关于建筑热水系统的优化设计研究与分析

龙海

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京210014）

为满足用户对热水的使用需要，建筑在给排水系统设计中加入了热水系统。从目前实际的情况来看，由于热水系统的设计欠缺合理性，致使大量的水资源白白浪费，与节约用水的理念相违背。为了解决这一问题，应当采取合理可行的方法和措施，对建筑热水系统进行优化设计，从而提高热水系统的性能，实现节水、节能的目标。

1 建筑热水系统优化设计目标

高层建筑中，常见的热水供应系统包括以下两大类：一类是开式，另一类是闭式，其中开式又可细分为上行下给、下行上给等；闭式除了上行下给和下行上给之外，还有集中并联，无论采用何种方式的热水供应系统，最终的设计目标都是节水、节能。但从实际情况来看，大部分高层建筑的热水系统都存在非常严重的水资源浪费现象，导致这一问题的根本原因是用户开启热水装置后，并不能立即获得温度适中的热水，需要放掉一定的冷水后，水温才会达到使用要求，被放掉的这部分冷水在热水系统中被称为无效冷水，而减小无效冷水是建筑热水系统优化设计的最终目标，也是实现建筑节水的重要举措。

2 建筑热水系统的优化设计方法

2.1 优化设计的依据

在建筑给排水系统的常规设计中，热水系统的循环管道通常采用的布置方式为同程供水系统，该系统的特点是各个配水点的供回水管路长度的和基本相等。在实际工程的设计中，为使热水点经过的路程相同，相同的路程可以保持水温一样，可以采用后进先出、先进后出的方法，由此导致热水管会在建筑的设备夹层内或是各个房建的吊顶中盘绕若干圈。我国现行的GB50015《建筑给排水设计规范》中，对同程给出了具体的解释，对此可作如下理解：与每个配水点相对应的管道内的流体，在管网当中流过的路程相等，即为同程。

从建筑的角度上看，热水系统是一个以并联方式运行的管道系统，假设1 和2 为并联节点，且无流量分出，在两个节点间的管段分配流量为a、b、c，Q 为起始流量。因管道采用的是并联方式，从而使得各个管道的起点和终点为共同，在这个前提条件下，管段的水头损失全部相等，可用下式表示管长和管道单位长度的水头损失：

图1 热水系统的模型示意图

图2 模型中各个节点的水温情况示意图

由上式可对规范中给出的热水同程进行重新定义，即热水通过各管段的水头损失相等，当符合这一条件时，便可将之确定为同程热水系统。

由于热水具有温度高、黏性强等特点，从而使其在管道内流动时，需要克服阻力作用，这样一来热水拥有的机械能便会转化为热能散失，正因如此，使得热水流动时的机械能会不断减少，总水头线则会沿程下降。在能量守恒的前提下，结合伯努利方程可对热水管网进行计算，具体的计算公式如下：

当热水从管网的起始端流出之后，会在一定的时间内到达末端，在这一过程中热水损失的机械能即为水头损失。在建筑热水系统设计时，需要通过计算循环管网的水力，给循环水泵的选择提供依据。通常情况下，热水系统设计时，循环水泵的选择是在配水干管和立管以及回水管的管径全部确定之后进行。在对各个管段内的节点水温进行确定时有两种方法，一种是面积比温降法，另一种是长度比温降法，虽然后者比较简单，但是其误差更大一些，因此，推荐采用第一种方法，即面积比温降法。通过分析可知，控制点的总水头损失最大且压力最小，可将控制点作为起点绘制出一条控制线，其上的点则是水流至下个节点的长度。

2.2 构建热水系统优化模型

在对建筑热水系统的优化模型进行建立的过程中，可以对如下因素进行重点考虑，具体包括：管网非同程、建筑非等高，简而言之就是建筑当中的热水管网存在高低之分，如图1 所示。

