从运行管理和制水成本角度考虑, 住宅小区的生活热水系统大多采用分散式, 在住宅套内设置燃气热水器或电加热热水器, 按有关要求需要设置太阳能热水系统的也大多每栋或每个单元设置一套热水系统。但有些高档住宅小区从提高住宅品质、增加住户使用舒适度角度考虑采用集中热水系统。本文就姑苏金茂府集中生活热水系统的设计进行介绍, 并结合运行情况总结了住宅小区生活热水系统的经验及不足。

姑苏金茂府位于苏州古城区内, 是一个高档住宅小区, 机电系统采用了全空调新风系统、全采暖系统和全集中热水系统。小区共有18层以上高层住宅13栋, 总户数1 450户, 设计总人数5 075人, 分两期开发, 热水系统也分两期设计。一期:3#、5~8#楼, 其中8#楼地下室设有小区会所;二期:9~16#楼。总平面详见图1。为了节约建筑面积、方便运行管理, 并减少热水管网管道长度、降低热量损失, 热水机房设在小区中心位置, 热水机房内锅炉设备及热水储水罐均为共用, 同时为保证热水循环效果, 两期的热水管网和循环泵各自独立设置、独立运行。热水系统为闭式系统, 机械循环, 为了保证冷热水压力平衡, 热水分区和冷水分区一致, 各冷热水分区共用一套冷水变频供水泵。小区冷热水系统各分5个分区:直供区 (1~3层) 、低区 (4~10层) 、中I区 (11~17层) 、中Ⅱ区 (18~24层) 、高区 (25~30层) 。

生活热水系统以暖通专业的地源热泵系统的废热作为热源, 以真空燃气锅炉作为辅助热源, 热水机房内设置3台真空燃气锅炉, 总供热量为6 279kW, 其中2台锅炉分为三回路, 每台供热量为1 745kW, 另一台锅炉为四回路, 供热量为2 093kW, 热水储水罐各分区独立设置。在保证暖通专业供热需求的前提下, 生活热水热源的运行方式一年四季各有不同。本项目的地源热泵运行共有5种模式:制冷, 热回收, 制冷+热回收, 制热, 制热加热水, 本次生活热水用到的主要有2种模式:夏天为制冷+热回收模式, 春秋季节为制热模式。冬天的制热加热水模式, 由于冬天可利用的热量不多, 系统相对复杂, 所以本次设计生活热水并采利用此种模式。

夏季时, 暖通专业的3台全热回收型地源热泵机组提供空调冷源, 回收的废热作为生活热水的预热热源, 这3台机组夏季在全负荷状态下可以提供4 722kW的回收热量, 但热回收机组可以提供的热媒水水温只有37℃, 最高能到60℃, 如果长时间把热媒水温提高到55℃, 则机组的COP仅为3~4, 这样虽然可以利用谷电的差价, 但综合COP在夏季还是会低于5, 所以在夏季只利用地源热泵稳定产生35℃预热水, 燃气锅炉补充不足热量, 锅炉只需要加热温升25℃。春秋过渡季节时, 地源热泵模式调成专供生活热水模式, 能制55℃生活热水。燃气锅炉可以只用来补充不足的部分热量。冬季, 设计按完全由真空锅炉提供热量。实际运行情况, 根据现场反馈的消息, 金茂府在一期全入住的情况, 在3~6月所有的生活热水都是由地源热泵提供的, 从而使生活热水的制水成本大大降低。开发商据此推算, 当一二期全部入住情况下, 全年分摊下来的运行成本将可能降低1/2。

各季度的耗热量负荷及热源供热量对照如表1所示。

为保证供热的安全性, 每个热水分区的真空燃气锅炉均为2台, 每台锅炉供热能力不小于各分区耗热量的50%, 这样可在一台锅炉检修时, 热水系统仍然能够维持基本运行。

