某高校体育中心热水系统初步设计

刘志国

（太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

某高校体育中心由体育馆、游泳馆、体育场三个子项目组成。其中体育馆地上三层，建筑面积为26744m2，建筑高度32.30m；标准体育场地上两层，建筑面积为6350m2，建筑高度15.560m；游泳馆地上一层，地下一层，建筑高度为14.2m。体育馆、游泳馆、体育场成品字形布置，三个子项目均设置了淋浴室，需要设计热水系统，见图1。

图1 某高校体育中心鸟瞰图

2 各单体建筑热水系统使用特点

由于该项目位于某高校内，体育场及体育馆除偶尔举行重大赛事外，其余时间仅用于学生锻炼及体育教学，使用热水淋浴的频率较低，平时仅为场馆管理人员及教职工提供零洗浴热水，另外体育馆及体育场淋浴室相对分散。

游泳馆后期将承包出去运营，面向社会，使用热水特点为全日制连续使用，另外泳池内热水需要循环加热。

3 根据当地政策及外部条件确定各场馆热源形式

本项目所在地政府强制推行太阳能热水系统，且由于项目所在地市政燃气供应不充足、燃气锅炉使用受限，无全年供热的热力管网。经与建设方商议，最后确定的热源为太阳能、空气源热泵及电辅助。

考虑到体育馆及体育场仅在比赛时开放运动员休息室淋浴，平时体育馆使用过程中并不给学生提供淋浴用水，故不建议使用集中热水系统，而采用用水系统管路尽量短的局部热水系统相对较为合理，减少管路热损失，更有利于节能。该体育中心所在地鼓励使用太阳能热水系统，但体育馆和体育场屋面均为弧形或褶皱行钢结构屋面，屋面设置太阳能集热器安装及后期维修管理困难，运行维护成本高，并不能产生实际的社会经济效益。故本项目体育馆及体育场淋浴器热源最终确定为轻型商用容积式电热水炉，其优点是占地少、管路少、热损失少、运行管理费用低，后期运行维护相对灵活。

游泳馆除泳池池水需要循环加热外，配套的淋浴间也需要全天供应热水。鉴于游泳馆屋面为斜屋面，热水系统为全日制热水供应系统，热水系统热源最终确定为屋面太阳能和室外空气源热泵。

4 多种热源配合使用

关于游泳馆的热水系统最初设置了以下两种方案：

（1）设置一个大的水箱，屋面太阳能热水系统集热、空气源集热、泳池换热、浴室供热水均由该水箱提供。此方案的优点是系统运行相对稳定，浴室用热水为太阳能集热器和空气源热泵直接制备的热水，减少换热次数，提高热效率。缺点是浴室供热水为开式系统，冷热水压力不好平衡；两种低位热源设置在同一水箱中，很难实现合理的控制，太阳能热源得不到充分的利用，见图2。

图2 方案二

图2 方案一

（2）屋面太阳能热水系统只供给浴室使用，采用间接利用方式，热水系统为闭式系统，辅助热源配以空气源热泵；泳池循环加热系统是由空气源热泵配合板式换热器加热供水。此方案的优点是系统运行稳定，浴室冷热水压力平衡；太阳能热源与空气源热泵分别设置在两个半容积式换热器中，可充分利用太阳热水系统热源。缺点是常规空气源热泵热源最高出水温度为55℃左右，做为浴室闭式热水系统热媒换热效率并不高，见图3。

经过比选，本项目最后选择方案二，由于泳池循环加热仅采用空气源热泵间接换热方式，加热系统相对简单，下文仅对游泳馆浴室热水系统设计进行进一步探讨。

5 太阳能热水系统半容积式换热器容积及换热面积计算

由于太阳能为不保证热源，屋面太阳能集热器按照平均日用水定额确定即可。经计算后确定屋面太阳能集热器面积为300m2，本工程太阳能集热系统半容积式换热器可根据《建筑给水排水设计标准》6.6.5.1条确定，换热面积根据公式6.5.7计算。换热面积要能保证把太阳能集热器一天中太阳能辐照量最大小时的集热量及时换出去。查阅相关文献，一天中最大及最小太阳能辐照量比值约为1.5～1.8，带入相关数据可得每百平米太阳能集热器用容积式换热器换热的话需要7～10m2。由于计算过程中涉及各参数取值，就不再一一赘述了。确定容积式换热器容积及换热面积等关键参数后就可对容积式换热器进行选型。

6 供热量和储热量之间的关系

热水系统设计中供热量和储热量之间的关系是此消彼长的，举个更直观但不一定很恰当的例子就是大锅小火和小火大锅的关系。火（供热量）大，则锅（储热量）小点也可满足用户使用要求；火（供热量）小，则锅（储热量）大点亦可满足用户使用要求，但火（供热量）再小也不能比平均小时耗热量还小。

游泳馆热水系统为太阳能热水系统半容积式换热器出水后串联采用空气源热泵为热源的半容积式换热器，前面已经讨论了太阳能集热器和采用太阳能热源的半容积式换热器的选型。以下就空气源热泵和配套半容积式换热器的选型进行简单论述。由于太阳能热源为不保证热源，辅助热源要按照全部热负荷选取。一般情况下加热设备的初投资和后期维护管理费用比储热设备大，故为了减少工程投资，空气源热泵供热量最小可按照平均小时耗热量计算。为了满足空气源热泵供热量能按照平均小时耗热量计算，就必须要将设计小时耗热量持续时间段内的全部耗热量都储存下来。故系统内储水量就要按照2～4倍最大小时热水量选取，所以空气源热泵系统配套的半容积式换热器的有效容积为：

其中：V空-空气源热泵配套换热器有效容积；V太-太阳能热水系统配套换热器有效容积；qrh-最大小时热水量。空气源热泵配套的换热器换热面积计算方法同太阳热水系统。

7 热水系统设计中一些其他设备

为保证加热效果及用水侧使用舒适性，该热水系统中热媒侧及热水侧均设置了循环泵。太阳能集热器循环泵、空气源集热循环泵应按照《建筑给水排水设计标准》6.6.5.5条及6.6.7.3条选取及计算，热水侧循环泵应按照6.7.10条选取及计算。热水系统设计中还有一些膨胀管等设备，本文中就不一一展开论述了。

8 结语

由于热源种类多、热水系统形式多样（开式或闭式）、热水加热方式多等原因，从而使热水系统的设计千变万化。在遇到热水系统的设计时，我们不应该按照固定的模式复制，而应该对热水使用特点、热源条件等情况综合分析，最终选择适用于该工程的热水系统。本文只是简单介绍了某高校体育中心热水系统初步设计的过程，其中还有诸多热水系统设计中需要注意的细节未提及，在后期施工图设计中会进一步深化并完善设计，以达到用水舒适、节能的目的。