人口老龄化是当今世界面临的重大社会问题。随着中国逐渐进入老龄化社会, 养老建筑也得到了越来越多的重视。同样, 随着人们物质生活水平的提高, 热水供应的需求和要求也在不断提高。热水供应技术是建筑给水排水专业技术的薄弱环节, 而养老建筑中的热水系统由于其特殊性, 是所有建筑类型中热水较为复杂的一种。养老建筑中的热水系统设计有一定的难度, 笔者结合做过的一些工程实例, 对设计中应该注意的要点进行分析。

CCRC (Continuing Care Retirement Community) ———一种复合式的老年社区, 通过为老年人提供自理、介护 (专业护理) 、介助 (协助护理) 一体化的居住设施和服务, 使老年人在健康状况和自理能力变化时, 依然可以在熟悉的环境中继续居住, 并获得与身体状况相对应的照料服务, 其业态分为4种:专业护理 (生活完全不能自理) 、协助护理 (不再能够安全自理生活的老人) 、记忆障碍 (服务阿兹海默式症以及其他形式的记忆障碍患者) 及独立生活 (在社区中有独立的住所并且生活能够自理) 。

该工程地处苏州工业园区阳澄湖半岛, 包含有养老养生、诊所、活动中心及配套用房等。其中养老养生分为护理楼 (专业护理、协助护理及记忆障碍) 共160套、客房楼 (独立生活) 共220套, 均为4层高。活动中心及配套用房主要包含餐饮、SPA、健身以及泳池等。整个地块小时耗热量为1 018kW, 小时热水量为16 187L/h。

考虑到老年人行动较为迟缓, 养老建筑热水系统的设计原则是“安全第一, 舒适为重”。与酒店、宿舍及办公等建筑相比, 养老建筑的热水系统对出水水温、水压、操作性、安全及卫生有更高的要求。

生活热水供应系统能耗占整个建筑能耗的10%~30%, 因此合理选择生活热水的热源对于节能有举足轻重的作用。一般来说集中热水供应系统的热源可按以下顺序选择:工业余热、废热;地热水;太阳能;水源热泵或空气源热泵;热水锅炉;电等。本工程选用的热媒是目前生活热水较为常用的“太阳能+锅炉”的组合方式, 选择这一热源组合的原因有: (1) 太阳能是一种取之不尽的最有条件推广应用热源, 凡是当地年日照时数大于1 200h, 年太阳辐射量大于4 200 MJ/m²及年极端最低气温不低于-45℃的地区均可采用太阳能作为热媒^[1], 且很多地区对太阳能有强制性要求; (2) 该系统应用成熟、供热稳定可靠。其中锅炉为燃油/燃气两用锅炉, 平时采用燃气锅炉, 在市政燃气或故障检修期间, 采用燃油作为备用热源。

本工程的太阳能热水系统采用的是强制循环间接加热闭式集中供热系统 (双罐) , 太阳能集热器设置在屋面, 总有效集热面积为304 m², 提供的热水约占地块内热水总耗热量的12.6% (按照江苏省《公共建筑节能设计标准》中要求, 可再生能源系统需在太阳能热水、太阳能光伏/光诱导和地源热泵空调系统中三选一, 当采用太阳能热水系统作为可再生能源利用装置时, 太阳能热水系统的供热量应不小于建筑物生活热水量的50%, 本工程未能达到此要求, 因此另设有太阳能光伏发电系统作为可再生能源利用系统) 。同时, 考虑到采暖与生活热水的负荷变化、温度需求存在较大的差异, 生活热水采用独立的热源, 不与采暖合用热源。

热水用水定额应根据卫生器具完善程度和地区条件按规范规定选择。本工程中, 某集团的热水量标准相对国标中的热水量标准而言较高, 主要是因为某集团对养老社区有较高的定位 (部分套房按照三星级酒店标准设计) , 同时其有较多类似工程的实际运营经验, 该用水量也是经各方综合考虑后确定。随着节水措施和政策的出台, 人们的节水意识日益提高, 同时卫生器具的用水效率也在不断提高, 实际的热水用水定额往往低于规范中规定的热水用水定额。笔者认为在选择用水定额时应根据当地的生活习惯、经济发达水平等适当酌情减少, 除水资源丰富的炎热地区外, 一般可按其低限选用。

集中热水供应系统应保证配水点处冷热水压力的平衡, 可采取的措施有:

(1) 根据用水区域的大小、用水量的大小、用水时间及用水水质的要求合理确定生活水泵房和热水机房的数量。本工程按照区域设置了2个生活水泵房及热水机房。各个分区的热水机房及生活水泵房宜贴近, 且宜靠近用水量大的用水点, 尽量避免热水出水干管过长、阻力损失大而造成用水点处冷、热水压力不平衡的问题。而根据用水时间及水质、水温的不同要求, 将换热设备分为6组。