整个小区中心位置设立以热源和大型闭式蓄热水罐为主的中央热水供应站, 通过小区地下室热水管道, 将热水输送到每栋楼, 再由室内输配管路送到每家每户。中央热水供应站内按每个分区设置闭式热水储水罐, 储水罐每个分区至少2个, 储水罐A (预热罐) 有2个热源接口, 一个是接自地源热泵机组的板式换热器, 另一个是来自真空燃气锅炉的热水出水管。储水罐B (储热罐) 仅连接真空燃气锅炉的热水出水管。地源热泵机组侧配有板式换热器间接换热, 真空燃气锅炉侧是直接加热产生热水。地源热泵的冷凝器产生的废热属于低密度热源, 一般可将被加热水温度提升10℃左右, 需要通过板式换热器循环换热才能将储水罐内的水加热至所需温度, 为了充分利用地源热泵的免费热源, 在利用地源热泵时将储水罐分为预热罐和储热罐, 2个热水罐的总储热容积按1h设计耗热量计算。真空燃气炉是高效热源, 冬季季节, 没有地源热泵的初次加热, 冷水温度≤5℃, 这时候预热罐需要作为锅炉的储热罐使用, 直接和真空锅炉连接, 这样才能满足冬季的热水需求。真空燃气锅炉在长时间的运行工况下出水温度一般只有75℃左右, 不宜再通过热交换器换热, 故真空然锅炉采用直接加热的方式将储热罐内水加热至60℃直接使用。

热水系统总管网原理及平面如图2~图4所示。

集热及储热系统具体运行原理如下:2个储水罐一个大 (罐A) 一个小 (罐B) , 夏季时罐A作为地源热泵的预热罐, 罐B作为储热罐, 预热罐容积大于储热罐 (直供区由于耗热量大, 设有2个预热罐, 1个储热罐) 。除冬季外, DFM-1、4、3阀门关闭, DFM-2阀门开启。夏季地源热泵的回收热量充足, 罐A先行与地源热泵交换热取得35℃预热热水, 然后进入罐B, 供水时由罐B供给, 罐B由真空燃气炉加热到60℃。春秋季节地源热泵高温制热模式:罐A先行和地源热泵交换取得55℃热水, 然后进入罐B, 供水时由罐B供给, 罐B由真空燃气炉保温和补充不足。冬季时, 由于地源热泵能提供的预热热量不多, 此时DFM-1、4、3阀门开启, DFM-2阀门关闭, 热源全部由真空燃气锅炉供给。

不足之处:根据暖通专业提供的数据, 地源热泵在冬季大约还能提供1 500kW的预热热量给生活热水, 但这部分水温跟空调制热的水温一致, 为45℃, 目前这部分由于供热量只占整个耗热量的25%, 所以未利用。其实可以将其中某一个区比如中I区的阀门1改为电动阀, 冬季时设定00:00~5:00关闭, 其他时间开启, 这样就可以利用地源热泵制热富余的一部分热量将该区罐A水箱水维持在45℃, 能更好地利用地源热泵这一“免费能源”。

集中热水系统要想节水节能, 至少要做到立管循环, 使无效的冷水尽量少, 而且提高使用的舒适度。本工程采用支管循环方式, 使无效的冷水段尽量短, 起到节水的效果, 同时热水的出水时间大大缩小, 从而提高用户的使用舒适度。为了满足节能要求, 热水供水管在压力超过0.2 MPa的卫生间设置减压孔板, 这样既能满足热水同程要求, 又能满足节水要求。由于整体管网过大, 为保证每栋单体的循环效果, 每栋楼的每个单元都设置二级热水循环泵。具体原理见图5。

住宅小区采用集中热水系统可提高住宅品质、增加用户使用的舒适度, 但最大的缺陷是热水成本偏高, 若集中热水系统的热水价格高出家用热水器成本较多, 住户难以承受, 集中热水系统的正常运行也难以为继。一般认为, 住宅集中供应热水的价格若超过30元/m³则无竞争力。因此, 分析住宅集中热水系统的成本因素构成并找出降低成本的对策, 无疑对住宅集中热水系统具有重要意义。

热水制备成本主要由热源费、水费、电费、人工费、折旧费、税费等组成, 其中前三项是能耗费用, 是构成热水制备成本的主要部分, 而水费是固定的, 电费主要与小区的总体布局、单体层数、供水分区等有关, 也没有很大的调整余地, 总成本的主要部分是热源的费用, 有效降低该部分费用是减少总成本的关键, 而采用地源热泵、太阳能热水系统、空气源热泵等“免费能源”作为一次热源则可以大大降低一次热源的成本。从表2可以看出, 在理论条件下, 苏州地区以燃气为热源制备热水的成本为9.17元/m³, 而地源热泵的成本为5.7元/m³, 仅为燃气成本的63% (按热泵厂家提供的试验数据一般1kW的电能可以获得4kW的热量, 而实际工程中, 扣除其他因素影响后, 一般1kW的电能可获得2.5~3.0kW的热量) , 可见采用地源热泵会大大降低热源的成本, 从而降低热水价格到住户可接受的范围。本项目业主经成本测算后确定的热水收费价格是23.5元/m³。

