建筑给水排水本科教学创新实验平台

王玉兰+苏馈足+王文静+董方+徐玮榕+胡真虎+徐得潜

摘要：开发研制了一种建筑热水系统实验装置，装置操作简便、运行稳定、经济实用。可用于给水排水科学与工程本科专业必修课《建筑给水排水工程》等相關课程和实践教学环节以及创新性、设计性、综合性实验中，弥补实验室建筑给水排水实验设备不足的现状，可为学生综合素养和创新思维培养、科研水平的提高提供先进的硬件条件。

关键词：给水排水科学与工程；热水系统；实验装置

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）19-0278-02

根据合肥工业大学本科“给水排水科学与工程”专业新版培养计划和教学大纲要求，学生实践能力、动手能力、创新能力的培养显著加强，实践、实验环节学时数均有增加。一直以来，各有能力的高校为满足创新和综合设计实验的要求，不断尝试自制实验平台。本研究建立的建筑热水系统实验装置平台将辅助支持本专业教学，保证课程实验的顺利进行。在该平台装置建设之初，项目负责人及相关教师采用文献调研和亲自到相关单位调研两种方式，分析研究了当前建筑给水排水实验平台设置现状，发现目前建筑热水实验装置尚无成套设备，仅有部分建筑给水排水系统实验装置实现热水给水供应，却没有实现建筑热水系统循环方式的模拟，相关参数收集不全面，因此不能很好地形象地进行本科实验和相关的技术参数研究。

伴随我国经济的飞速发展，国民生活水平的显著提高，各种高层、超高层民用住宅、综合写字楼、高级酒店、宾馆等大批涌现，专为高层建筑设计的给水排水技术也在逐步完善。热水供应系统是高层建筑给水排水系统的一个重要组成部分，经济发达地区的很多房地产开发商更是将其作为一个卖点进行宣传，在一些有地热资源的城市，开发商更是对业主承诺在家就能用上温泉水。可见热水供应系统已然成为一个衡量建筑档次的标准。在热水供应系统的普及之下，该系统的薄弱环节存在的一些问题也日益凸显出来。比如，一些开发商对热水供应系统的选择不当，导致其在供水安全性、稳定性上存在问题和隐患，影响居民在使用热水时的舒适度和安全性，等等。因此，必须加强对热水供应系统的优化设计研究，热水供应系统应向着更高效、更节能、更智能的方向发展。

建立建筑给水排水本科教学创新实验平台——热水系统实验装置可用于给水排水科学与工程本科专业必修课《建筑给水排水工程》等相关课程和实践教学环节以及创新性、设计性、综合性实验中，同时，该装置也可为本科生综合创新实践和其他课外创新活动提供实验平台，弥补实验室建筑给水排水实验设备不足的现状，该装置面向给水排水科学与工程专业本科生和市政工程专业研究生，此平台的搭建既可为教学环节开展综合性、设计性实验，也可应用到认识、生产实习和创新实验等实践活动环节中，还可为相关老师、研究生开展热水流量等研究提供实验平台，进一步能够解决诸如建筑热水循环管网的流量分配计算或者分析高层建筑热水供应系统的故障根源等若干细节问题，为建筑热水系统的实际应用做出贡献。

一、装置的创新点

1.给水方式和循环方式切换。该装置设置了52个电磁阀，通过控制相应的电磁阀，可对上行下给和下行上给两种供水方式进行切换，回水管网可实现干管循环和支管循环两种不同循环方式间的切换。

2.自动控制与监测。该装置设置了2个电磁流量计、7个压力传感器和4个温度传感器，可对主要参数压力、流量、温度实现全自动监测。

3.模拟运行与实际相接近。该装置总长20余米，高近7米，各配水点之间的距离与实际非常接近，很好地模拟了热水系统工作状况时的出流状态。

4.实验演示与科学研究相结合。该装置既能模拟热水的制备、贮存、输送、循环使用等过程进行实验演示，还能对热水系统技术参数、计算公式等进行科学研究。

二、实验装置的研制方案

建筑热水系统实验装置主要由贮水设备、增压设备、加热设备、配水管网、回水管网、控制系统和阀门附件等组成，如图一所示。

（一）贮水设备

水箱是最常用的贮水设备，该装置设置了一个长、宽、高分别为1.2m的、不锈钢板焊接而成的贮水箱，该水箱可用来贮存冷水和回收热水，热水从水龙头放出后经排水管道收集回该水箱中。水箱设置进水管、出水管和泄水管。

