集中热水系统设计思路及案例介绍

集中热水系统设计思路及案例介绍董礼汀2013-5集中热水系统设计思路及案例介绍2013-51、基本概念2、系统组件3、设计思路4、案例介绍目录1、基本概念集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5基本概念设计小时耗热量：热水供应系统中用水设备、器具最大时段内的小时耗热量。——《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1.1设计小时耗热量集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5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、2.1.79B1.2全日热水供应系统与定时热水供应系统集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5基本概念•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•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；1.3供热量与贮热量集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5基本概念•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。•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。1.4传热系数集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5基本概念•影响传热系数的因素：1/K=1/α1+δ/λ+1/α2α1—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；α2—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；1.4传热系数集中热水系统设计思路及案例介绍2013-52、系统组件集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件闭式热水系统示意图1—容积式热交换器（加热与贮热设备）2—管网3—循环泵4—隔膜膨胀罐（其他附件）•加热设备：加热设备的分类：直接加热、间接加热直接加热：热水炉、热水器、加热水箱……间接加热：水-水、汽-水热交换器（容积式、半容积式、半即热式、即热式等）……•贮热设备：开式（水箱）、闭式（水罐）；贮热、贮热+加热（容积式加热器）2.1加热与贮热设备——为系统制备热水集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件热水炉热水器容积式热交换器板式热交换器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；2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件不同水加热器的构造特点2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件换热器类型构造特点传统容积式水加热器U型管换热器附设储热容积导流型容积式水加热器导流装置U型管半容积式水加热器强制下降管波节管半容积式水加热器波节管浮动盘管半容积式水加热器浮动盘管板式换热器不锈钢板片U型管换热器及其发展2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件快速式U型管换热器容积式换热器导流型容积式换热器半容积式换热器波节管波节管半容积式换热器导流装置强制下降管U型管换热器其他形式的换热器2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件浮动盘管半容积式换热器板式换热器弹性管束半容积式换热器常见水加热器性能对比2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件换热器类型传热系数W/(m2•°C)水侧阻力损失mH2O传统容积式水加热器水-水换热350~4000.5汽-水换热800~8700.5导流型容积式水加热器水-水换热550~9000.3汽-水换热800~11000.3U型管半容积式水加热器水-水换热800~9500.5汽-水换热1150~15000.5浮动盘管半容积式水加热器水-水换热1150~14501.0汽-水换热1700~25001.0波节管半容积式水加热器水-水换热1400~19001.0汽-水换热2800~35000.5板式换热器2500~80006~10，计算确定2.1加热与贮热设备集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件板式换热器+储水罐导流型容积式水加热器换热器效率高低热媒热水温差小大造价低高机房面积需求大小设备结构简单复杂维修方便困难贮热装置加热效果差好板式换热器+储水罐的形式与导流型容积式水加热器的比较导流型容积式换热器板式换热器+储水罐1—容积式热交换器2—板式热交换器3—储水罐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）•符合饮用水卫生标准；2）常用的管材•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）；2.2管道——输水至加热器和用水点集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件3）管道布置要求•冷热水管道水力同程，主要回水点回水管道水力同程；2.2管道集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件•合理设置活动支架、固定支架和伸缩节，避免温度变化产生的形变与压力破坏管道；（尤其是塑料管道）2.2管道集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件•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）滑动支架和固定支架的设置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：2.3循环泵——通过强制流动保持管道内的水温集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5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。2.3循环泵集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件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：2.4其他组件集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5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；注意事项：设置高度既不得过高（超压），也不得过低（损水）；2.4其他组件集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件安全阀结构图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。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2.4其他组件集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5系统组件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3、设计思路集中热水系统设计思路及案例介绍2013-51）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；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。2）用水行为特点：用水行为可以简单分为用水疏散型和用水密集型两种：•前者包括大部分使用全日热水供应系统的场所（酒店、办公、住宅等）；后者包括所有使用定时热水供应系统场所和部分使用全日热水供应系统（幼儿园等）的场所。•前者的用水不均匀性小于后者；•计算耗热量时，前者使用人员定额（《建水规》5.3.1-1），后者使用器具定额（《建水规》5.3.1-2）3.1使用需求分析集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路3）供热温度：•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）•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。3.1使用需求分析集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路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3.2热源条件分析集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路1）用水疏散型：Kh—小时变化系数；m—用水计算单位数；qr—热水用水定额；tr—热水温度；tl—计算冷水温度；（如不是按最不利工况考虑，则应根据设计保证季节的实际情况取值）C—水的比热；ρr—热水密度；T—每日使用时间；3.3耗热量计算集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路2）用水密集型：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；3.3耗热量计算集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路3）综合计算•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；•有必要时，应当逐时计算；如果部分场所在其余场所供热时处于非供热时段，则应扣除该部分耗热量。3.3耗热量计算集中热水系统设计思路及案例介绍2013-5设计思路7:008:008:009:009:0010:0010:0011:0011:0012:0012:0013:0013:0014:0014:0015:0015:0016:0016:0017:00厨房---64.464.4-----盥洗30.8730.8730.87(30.87)(30.87)124.9124.930.8730.8730.87逐时热负荷计算示例1）确定合理的供热时间（全日、定时）、系统配置（分散、合并）、供热温度、热源；2）根据用水要求，选