本工程住宅小区的集中热水系统满足了高档住宅的舒适性要求, 同时也兼顾了节能节水的要求, 有效控制了热水的制造成本。本次设计的主要特点有:

(1) 利用了地源热泵的废热。对空调系统的废热进行回收, 既为项目的夏季、春秋季提供了免费的热源, 又避免热量回灌到地下, 有利于土壤的热量平衡, 对保护土壤、提高和延长地源热泵空调系统的使用期限均有好处。过渡季节也充分利用了地源热泵单制热功能。

(2) 一、二期管网独立设置, 减少循环管路长度, 减少管网热损耗, 有利于各单体管网平衡。同时为了保证节能节水, 满足舒适度要求, 设计中采用了支管循环系统。

(3) 真空燃气锅炉直接加热。根据真空燃气锅炉的特性, 短时间可以产生80℃高温热水, 但不适合长时间运行, 大部分时间出水温度宜控制在70℃以内, 所以利用其特性采用直接加热的方式产生热水, 不再经热交换器换热, 以提高热效率。

(4) 各栋各单元单独设置了二级循环小泵, 有效保证了管网水温的恒定。二级泵运行方式:根据二级泵前回水管道温度控制, 温度低于55℃二级泵启泵, 温度达到60℃停泵。热水机房内的一级循环泵由2种方式控制其运行, 一种是一级泵泵前回水管水温低于55℃时启泵, 达到60℃时停泵;另一种就是和二级泵连锁启动, 任何一栋楼的二级泵启动, 一级泵都将启动。

(5) 设置了户内支管循环。

本次设计不足之处主要有以下几点:

(1) 支管循环比较复杂。开发商要求热水龙头出热水的时间不超过5s, 同时要求必须设置支管循环, 但支管循环的设置带来冷、热水压力平衡的问题, 按有关绿建节能要求, 冷水入户管压力大于0.2MPa时需设支管减压阀减压, 但热水系统为保证同程布置, 热水循环支管上不能设置减压阀, 设计只能在热水龙头前端设置减压孔板进行减压。还有一个问题就是必须设置热水回水计量水表, 收费系统复杂, 容易引起与住户的纠纷。设计曾建议业主采用电伴热或者户内循环采用带电加热的瞬热模块, 但是开发商认为这两种方式舒适性均不高, 不能体现项目的档次, 坚持要求采用支管循环方式。

(2) 每栋楼的二次循环小泵的设置位置考虑欠周全。设计时考虑检修方便, 将每栋楼的热水循环泵设在地下一层楼梯间半平台下面, 这个位置过于狭小, 现场来看检修不便, 还有一个楼梯间的一面墙在一层为住户的外墙, 循环小泵的固定支架设在该墙上, 实际运行时发现水泵的振动会通过墙面传到户内, 影响了住户, 后将循环小泵移至大地库内才解决问题。

(3) 本项目的供水方式采用冷热水同源的方式, 生活热水的补水是由冷水系统的变频加压泵供给, 这种方式在公建是通常做法, 但工程施工完毕去自来水公司申请接水时, 自来水公司不同意冷水变频泵出水管与闭式热水管网连接, 坚持要求热水系统需单独设置开式热水箱和热水供水泵, 虽经多次协调自来水公司最终同意了原设计方案, 但协调过程非常困难, 所以提醒设计同仁, 碰到此类情况先去咨询自来水公司意见或必要时申请召开论证会进行专题论证。

(4) 管网过大。为了保证各栋楼管网的循环效果, 设计在每单元都设置了二次循环小泵, 事后总结其实可以每栋楼设置一组二次循环泵, 这样既满足管网循环的要求, 又能减少循环泵数量, 节省电能损耗。

(5) 设计时应考虑到实际运行的各种工况。据现场反馈, 有某栋楼某个分区在入住初期或者过节时期, 没有一户入住使用, 因为户内的热水回水管上阀门均被关闭, 导致立管内热水无法循环, 后分析讨论决定, 在热水立管和热水回水立管顶部加设压差旁通阀或静态平衡阀将热水管和热水回水管连通, 这样在热水支管全部关闭时, 立管的热水仍然可以循环, 也可以避免循环泵出现“闷打”的情况, 具体位置详见图6。

(6) 对于小区集中热水供应系统, 为避免反流现象, 住户水表宜设止回阀。实际运行后有反馈某些热水表读数不变, 有些回水表读数竟然是负数, 说明热水有反流现向, 后在热水表和回水表上均增加了止回阀, 详见图6。