学校建筑集中热水供应系统方案探讨

学校建筑集中热水供应系统是该类型建筑给排水设计的核心内容。从热源型式的选择、锅炉房及热水机房位置的确定、热水系统及循环系统的设计、室外热水管网的敷设及各种常见系统的优缺点等方面，详细进行了分析、对比和探讨。

学校建筑； 热源型式； 热水机房位置； 热水循环方式； 室外热水管道的敷设

TU822+.1 A

［定稿日期］2022-05-18

［作者简介］杨槐（1975—），男，本科，高级工程师，从事建筑给排水设计及技术管理工作。

学校建筑的集中热水供应系统是该类型建筑给排水设计中难度最大的部分。不同的热源型式、不同的机房位置、开式系统和闭式系统的选择、不同的系统管网循环方式等方面都有很大的研究价值，会给整个系统的运行、造价、绿建节能等方面带来很大的影响。本文从这几个角度进行了详细分析对比，并得出了相关关键性结论。

1 学校建筑热水供应系统的特点

（1）各用水点热水用时特点不同，浴室、学生宿舍、体育馆及游泳馆、风雨操场等属于定时热水供应系统，用水集中，应根据定时集中热水卫生器具数计算设计热负荷;教师宿舍和食堂属于24 h热水供水，可按热水小时变化系数法计算热负荷。

（2）由于供热楼栋及部位分散，供热距离较远，会面临多栋建筑集中热水系统的统一设置及热水循环问题。

（3）室外热水管道的敷设问题需要特别关注。

（4）太阳能、空气源热泵、燃油燃气热水锅炉、电加热等多热源的综合利用及绿色节能要求的配合设计导致系统的复杂。

（5） 由于学校建筑热水需要量大，储水量较大，使用开式系统、屋顶设置开式热水箱的情况较多，往往需要考虑重力供水和加压供水区域，增加了供水系统的复杂性。

（6）热水循环系统较多，包括热媒循环系统、加热循环系统、供热循环系统等。

2 学校建筑热水供应系统热源的选择

2.1 燃油燃气热水锅炉

燃油燃气常压热水锅炉是指鍋炉本体开孔或者用联通管与大气相通，在任何情况下锅炉本体顶部表压为零的锅炉，均为开式锅炉，分为直接式和间接式。直接式锅炉是指直接加热炉膛内的水，直接利用炉膛内的水作为热媒水使用，热媒水温度可达70～95 ℃。直接式锅炉不承压，属于开式。间接式锅炉在直接式锅炉的基础上加入换热盘管，被加热水通过换热盘管与锅炉炉膛内的水进行热交换。间接式锅炉盘管内的水可以作为热媒水，也可以作为生活热水直接使用。作为生活热水使用时，盘管内的水温度可达55～60 ℃。由于换热盘管的存在，盘管可以承压1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa，以适应各种闭式热水供应系统的要求。由于存在热交换，间接式锅炉的热效率略低于直接式锅炉。一台间接式燃油燃气热水锅炉可以配置最多3组盘管，根据每组盘管的换热面积来分配其各供热分区需要的热负荷。燃油燃气热水锅炉需考虑排污降温设施。真空锅炉是间接式锅炉的一种，利用真空环境下盘管外被加热的水蒸气凝结释放潜热来加热盘管内的水。由于真空环境下水的沸点低于100 ℃，故真空锅炉盘管内的水温度会比较低，一般最多可达80～90 ℃。真空锅炉随着使用时间的增加，真空度可能降低，导致热效率降低。真空锅炉无须考虑排污问题，不用考虑降温设施。燃气价格便宜，经济性好，使用普遍。燃气锅炉的缺点是需要考虑泄爆问题。燃油或燃气锅炉不应布置在人员密集场所的上一层、下一层或贴邻; 燃油或燃气锅炉房应设置在首层或地下1层的靠外墙部位，但常（负）压燃油或燃气锅炉可设置在地下2层或屋顶上。设置在屋顶上的常（负）压燃气锅炉，距离通向屋面的安全出口不应小于6 m。采用相对密度（与空气密度的比值）不小于0.75的可燃气体为燃料的锅炉，不得设置在地下或半地下。锅炉房的疏散门均应直通室外或安全出口。锅炉房不能设置在主要通道、疏散口的两旁。住宅建筑物内，不宜设置锅炉房。锅炉房的外墙、楼地面或屋面应有相应的防爆措施，并应有相当于锅炉间占地面积10%的泄压面积，泄压方向不得朝向人员聚集的场所、房间和人行通道，泄压处也不得与这些地方相邻。地下锅炉房采用竖井泄爆方式时，竖井的净横断面积应满足泄压面积的要求。锅炉应考虑排烟使用的烟管及烟道问题。

