羅志華，崔文靜

(1.蘇州華造建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 蘇州 215125； 2.悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215125)

1 概述

托兒所、幼兒園衛(wèi)生間內(nèi)均配有洗臉盆或盥洗槽，有的還設(shè)有淋浴室，需設(shè)置熱水系統(tǒng)。此外幼兒園一般都設(shè)有配套廚房，廚房也需要使用熱水，且廚房對(duì)熱水的水溫要求與幼兒園內(nèi)盥洗槽水嘴和淋浴又有很大的差別。食堂熱水水溫可達(dá)50 ℃或根據(jù)需要設(shè)定，而幼兒使用的衛(wèi)生間熱水供水溫度一般設(shè)定在35 ℃左右。合理可靠的熱水系統(tǒng)既是保證幼兒使用安全的首要前提，又是滿足不同使用功能的基本要求。

2 幼兒園常見的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前幼兒園給排水設(shè)計(jì)中常見的太陽(yáng)能+輔助加熱熱水系統(tǒng)有：

1)閉式系統(tǒng)，即采用閉式熱水罐(單罐/雙罐)，熱水出水溫度控制在55 ℃～60 ℃。用水點(diǎn)采用雙管制，即冷水管和熱水管分開設(shè)置。末端用水點(diǎn)處采用溫控閥控制水溫，且設(shè)置配套的高溫報(bào)警裝置，以防止?fàn)C傷幼兒。該系統(tǒng)熱水出水溫度在55 ℃以上，水中細(xì)菌總數(shù)等含量低于國(guó)家GB 5749生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相關(guān)指標(biāo)[1]，同時(shí)也滿足GB 50015—2019建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱“建水”)中熱水系統(tǒng)不設(shè)滅菌消毒設(shè)施時(shí)熱水出水溫度的要求。該系統(tǒng)冷熱水水壓平衡，易于溫控閥調(diào)節(jié)水溫。缺點(diǎn)是每一處用水點(diǎn)均需設(shè)置溫控閥調(diào)節(jié)水溫，溫控儀感應(yīng)水溫，高溫報(bào)警裝置超設(shè)定溫度后報(bào)警。系統(tǒng)比較復(fù)雜、工程造價(jià)高、后期檢修維護(hù)費(fèi)用也較高。溫控儀或高位報(bào)警裝置為瞬時(shí)感應(yīng)，存在滯后，且失靈后也會(huì)引起燙傷事故。

a.系統(tǒng)冷熱水水壓不平衡，混合龍頭出水處水溫波動(dòng)大，使用時(shí)極易感覺不舒適，水溫調(diào)節(jié)不變，有時(shí)甚至難以調(diào)節(jié)。幼兒在使用時(shí)很容易出現(xiàn)忽冷忽熱，甚至燙傷的情況。因冷熱水水壓不平衡，也不適用于溫控閥調(diào)節(jié)末端水溫。

b.集熱儲(chǔ)熱共用一個(gè)水箱，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，輔熱也會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)在太陽(yáng)能可以滿足使用要求的前提下，輔熱系統(tǒng)也會(huì)經(jīng)常動(dòng)作，不能充分利用太陽(yáng)能，發(fā)揮太陽(yáng)能的集熱作用，不節(jié)能。且不滿足“建水”中第6.6.5條規(guī)定的集 熱設(shè)備與供熱設(shè)備宜分開設(shè)置的要求。

3)托兒所、幼兒園熱水使用溫度為35 ℃左右。當(dāng)開式熱水箱的熱水溫度設(shè)定為60 ℃時(shí)，雖然可以有效控制水中的細(xì)菌數(shù)量，但是末端使用不方便且可能引起事故。當(dāng)開式熱水箱的熱水溫度設(shè)定為40 ℃時(shí)，又存在如下問題:a.太陽(yáng)能得不到充分利用；b.水溫長(zhǎng)期低于45 ℃，容易滋生致病菌，尤其是軍團(tuán)菌之類的致病菌，需設(shè)置滅菌消毒設(shè)施。

3 開式混合水箱單管供水的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

3.1 基本系統(tǒng)

