要求 • • 耐热耐腐蚀； 连接方便可靠；（机械连接、焊接、熔接、粘接）
系统组件
•
• • •
符合饮用水卫生标准；
金属管：薄壁铜管、薄壁不锈钢管；（机械连接或焊接） 塑料管：PP-R，PB、PEX；（熔接）PVC-C（粘接） 复合管：衬塑钢管（内衬PP-R、PEX、PVC-C，机械连接）、铝塑复合管（内外覆PP-R、 PEX，机械连接、熔接）；
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3.2 热源条件分析 1）可再生能源和“免费”热（废热、余热）使用的政策要求和综合效益； 常见的可再生能源：太阳能、水源热（地下水、地表水、污水）、空气源热； 常见的“免费”热：制冷机组余热、工业废热； 2）常规热源的可靠性与经济性 在有供应有保证的条件下，选择顺序为： 市政热力管网——燃气（油）热水机组——电热水设备
节能：当使用可再生能源或热源品位较低时，在符合安全卫生的前提下，选择合适的热水 温度，减少换热环节的热损失，减少二次加热能源的消耗； 防垢：水加热器处温度不宜过高，温度越高，结垢情况越严重。
综上所述，适宜的热水温度为55~60°C；当采取合适的消毒灭菌措施时，也可降低至满足用 水点温度。 4）舒适度要求 包括热水的流量、压力、温度调节、响应时间等。
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1.3 供热量与贮热量
基本概念
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设计小时供热量：热水供应系统中加热设备最大时段内的小时产热量。 ——《建筑给水排水设计规范》2.1. 87A
•
•
贮热量：由水加热器、贮热设备储存的热水折算出的热量。
折算方式：贮热量=贮热水体积*热水密度*温差*比热 采用容积式水加热器时，耗热量、供热量和贮热量之间的关系为： 供热量=耗热量-贮热量/T
2.1 加热与贮热设备
系统组件
不同水加热器的构造特点
换热器类型 传统容积式水加热器 导流型容积式水加热器 U型管半容积式水加热器 U型管换热器
构造特点 附设储热容积 导流装置 强制下降管 波节管 浮动盘管
波节管半容积式水加热器
浮动盘管半容积式水加热器
板式换热器
不锈钢板片
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2.1 加热与贮热设备 U型管换热器及其发展
系统组件
导流装置
强制下降管
U型管换热器
导流型容积式换热器
半容积式换热器
容积式换热器
快速式U型管换热器
波节管半容积式换热器
波节管 集中热水系统设计思路及案例介绍 2013-5
2.1 加热与贮热设备 其他形式的换热器
系统组件
浮动盘管半容积式换热器 弹性管束半容积式换热器
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2.4 其他组件 1）闭式膨胀罐、安全阀和膨胀管——防止热水系统受热后压力过高。 A）闭式膨胀罐 适用条件：日热水用水量大于30m3的闭式系统； 总容积计算公式： Ve—膨胀罐总容积； ρf—加热前水的密度，24小时供热取回水温度，非24小时供热取冷水温度； ρr—加热后水的密度； P1—膨胀罐处的管内压力+0.1MPa； P2—膨胀罐最大允许压力，取1.10P1； Vs—系统内热水的总容积； 根据以上条件化简后得：
•
贮热量的调节作用： 1）调节供热量与最大小时耗热量的差值（容积式加热器）； 2）调节供热量与设计秒耗热量之间的差值（半容积式热水器）； 3）当系统无贮热量时（即热式、半即热式）： • • 热源应满足设计秒耗热量的需求； 有可靠灵敏的温度控制装置；
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1.4 传热系数
2.1 加热与贮热设备
系统组件
水加热器的选用要求： • 热效率高，节材、节能、节地；
•
•
热水侧阻力小（规范建议小于0.01MPa），有利于冷热水压力平衡；
可靠、安全、易检修；
贮热设备的选用要求： • • 有效贮热容积系数大，低温区、滞水区少； 温控系统可靠，出水温度稳定；
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系统组件
水侧阻力损失 mH2O 0.5 0.5 0.3 0.3 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0
传统容积式水加热器
导流型容积式水加热器
U型管半容积式水加热器
浮动盘管半容积式水加热器 波节管半容积式水加热器 板式换热器
汽-水换热
2800~3500
2500~8000
0.5
6~10，计算确定
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安全阀结构图
注意事项：设置高度既不得过高（超压），也不得过低（损水）；
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2.4 其他组件 2）排气阀、泄水阀——保证系统运行顺畅，检修方便 设置要求：高处排气、低处泄水；有条件时优先利用配水点。
系统组件
3）温控阀——控制水加热器出水温度稳定
自力式温控阀：精度低，可靠性差，价格低 电动式温控阀：精度高，可靠性好，价格高 安装位置：热媒管道上
3.3 耗热量计算 3）综合计算 •
设计思路
具有多种热水使用场所的建筑使用同一热源时，应按同时用水高峰时段场所的设计小时耗 热量加上其余场所的平均小时耗热量作为总的设计小时耗热量；
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3.3 耗热量计算 2）用水密集型：
设计思路
qh—卫生器具的小时热水定额；
tr—热水温度； tl—计算冷水温度； n0—卫生器具数量； b—同时用水百分比； C—水的比热； ρr—热水密度； T—每日使用时间；
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滑动支架和固定支架的设置
•
选择合理的保温材料和合理的保温层厚度；（节能、节材、省空间）
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2.3 循环泵——通过强制流动保持管道内的水温 1）循环泵流量的确定 A）系统保温：补充系统的热损失： B）初次加热：在15~30min内将管网内所有的水送回加热设备：
——《建筑给水排水设计规范》2.1.87
•
相关概念：设计小时热水量、平均小时耗热量、热水系统的小时变化系数
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1.2 全日热水供应系统与定时热水供应系统
基本概念
在全日、工作班或营业时间内不间断供应热水的系统为全日热水供应系统；在全日、工作班 或营业时间内某一时段供应热水的系统为定时热水供应系统。 ——《建筑给水排水设计规范》2.1. 79A、 2.1. 79B
系统组件
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2.4 其他组件
系统组件
B）安全阀 适用条件：日热水用水量小于等于30m3的闭式系统；
注意事项：
• • 需引至安全处排放； 压力可设定为热水系统工作压力的1.1倍；
C）膨胀管 工作原理：利用在特定高度排放介质泄压、定压； 适用条件：有高位非引用水水箱；
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3.1 使用需求分析 3）供热温度： •
设计思路
安全：用水点温度不宜过高，防止烫伤，尤其是使用人员自我保护能力不强的场所，如幼 儿园、养老院、精神病院、监狱等；
•
• •
卫生：水加热器处温度不宜过低，防止军团菌滋生。（军团菌适宜的生长温度为20~50°C）
2.1 加热与贮热设备 板式换热器+储水罐的形式与导流型容积式水加热器的比较
板式换热器+储水罐 换热器效率 热媒热水温差 造价 机房面积需求 设备结构 维修 贮热装置加热效果 高 小 低 大 简单 方便 差
系统组件
导流型容积式水加热器 低 大 高 小 复杂 困难 好
1 — 容积式热交换器 2 —板式热交换器 导流型容积式换热器 板式换热器+储水罐 3 — 储水罐
基本概念
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传热系数K：在特定工况（流速、流态、换热界面材质等）下，表面式水加热器单位面积 上传递热量的能力。该数值反映水加热器的工作效率。
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传热系数≠导热系数，材质一定条件下，导热系数是定值，传热系数是变值；实际换热器 的传热系数要通过实验测定。