一般情况下不选用燃油锅炉，采用燃气热水锅炉，燃气锅炉房不选择设置在屋顶。

2.2 容积式燃气热水机组

国家标准图集《生活热水加热机组》20S121中，单台功率小于100 kW，最大水容积小于500 L的不认为是锅炉。国家标准GB 18111-2021《燃气容积式热水器》适用于额定热负荷小于100 kW，额定容积小于500 L的容积式燃气热水器。

容积式燃气热水机组又称燃气容积式热水器、大炮弹。由于其不属于锅炉，在设备机房的选择上具有更大的灵活性，无须考虑泄爆口，但是需考虑排烟问题。

2.3 空气源热泵

空气源热泵分常温型、低温型（-15 ℃）和超低温型（-30 ℃），低温型和超低温型价格更高，但是后者在环境温度较低时，COP值比常温型高。循环式热水机是一套先将自来水注入保温水箱，再经过机组将水箱中的水循环加热至设定温度的系统。一般空气源热泵出热水的温度最高为55 ℃，如果不能满足末端水温要求，需增加电加热器。

由于冬季空气源热泵机组COP值降低，为减少初期设备台数，可以适当辅助电加热系统，但是应进行经济合理性比较。空气源热泵+辅助电加热系统满足GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》第5.3.1条规定：集中热水供应系统的热源，宜利用余热、废热、可再生能源或空气源热泵作为热水供应热源。当最高日生活热水量大于5 m3时，除电力管理鼓励用电，且利用谷电加热的情况外，不应采用直接电加热热源作为集中热水供应系统的热源。

空气源热泵的COP值跟环境温度、进水温度、出水温度有关系。环境温度越高、进水温度越低、出水温度越低均可以导致COP值增加。采用空气源热泵系统时应当考虑最冷月冬季平均气温并结合空气源热泵的COP值综合考虑设备选型，必要时应选用低温型和超低温型空气源热泵机组。

从绿色建筑方面，空气源热泵与太阳能经常搭配使用，以达到节约能源的目的。为节约初期投资，可以考虑在春、夏、秋季采用空气源热泵系统，在冬季辅以电加热。承压型空气源热泵机组一般可承压1.0 MPa。

2.4 太阳能

太阳能集热器分为真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器。真空管型太阳能集热器分为全玻璃真空管型、玻璃-金属结构真空管型和热管式真空管型太阳能集热器，全玻璃真空管型太阳能集热器工作压力为0.05 MPa，平板型太阳能集热器和玻璃-金属结构真空管型太阳能集热器工作压力为0.6 MPa。太阳能热水系统分为直接系统和间接系统， 该系统设计可以参考国家标准图集《太阳能集中热水系统选用及安装》15S128。太阳能热水系统可以跟电热水机组、空气源热泵合并设置系统。太阳能热水系统应采用防冻、防结露、防过热、防电击、防雷、抗雹、抗风、抗震等技术措施。

2.5 电锅炉及电热水机组

电锅炉及电热水机组不得单独作为集中热水供应系统的热源，但是可以与空气源热泵或太阳能集热系统联合供热，不违反GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》第5.3.1条的规定。

3 学校建筑热水供应系统相关计算问题

3.1 热水循环泵的计算

3.1.1 热水锅炉与供热闭式热水罐、供热开式热水箱之间的循环

循环泵流量按最大小时耗热量的1.5～2.0倍设计（折算成供水温度机组热水产水量）。

3.1.2 热水回水管网的循环

全日集中热水供应系统的热水循环流量一般控制为最大小时热水供水量的0.10～0.15。定时集中热水供应系统的热水循环流量可按循环管网总水容积的2～4倍计算。循环管网总水容积包括配水管、回水管的总容积，不包括不循环管网、水加热器或贮热水设施的容积。全日集中热水供应系统的循环水泵在泵前回水总管上应设温度传感器，由温度控制开停。定时热水供应系统的循环水泵宜手动控制，或定时自动控制。