为便于研究，可将图1 视作为住宅建筑，每户中的厨房、洗衣间均为一个，卫生间为两个。

2.2.1 水力计算方法

根据相关规范标准的规定要求，在对生活给水管网进行设计时，可以选用的公式有两个，其中一个适用于民用住宅，另一个适用于公共建筑。由于热水与冷水的设计秒流量相同，因此计算公式也相同，即：

上式当中qg表示设计秒流量（单位：L/s）；U 同时出流概率；Ng表示给水当量总数；0.2 为单个用水器具的额定流量（单位：L/s）。建筑内部每个用水器具的给水当量同时出流概率可以用下式进行计算：

在建筑热水系统工程设计中，管径为DN15-20、DN25-40、DN50-70 和DN80 以上的管子，其经济流速分别为0.6-1.0m/s、≤1.2m/s、≤1.5m/s 和≤1.8m/s。据此，可根据热平衡方程，对热水系统中的各个管段的热损失和节点温度进行求解，因热水系统在该阶段并未进行循环，所以无循环流量，这样通过用水点的温度便可获悉温度最低的配水点。

在整个热水系统当中，与管网起始点距离最远的配水点水温最低，因为热水管网内无循环流量，所以可认为在热水系统当中温度最低的配水点为系统最末端。计算管网的循环流量后，便可计算出热水系统各管段的循环流。当热水系统的管道内径、总长度、材质等全部确定后，那么管网运行时产生的热损失将是一个定值。但是，因为热水的流量变化会导致水温发生变化，此时热水系统中各个节点的水温也会随之发生改变。为便于分析，可以假定无用户使用热水，此时的热水系统为散热装置，它的散热量处于恒定状态，循环流量从出口（热水管网的起始端）到进口（管网末端）的温降为固定。通过对热水循环流量进行分配，并对各个节点的温度进行重新计算，能够得出各个管段的热水流量，如图2 所示。

因热水系统当中采用的管道直径、长度以及热水的流速等均为最终定值，通过查询相关资料，能够得到各个管段在不同管径、流量以及流速下的水头损失，可以按照沿程水头损失的25%来计算，由此便可求出热水沿着不同路径达到回水点的水头损失，据此能够找到热水管网当中配水压力最小的点，可将该点作为建筑热水系统的控制点，采用相应的措施对该点进行优化调整，使其与其它管段的水头损失相等，这样便可达到本文所定义的同程，进而确保建筑热水系统的稳定运行。

2.2.2 具体的计算流程

a.以建筑物的具体性质作为前提，对热水管网设计的秒流量及初始温度进行确定，并在布置图中，对管段、节点进行编号，同时对各个管段内的用水器具当量进行标定。

b.对热水管网内的水流放进行拟定，据此对管段的起止点加以确定，借助计算机软件，得出各个管段的配水流量；然后分三次进行迭代，完成管段管径、热损失、温差以及循环流量的确定。

c.对沿程水头损失进行标定，以此作为主要依据，求出不同路径的沿程水头损失，整条路径上的水头损失是沿程的1.25倍。

2.3 热水管网优化设计效果

建筑热水管网的优化设计过程如下：先将初始数值输入到计算机系统当中，按照当量数对管段进行分配，求出起始端流量；根据有关参数求出各个管段的管径、流速、热损失等，最后求出不同的路径的水头损失，据此便可对热水系统进行优化设计。本文提出的这种优化设计方法在某建筑工程中进行应用，按优化后的同程定义对热水管网进行设计，使该建筑的热水系统水头损失得到有效控制，达到节水的目的，并且在热水系统运行过程中的能耗也随之降低。

3 结论

综上所述，建筑热水系统给用户提供了非常大的方便，但由于系统设计时考虑的不够全面，从而导致热水系统投入运行后的能耗比较高，大量的水资源白白浪费。为避免这一问题的发生，应当对建筑热水系统进行优化设计，在降低系统运行能耗同时，减少水资源的浪费。