基于上述描述幼兒園太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)存在的問題，以及根據(jù)JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱“幼建規(guī)”)要求：托兒所、幼兒園宜設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)采用混合水箱單管供應(yīng)定溫?zé)崴到y(tǒng)[2]。本設(shè)計(jì)在統(tǒng)一考慮“幼建規(guī)”和“建水”中相關(guān)要求的前提下，采用三水箱單管制開式熱水系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示，既可以避免水溫過低滋生細(xì)菌，又可以達(dá)到使用要求。

本系統(tǒng)的工作原理如下：

1)太陽(yáng)能集熱部分：本系統(tǒng)可采用平板型、玻璃金屬真空管型、熱管式、全玻璃真空管型等太陽(yáng)能集熱器。設(shè)置太陽(yáng)能開式集熱水箱，一用一備兩臺(tái)太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵P1，由太陽(yáng)能集熱器與集熱水箱之間的溫差控制循環(huán)水泵的啟停，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器溫度T1大于集熱水箱T2，且溫差為10 ℃時(shí)啟泵，溫差為5 ℃時(shí)停泵。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器溫度T1小于集熱水罐T2時(shí)，不循環(huán)。冬季溫度過低時(shí)，開啟放空閥防空集熱器中的水，以防凍壞。

2)儲(chǔ)熱水箱：生活給水不直接補(bǔ)水至儲(chǔ)熱水箱，通過與集熱水箱之間設(shè)置連通管溢流補(bǔ)水。與集熱水箱連接的連通管設(shè)置在集熱水箱上部1/3處。此外儲(chǔ)熱水箱通過熱水加熱循環(huán)水泵P2與輔助加熱系統(tǒng)連接，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫T3≤55 ℃時(shí)P2啟動(dòng)，輔助加熱設(shè)備工作；T3≥60 ℃停泵，輔助加熱設(shè)備停止工作。當(dāng)采用天然氣做輔助熱源時(shí)，儲(chǔ)熱水箱的容積依據(jù)“建水”中的第6.5.11條第1小條計(jì)算，按導(dǎo)流型容積式水加熱器確定，儲(chǔ)水容積取30 min的小時(shí)熱水量。

3)供熱水箱(混合水箱)：供熱水箱與儲(chǔ)熱水箱之間設(shè)置連通管和循環(huán)水泵P3。當(dāng)混合供熱水箱水溫T4≤35 ℃時(shí)P3啟動(dòng)；T4≥40 ℃停泵。供熱水箱只起混合水溫的作用，儲(chǔ)熱水箱即相當(dāng)于快速水加熱器，同樣參考“建水”中的第6.5.11條中第2小條，供熱水箱的儲(chǔ)水容積按照15 min的小時(shí)熱水量計(jì)算。

定義3 跳數(shù)度量：是指從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目.跳數(shù)是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，因?yàn)樗亩嗌倌軌蜷g接的反應(yīng)出延遲時(shí)間的多少.

4)補(bǔ)水控制：補(bǔ)水設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。本系統(tǒng)通過液位控制閥補(bǔ)水，補(bǔ)水主管設(shè)置電動(dòng)分流三通閥V1，一路補(bǔ)水管至集熱水箱，一路分至供熱水箱；傳動(dòng)管及控制浮球設(shè)置在供熱水箱處。當(dāng)供熱水箱水位下降時(shí)，傳到浮球下降，液位閥開啟補(bǔ)水，此時(shí)分兩種情況：

a.當(dāng)T4<40 ℃時(shí)，V1上通道打開，往集熱水箱補(bǔ)水，通過三個(gè)水箱之間的連通管最終溢流至供熱水箱，由儲(chǔ)熱水箱溢流過來的高溫?zé)崴门c供熱水箱中溫度較低的水混合以達(dá)到使用要求。

b.當(dāng)T4≥45 ℃時(shí)，V1下通道打開，往供熱水箱補(bǔ)水并降低其水溫。

此種補(bǔ)水方式既保障了供熱水箱的水位，又使集熱水箱乃至整個(gè)系統(tǒng)里的水得到了循環(huán)使用，充分利用了太陽(yáng)能。

5)熱水供熱系統(tǒng)：采用熱水供水水泵P4，一用一備，互為備用。熱水系統(tǒng)的循環(huán)由熱水回水管上的電接點(diǎn)溫度計(jì)自動(dòng)控制：?jiǎn)⒈脺囟葹?5 ℃，停泵溫度為38 ℃。熱水供水管的管徑應(yīng)同時(shí)考慮熱水用水量和回水量。