3.1.3 热水热媒循环系统

循环泵流量按最大小时耗热量的1.5～2.0倍设计（热媒的供回水温差为20 ℃计算热媒循环热水量）。

3.1.4 热水循环及管网布置的其他相关问题

（1）集中热水供应系统为减少分区数量，市政水压直供高度范围内的热水供水范围也可以采用跟冷水合用的闭式变频供水，其余非集中热水供水范围内的冷水区采用市政直供，不属于市政水压未充分利用的界定情况。

（2）开式系统的热水加热循环泵、热水供热管网循环泵、热水供水泵应分开设置。如果三泵合一， 在热水供水过程中，热水加热循环、热水供热管网循环同时运行的话，会导致供水泵压力下降，不能满足用水点压力的情况。故这3种泵在热水开式系统中要分开设置，不能合用，以免影响供水压力。

（3）为保证循环效果，减少运行调试困难，减少检修影响范围，不建议采用区域统一的热水供水管网和热水回水循环管网系统。建议每栋宿舍楼单独设置供热管网及循环管网，单独设置加热循环泵及供热管网循环泵。

3.2 电加热器数量及功率的计算

3.2.1 电加热与太阳能热水系统合用时

电加热器的功率应满足没有太阳能集热系统情况下所需要的热负荷要求。电加热器应对供热水箱中的水进行循环加热。电加热器数量建议不少于2台。

3.2.2 电加热器与空气源热泵热水系统合用时

电加热器的功率应满足空气源热泵系统供热不足部分所需要的热负荷要求。电加热器对供热水箱中的水进行循环加热。一般可以考虑仅在冬季采用辅助电加热，春、夏、秋季只运行空气源热泵，以节约空气源热泵的数量和初期投资。辅助电加热的功率及空气源热泵的台数及功率的确定应根据冬季室外温度及产品的COP参数值综合确定，应通过经济技术及长期运行费用综合比较确定。电辅助加热功率越大，空气源热泵的台数及功率越少，初期投资越低，但是长期运行费用越高。相反，电辅助加热功率越小，空气源热泵的台数及功率越大，初期投资越高，但是长期运行费用越低。电加热器数量建议不少于2台。

3.3 热水锅炉、热水机组（单台功率小于100 kW）数量及型号的计算

燃油燃气热水锅炉一般根据楼栋运行组合搭配情况考虑多工况的运行时间，进而考虑锅炉的选型搭配使用，以提高热效率。一般至少选用2台，单台不小于整个热负荷的70%，以便检修锅炉时不过多影响使用。热水机组（单台功率小于100 kW）的选型应根据热负荷和储水容积综合考虑，一般考虑多台并联运行使用，备用最大一台热水机组，以便检修时不影响正常运行。热水机组（单台功率小于100 kW）的选型应考虑储水总容积是否满足储水要求，如果不满足，应另外单独配置储水罐。

4 学校建筑集中热水供应系统典型方案

4.1 方案一：区域集中闭式热水系统

热水锅炉采用间接式燃气热水锅炉，热水锅炉及开式热水箱均集中位于地下室，冷热水均采用变频给水系统供水，冷热水变频泵出口压力设定值相等，热水管网为闭式系统，设置管网末端循环泵，循环泵出口设置闭式膨胀罐。各楼栋供水管网及管网末端热水循环泵均独立设置。开式热水箱跟燃气热水锅炉之间设置热水循环泵。生活热水通过锅炉中的盘管间接加热，盘管热水出水温度60 ℃；热媒水直接使用炉膛内的水，温度90 ℃。为避免相互影响，定时热水供应部分的热水变频供水机组应单独设置。

该方案特点：属于闭式系统，初期投资造价低，设备机房集中，机房面积小，热水供水管网循环系统复杂，室外需敷设热水管道，运行管理簡单。热水供水泵、供水管网、热水管网末端循环泵分楼栋设置，易调试，运行可靠。锅炉应有备用，锅炉房位于地下室，需考虑泄爆口位置，锅炉需考虑排烟问题。该方案适用于地下室有面积设置燃气热水锅炉房、开式储热水箱及热水循环泵且供热半径不是很大的情况。