（二）增压设备

给水系统中常用的增压设备有水泵和气压罐。其中水泵是最常用的增压设备。且热水系统中需要设置循环水泵来促进热水在管道中的循环流动，循环水泵常采用管道离心泵。该装置设置水泵为增压设备，根据压力及水头损失计算，最终给水水泵选取某型号变频水泵，流量为5.6m3/h，扬程为16m，功率为0.75kW。循环水泵选取某型号管道泵，流量4m3/h，扬程15m，功率0.55KW。

（三）加热设备

局部热水系统有燃气热水器、电热水器、太阳能热水器等加热设备，对于集中热水供应系统，常见的加热设备是热水锅炉、水加热器、加热水箱等。该装置中的加热设备选用某品牌储水式电热水器，三台并联使用。该热水器由电脑智能控制，可储水80L，同时可用遥控器进行远距离控制，热水器设有半胆加热、整胆加热、全速增容等工作方式，半胆加热功率为1000W，温度升高1℃所需时间约为4.8min；整胆加热功率为2000W，温度升高1℃需要的时间约为2.4min；全速增容功率为3000W，温度升高1℃需要的时间约为1.6min。

（四）配水管网

配水管网是将被加热到一定温度的热水从水加热器配送至各个配水点，按水平干管的敷设位置可分为：上行下给、中分式以及下行上给三种形式。本装置中，可通过对电磁阀的控制，自由切换上行下给和下行上给两种不同的供水方式。干管设在顶层天花板下、吊顶内或技术夹层中的上行下给式适用于设置高位水箱的居住与公共建筑和地下管线较多的工业厂房。干管埋地、设在底层或地下室中的下行上给式适用于利用室外给水管网水压直接供水的工业与民用建筑。

（五）回水管网

为了保证各用水点随时都能放出指定温度的热水，在立管、水平干管甚至支管设置回水管，热水经过回水管网流回至加热器，此設置可以补充管网所散失的热量。按照设置回水管网的方式不同，可分为全循环、半循环和无循环三种方式。由于该装置的配水管网采用的是上行下给和下行上给这两种不同供水方式间进行切换，回水管网也必须通过对电磁阀的控制实现相应的变换，故对于下行上给方式，回水管采用全循环方式，对于上行下给方式，回水管采用立管循环方式，且本装置采用的是机械循环方式，在回水干管上设置一个管道循环泵。

（六）阀门、仪表、附件

1.阀门。建筑热水系统实验平台装置体积较大，装置中所需阀门较多，为了提高实验的可操作性，该实验装置中共安装了52个电磁阀来控制相应阀门的开关。冷水加热后会产生水蒸气，水蒸气聚集在管内则会影响装置的使用，针对此现象，装置在最顶端设置了2个DN25的自动排气阀，用来排除管内水蒸气。同时在装置的最低端设置了一个泄空阀以便在试验结束后及时排空装置中的水，以免对装置的使用寿命造成影响。

2.仪表。该实验装置中设置了4个温度传感器、2台电磁流量计和7个压力传感器用来测量和记录水温、水头损失、配水流量及循环流量等相关物理量。温度传感器的量程为0—80℃，用来监测热水水箱出水、最不利点及回水温度。电磁流量计设置于配水干管和回水干管上，用来测量配水流量和循环流量，流量计量程为0—5L/s，适用温度为0—80℃。压力传感器用来测量水泵出口、各立管最高处、最不利点处和循环水泵进水管处的压力，计算水头损失，量程为0—0.6MPa，适用温度为0—80℃。

3.附件。装置中在热水箱的出水口处设置了管道过滤器，用来过滤水中的杂质，以免影响电磁阀的使用效果；在水泵的进水和出水管上均设置了橡胶可曲柔性接头，以防止水泵运行时产生的振动对管道及装置造成不利影响；在装置的回水管道上设置了膨胀水罐，以免出现安全隐患。