6)輔助加熱可采用天然氣或其他熱源:該系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器的形式不限，承壓和非承壓都可使用。該系統(tǒng)對(duì)集熱水箱不設(shè)定最高溫度，這樣可以充分利用太陽(yáng)能加熱熱水。當(dāng)天氣情況好時(shí)尤其是夏天，集熱水箱的水溫有可能高達(dá)90 ℃以上，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可以充分集熱儲(chǔ)熱。本系統(tǒng)的冷水補(bǔ)水方式，一是為了充分利用太陽(yáng)能，二是為了使水加熱至60 ℃，并長(zhǎng)期保持在60 ℃以上，充分殺菌滅菌。補(bǔ)至供熱水箱的冷水僅是用作調(diào)節(jié)水溫。

3.2 改進(jìn)系統(tǒng)

此系統(tǒng)還可以通過局部調(diào)整改進(jìn)，增加以下功能和作用：1)增加防凍循環(huán)，保護(hù)太陽(yáng)能集熱器；2)增加控制系統(tǒng)，充分利用熱量，節(jié)約能源；3)調(diào)整熱水系統(tǒng)回水管路，避免P3水泵頻繁啟動(dòng),如圖2所示。

改進(jìn)后的開式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)增加了以下幾方面內(nèi)容：

1)增加太陽(yáng)能集熱循環(huán)水泵從儲(chǔ)熱水箱吸水管路，并在集熱和儲(chǔ)熱水箱吸水管上增設(shè)電磁閥。當(dāng)T1≤5 ℃時(shí)，電磁閥D1關(guān)閉，D2開啟進(jìn)行防凍循環(huán)。T1>5 ℃時(shí)，電磁閥D2關(guān)閉，D1開啟。

2)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)當(dāng)T1>60 ℃(或按設(shè)定溫度)，電磁閥D2開啟，儲(chǔ)熱水箱也可與太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行循環(huán)換熱。太陽(yáng)能集熱循環(huán)回水管雖然回水到集熱水箱，但是通過連通管，最終進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱，這樣如果太陽(yáng)能能夠滿足使用要求的前提下可以充分利用太陽(yáng)能，避免啟動(dòng)輔助加熱系統(tǒng)，節(jié)省能源，降低碳排放。

3)熱水系統(tǒng)的回水管直接回水至儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行加熱，通過連通管，加熱后的水流至供熱水箱，可減少循環(huán)水泵P3啟動(dòng)的次數(shù)，節(jié)省能耗。

3.3 與幼兒園廚房合用系統(tǒng)

幼兒園內(nèi)兩個(gè)最主要的熱水用水點(diǎn)一個(gè)是盥洗室，另一個(gè)就是廚房，兩者對(duì)熱水的水溫、水量、使用時(shí)間都有很大的差別。分設(shè)兩套熱水系統(tǒng)，雖利用使用管理，但是工程造價(jià)大。在上述熱水系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱后再增設(shè)一個(gè)廚房熱水供水水箱及一組熱水供水水泵即可滿足廚房熱水使用需求，供水水箱出水溫度55 ℃或按使用要求設(shè)定?；厮仓苯踊刂羶?chǔ)熱水箱。儲(chǔ)熱水箱的容積按照廚房和盥洗總的設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量為基礎(chǔ)計(jì)算。廚房和盥洗室熱水供水系統(tǒng)分開，滿足各自熱水使用要求，且兩者互不影響。

4 其他熱水系統(tǒng)

當(dāng)不利用太陽(yáng)能作為熱源，用其他熱源時(shí)，只需將儲(chǔ)熱水箱前面的系統(tǒng)按照需要替換掉，后面供熱水箱及相應(yīng)的循環(huán)不變。以目前使用較多的空氣源熱泵為例，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