4.2 方案二：集中制热分散储热开式热水供应系统

热水锅炉采用间接式燃气热水锅炉，热水锅炉集中位于地下室，开式热水箱位于各楼栋屋顶。开式热水箱跟燃气热水锅炉之间设置热水循环泵。生活热水通过锅炉中的盘管间接加热，盘管热水出水温度60 ℃，一台锅炉可设置最多3套盘管，每套盘管对应一栋宿舍，每套盘管的换热面积对应其所需热负荷。该系统也可以采用板换外置的方式进行设计，多套板换可对应多栋宿舍，板换与锅炉间需设置热媒水循环水泵。冷水给水系统在屋顶设置与热水箱同标高的冷水箱，冷水箱的有效容积按0.5 h最大时冷水用水量计算。对于水压能满足要求的楼层采用重力流供水，其余楼层采用变频给水系统，冷热水分别设置变频给水泵组。冷水及热水系统的供水方式及管网布置完全一致。需单独设置锅炉与开式热水箱之间的循环泵及热水供水管网的循环泵，每栋楼的循环泵均独立设置。

该方案特点：属于开式系统，系统较复杂，调试较困难，设备机房分散，机房总面积大，初期投资高。屋顶需设置冷水及热水供水泵、供水管网热水循环泵，产生振动及噪音。所有水泵应考虑防雨措施。热水供水管网复杂，分为直供区和加压区，循环系统复杂，运行不稳定。室外需埋地敷设热水循环管道，热水循环管网长，热损失大，锅炉需考虑备用。室外热水循环管网检修影响小，只会影响单栋宿舍，开式水箱热损失大。该方案适用于定时供水数量较大、水箱容积较大地下室无法设置热水箱的情况。锅炉房位于地下室，需考虑泄爆口，同时锅炉需要考虑排烟问题。

4.3 方案三：分散式太阳能预热加电辅热热水供水系统

在太阳能丰富的地区，可以采用太阳能集热系统，并设置电辅热。每栋宿舍屋顶设置一套太阳能集热系统及一个电热水锅炉房，在锅炉房内部设置电热水锅炉。每个屋顶设置预热开式热水箱或是预热闭式热水罐，构成太阳能预热系统。每个屋顶设置开式热水供水箱或闭式热水供水罐。电热水锅炉循环加热开式热水供水箱或闭式热水供水罐的热水至需要的温度。热水系统的冷水补水直接进入集热水箱或集热水罐。太阳能集热水箱或集热水罐的容积、集热板的数量、集热系统的循环按照太阳能集热系统的要求计算。电热水锅炉与开式热水供水水箱或闭式热水供水水罐之间设置热水循环泵。锅炉房下方不得是人员密集场所，宿舍属于人员密集场所，故锅炉房设置在屋顶时，必须考虑夹层，或是在其下层的房间必须是非人员密集场所。开式系统屋顶冷、热水箱及系统供水、循环设置要求同方案二。当采用闭式系统时，屋顶无需设置冷水箱。采用开式系统时，集热系统及供热系统均为开式系统，设置开式集热水箱及开式供热水箱。采用闭式系统时，集热系统及供热系统均为闭式系统，设置闭式集热水罐及闭式供热水罐。

该方案特点：在太阳能丰富的地区，政府会要求利用太阳能来节约能源。供水系统可以选择采用开式或闭式系统。由于需考虑阴雨天的热水供水问题，电锅炉的设计功率必须满足没有太阳能的情况下的最大热负荷，设计功率极大。由于每栋楼都分散设置太阳能集热系统、电锅炉房、集热开式热水箱或闭式热水罐、供热开式热水箱或闭式热水罐，造成初期投资极高，设备机房分散，机房总面积大，屋顶太阳能集热板占用屋顶面积极大。屋顶需设置太阳能集热循环泵、热水供水泵及热水管网循环泵，开式系统还需要设置冷水供水泵，产生振动及噪音，同时需考虑防雨措施。热水管网分集热管网和供热管网，供热管网分为直供区和加压区，系统复杂。室外无需埋地敷设热水管道，系统运行管理复杂，工作量大。锅炉检修或室内管网检修，只会影响单栋宿舍。开式水箱热损失大。该方案适用于政府或甲方有要求的太阳能丰富的地区，同时最高电负荷要求能得到满足、没有燃气热源供应的项目。