（七）控制系统

为实现自动控制和记录，装置中共设置了4个控制箱和1个控制柜，用来控制电磁阀、水泵等设备的开闭，记录并保存温度、流量、压力等物理量，可以实时显示该系统的压力，温度，流量等信息。

三、实验装置的特性

针对目前实验教学中存在建筑给水排水实验装置不足的问题，开发研制建筑热水系统实验平台，为学生提供了一套具有创新性、设计性和综合性的实验装置，为课程实践、认识实习和科研创新提供了先进的硬件设施，为学生的课程学习和实践学习创造了良好的实验环境。

（一）实验装置的灵活操作性

通过电磁阀的设置，实现了实验装置较高的灵活性和综合性。根据给水方式的不同，可对上行下给和下行上给两种不同的供水方式进行切换，同时回水管网可实现干管循环和支管循环两种循环方式的切换。另外，装置配制自动控制与监测系统，可对主要参数实现全自动监测。该实验装置平台合理并充分地利用了有限空间，同时综合考虑其他因素，具备较高的灵活性和综合性，可用于学生的创新性、设计性和综合性实验及师生科研工作，能较好地服务于教学实践和科研活动。

（二）实验装置的经济实用性

在使用中可根据实际运行的不同情况采用不同的控制条件，同时，自动控制的实现大大地提高了工作效率。此装置所使用的配件方便可得，普通市场即可购买齐全，所需成本较低。该装置又很好地模拟了实际生活中建筑热水系统的运行过程，研究成果为学生的实践教学提供了有益的理论指导。如此一来，既满足了实验需求，又为项目节省了资金，一举两得，经济实用。

（三）实验装置的先进性

该建筑热水系统实验平台的建设规模接近实际，不仅可实现两种不同供水方式间的切换，回水管网还可实现两种不同循环方式的切换。另外，装置可实现对主要参数的全自动监测，实时显示系统的压力、温度、流量等信息，可以用来模拟热水的制备、贮存、输送、循环使用等过程，还可以通过对水头损失、循环流量、配水流量等参数的记录进行实验研究，为建筑热水系统的设计应用提供了理论指导，具有创新性和先进性。

（四）实验装置的多功能性

建筑热水系统实验装置可用于建筑热水系统运行过程工艺参数确定及相关技术与理论研究等方面。不仅可用于“建筑给水排水工程”理论课程学习，同时适用于学生设计性、创新性和综合性实验，还可以作为校内实习基地的一部分，用于学生的生产实习、认识实习等实践环节，以及建筑给水排水系统相关的科学研究。

四、结束语

建筑热水供应系统作为当今社会建筑给水排水的主要系统之一，已经被广泛地应用于酒店、宾馆、高层住宅、公寓等场所，建筑热水系统实验平台装置的研制可用于模拟热水的制备、贮存、输送、循环使用等过程，可对水头损失、配水流量、循环流量等参数进行实验研究。通过控制系统可以实现对所有阀门的自动控制，以及流量、压力、温度等物理参数的自动记录和保存，为相关教学实践活动和科学研究提供了有力支撑。

参考文献：

[1]徐玮榕，耿婧婷，余育速，许仁杰，邹海星，徐得潜.建筑内部热水供应系统模型制作[J].安徽建筑，2016，（2）：230-231.

[2]苏馈足，徐得潜，王伟，颜存奎.厌氧-好氧废水生物处理实验平台的开发与研制[J].实验科学与技术，2014，12（2）.

[3]赵锂.住宅建筑热水系统的设计[J].给水排水，2005，31（3）：72-75.

[4]王晓丽.高层建筑热水系统优化设计研究[D].重庆：重庆大学，2006.

Building Water Supply and Drainage Undergraduate Teaching Innovation Experimental Platform

—Development of Experimental Platform for the Building Hot-water System

WANG Yu-Lan，SU Kui-Zu，WANG Wen-Jing，DONG Fang，XU Wei-Rong，HU Zhen-Hu，XU De-Qian*

（School of civil Engineering，Hefei University of Technology，Anhui，Hefei 230009，China）

Abstract：A hot water system exp