此系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱的容積應(yīng)按照“建水”中第6.6.7條規(guī)定的計(jì)算，分設(shè)置輔助加熱和不設(shè)置輔助加熱兩種參數(shù)取值計(jì)算。熱泵機(jī)組循環(huán)水泵的啟停由T1確定，當(dāng)T1<55 ℃(或按設(shè)定值)時(shí)啟動(dòng)；T1≥60 ℃(或按設(shè)定值)停泵。設(shè)置有輔助熱源的系統(tǒng)，輔助熱源是否啟動(dòng)可由熱泵機(jī)組檢測(cè)到的環(huán)境溫度決定，如當(dāng)環(huán)境溫度小于10 ℃時(shí)啟動(dòng)，不小于10 ℃時(shí)輔助加熱系統(tǒng)停止運(yùn)行。輔熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的起停也由T1控制,當(dāng)T1<50 ℃啟泵，T1≥55 ℃停泵。其他水泵的啟停同太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。補(bǔ)水仍通過液位控制閥和補(bǔ)水主管設(shè)置電動(dòng)分流三通閥V1補(bǔ)水，一路分至儲(chǔ)熱水箱，一路分至供熱水箱；傳動(dòng)管及控制浮球設(shè)置在供熱水箱處。

5 與常用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的對(duì)比

開式混合水箱單管供水的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與其他形式的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在幼兒園供熱水項(xiàng)目應(yīng)用中優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

從表1中可知，在托兒所、幼兒園建筑中，開式混合水箱單管供水的熱水系統(tǒng)，工程造價(jià)適中，同時(shí)又滿足幼兒使用的水溫、水質(zhì)需要，可以穩(wěn)定的供應(yīng)定溫?zé)崴?。該系統(tǒng)也易于調(diào)整，與其他系統(tǒng)結(jié)合使用，方便靈活。此系統(tǒng)也適合老年人照料設(shè)施、醫(yī)院、監(jiān)獄等建筑中為弱勢(shì)群體、特殊群體等需設(shè)置防燙傷措施的群體提供熱水使用的熱水系統(tǒng)。閉式雙管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)更適合其他公共建筑使用，可調(diào)節(jié)水溫，滿足不同使用者的需求。開式單水箱熱水系統(tǒng)，不能充分利用太陽(yáng)能，不節(jié)能，難以同時(shí)滿足幼兒園熱水使用的水質(zhì)水溫要求。

表1 幼兒園常用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)比

6 工程案例

蘇州姑蘇區(qū)某幼兒園為3年8班制，共設(shè)24個(gè)班。每班按30人計(jì)，每人熱水用水量取20 L/d，每日使用時(shí)間10 h，小時(shí)變化數(shù)為4.25，此幼兒園的設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為1 550 278 kJ/h(430 kW)，設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量為9 617 L/h(設(shè)計(jì)熱水溫度取40 ℃)。本工程采用開式混合水箱單管供水的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，設(shè)置平板型太陽(yáng)能集熱器，集熱器面積約為136 m2，熱水水箱及設(shè)備均設(shè)置在屋面上。本工程集熱水箱容積為9 m3(2 m×3 m×2 m(h))，儲(chǔ)熱水箱容積為5 m3(2 m×2 m×2 m(h))，供熱水箱容積取2.5 m3(2 m×1 m×2 m(h))。此系統(tǒng)目前運(yùn)行狀況良好，出水水溫及水壓都穩(wěn)定正常，滿足使用要求[3]。

7 結(jié)語(yǔ)

開式混合水箱單管供水的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)增加了一個(gè)容積較小的供水水箱，冷水補(bǔ)水通過液位控制閥和電動(dòng)分流三通閥控制。液位控制閥的傳動(dòng)管及控制浮球設(shè)置在供熱水箱處，通過供熱水箱水位的變化控制液位控制閥的開啟。電動(dòng)分流三通閥通過供熱水箱的水溫控制分流通道打開的方向，從而控制冷水是補(bǔ)進(jìn)集熱水箱還是供熱水箱。這樣設(shè)置既充分利用了太陽(yáng)能，又滿足水質(zhì)和使用水溫的要求，同時(shí)也滿足“幼建規(guī)”中規(guī)定的集熱供熱應(yīng)采用混合水箱單管供應(yīng)定溫?zé)崴到y(tǒng)的要求，是此系統(tǒng)的核心。此外該系統(tǒng)還可以通過增加熱水供水管路等同廚房等其他有熱水需求的使用設(shè)施共用集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)。