4.4 方案四：分散式空气源热泵加电辅热热水供水系统（开式或闭式）

对于有绿建要求的项目可以采用空气源热泵系统，并设置电辅热。每栋宿舍屋顶设置一套空气源热泵系统及一个电热水锅炉房，在锅炉房内部设置电热水锅炉。为节约初期投资，可以考虑在春、夏、秋季采用空气源热泵系统，在冬季辅以电辅热。由于空气源热泵的供水温度偏低，如果要求较高的供水温度，需要设置电辅热。在每个屋顶设置开式热水供热水箱或闭式热水罐，同时进行空气源热泵加热循环和电热水锅炉加热循环。热水系统的冷水补水直接进入供热水箱或水罐。空气源热泵的数量及型号按照春、夏、秋3季的最大热负荷计算。空气源热泵与供热水箱或供热水罐间的循环按照空气源热泵系统的要求计算。锅炉房及系统供水设置要求同方案三。

该方案特点：有绿建和节能要求的建筑，空气源热泵是个不错的选择。供水系统可以采用开式或闭式系统，电锅炉的设计功率必须满足冬季空气源热泵不能满足的那部分熱负荷。由于每栋楼都分散设置空气源热泵系统、电锅炉房、开式热水箱或闭式热水罐，造成初期投资高，设备机房分散，机房总面积大。屋顶需设置空气源热泵系统循环泵、热水供水变频泵及热水管网循环泵，开式系统还可能设置冷水供水变频泵，产生振动及噪音，同时应考虑防雨措施。供热管网系统及循环系统复杂。室外无需埋地敷设热水管道，运行管理复杂，工作量大。锅炉检修或室内管网检修，对系统影响小，只会影响单栋宿舍，供水安全性高。开式水箱热损失大。该方案适用于政府有绿建要求、对节能要求高、没有燃气热源供应的建筑。

4.5 方案五：分散式闭式热水机组供水系统

教师宿舍、留学生宿舍等规模不大、床位数不多的集体宿舍，当供水要求较高时，可以采用燃气闭式热水机组，俗称“大炮弹”，每台机组功率小于100 kW，单台最大水容积小于500 L，承压1.0 MPa。每台机组自带储热水容积，可根据设备选型。每台机组达到设定温度才会出热水。一般情况需多台并联运行，总容积需达到系统所需的调节容积。由于机组的功率受限制，一般不适用于大规模定时热水供水系统，以免造成初期投资过大。分散式闭式热水机组供水系统，可以按楼栋将热水机组统一设置在每个屋顶，采用集中热水系统；也可以按楼层分散设置热水机房，每层或每几层设置一套集中热水供应系统及一个热水机房。由于热水机组不属于锅炉，热水机房的位置没有特别要求，可以毗邻学生宿舍，也可位于学生宿舍的上方，但是需考虑燃气热水机组排烟的问题。热水机组有室外型和室内型2种，可以露天设置在室外或是设置在机房内。热水供水管网循环泵设置在屋顶时，应考虑防雨和抗振动措施。热水机组自带部分储水容积，当多个热水机组的储水总容积能满足规范要求时，可以不再单独配置储水罐。否则，容积不够部分应加配储水罐。该方案仅适用于个别楼栋或局部楼层高标准供热、锅炉房设置困难的局部场所或局部改造项目，例如：留学生宿舍、教师宿舍、食堂、浴室、体育馆、风雨操场等处，造价高。

5 室外热水管线的敷设问题

室外热水管线的敷设分为热力管沟和保温管直埋2种方式。室外热水管道采用热力管沟的敷设方式对于热损失来说比直埋管小，不会出现埋地管保温层接头漏水进去的问题。但是热力管沟造价较高，会增加初期投资。同时，热力管沟会占用室外空间，需考虑管沟排水问题，通常考虑在室外集中设置几处集水坑来提升排除沟内集水，沟底找坡排水至集水坑。高密度聚乙烯外防护管聚氨酯发泡预制直埋保温复合塑料管是由外防护管、保温层、工作管组成。外防护管为高密度聚乙烯管材，保温层为聚氨酯硬质泡沫塑料，工作管为PERTII耐热聚乙烯管道、聚丁烯PB管、氯化聚氯乙烯CPVC管、无规共聚聚丙烯PPR管等。参见中华人民共和国行业标准CJ/T 480-2015《高密度聚乙烯外防护管聚氨酯发泡预制直埋保温复合塑料管》。

6 结束语

学校建筑集中热水系统方案远不止这几种类型，但是无论哪种类型，均不能逃离热源的选择、机房位置的确定、开式及闭式系统的选择、管网系统不同的循环方式等几个方面。只有在结合政府部门的绿建要求、当地可获取热源的型式、建筑机房位置的可选择性等几个方面来对比分析，方可得出正确的结论。