(2) 冷、热水系统分区一致, 各个分区的热交换器和热水循环泵等独立设置, 热交换器的进水管均由同区的冷水系统专管供给, 即该专管上不应分支供给其他用水, 以保证热水系统水压的相对稳定。本工程市政压力为0.15MPa, 对于老年人居住的护理楼及客房楼某集团的机电标准中要求用水点处的压力不小于0.15 MPa, 因此1~4层冷热水均为水泵加压后供给, 也避免了出现1层冷热水不同源从而压力不平衡的弊端。

(3) 在养老建筑中, 对用水量较大的厨房、洗衣房、公共浴室等用户, 以及热水水质水压有特殊要求的诊所, 应设单独的热水管网, 避免对其他的用水点造成大的水量水压波动。

(4) 同一供水区的冷、热水管道宜相同布置, 采用上行下给的供水方式。适当放大热水干管管径降低流速, 干管不宜变径, 且每个循环系统控制立管数不宜大于15根。

(5) 应选用被加热水侧的压力损失△h≤0.02MPa的热交换器。

热水系统分区及供水方式见表2。

(1) 为保证生活热水的供应温度, 热水循环采用干、立管机械循环系统。热水回水管道采用同程布置方式。

(2) 回水采用机械循环, 循环泵采用温度控制, 热水供水温度60℃, 管网末端温度低于50℃时, 打开循环泵对管网循环加热, 管网末端温度≥55℃时循环停止。

(3) 考虑到热水的出水温度要求较高, 建议热水间接换热后使用, 而不采用水加热器出水直接供水的方式。

(1) 为控制出水时间, 首先必须结合建筑布局, 使各分户管井紧靠各护理区域卫生间, 局部户型如果卫生间距管井较远, 则局部采用支管循环。对独立生活区塔楼所有单元房内热水支管及其他集中热水系统内热水支管路径较长的用水点, 根据需求考虑采用电伴热保温措施。

(2) 按照某集团的养老机电标准, 热水出水时间为10s。在热水出水时间的计算中, 有一个容易忽视的问题, 就是计算选用的水嘴流量与实际选用的水嘴流量不符。笔者曾经遇到过一个工程, 在调试阶段出水时间远大于要求的出水时间, 设计复核计算后发现设计时计算选用的水嘴流量是按照规范中所提供的水嘴流量 (0.15L/s) 计算的, 而实际安装选用的却是节水洁具, 该洁具达到一级用水效率, 其水嘴流量仅为0.08L/s。本工程用水洁具按照绿色建筑二星要求需达到二级用水效率, 也即流量为0.125L/s。

(3) 热水支管的长度直接影响出水时间, 一般来说热水支管长度超过6m后出水时间将超过10s。以一个标准养老套房为例, 按照常规的管道敷设方式, 支管贴梁底于吊顶内敷设, 经计算出水时间为11.7s (见表3) , 不满足热水出水时间的要求。优化设计后, 热水支管改为由墙体管槽敷设, 经计算出水时间为9.7s (见表4) , 满足热水出水时间的要求。对于较大的卫生间, 热水管道长度超过6m后应设支管循环, 若计量精度要求较高时可考虑设置多热水立管系统, 减短支管长度或者采用局部电伴热保温。

老年人由于身体免疫能力下降, 是军团菌感染的高危人群, 热水系统中屡屡被检测出的多为嗜肺性军团菌。现有规范对建筑物二次供水水质做出了明确规定, 但热水水质却未得到足够的重视。实际上, 在热水的储存和输送过程中, 往往会产生二次污染。由于热水用水点的温度一般为40~50℃, 这一温度正是病原菌与军团菌的最适生长温度^[2]。因此, 如何有效控制热水水质, 防止军团菌的产生, 对养老建筑热水系统的安全性及卫生至关重要。

一项针对老年社区的研究表明, 热水系统中的储水容器是军团菌的重要污染环节。因此, 养老建筑热水系统应采用闭式系统, 整个系统与大气隔绝, 可使热水水质不易受外界污染, 同时储热容器的体积不宜过大, 且宜分设2个, 方便定期清洗;且应选取无滞水区的储热容器或水加热器, 否则热水停留时间过长, 或有些容器排水口位置较高, 有死水区, 将极易滋生军团菌。

其次, 为消除污染隐患, 还应采用热水消毒的方式。目前, 热水的消毒方式主要有银离子消毒法、紫外线消毒法以及热消解法。银离子对病原菌及军团菌有着显著的灭活作用, 而且银离子可以附着在水罐及管道的内壁, 可保持持续消毒效果^[3], 但其容易产生水垢, 且一旦浓度过高将产生消毒副产物。紫外线消毒属于定点消毒的方式, 可消灭接触范围内的细菌, 但无长效杀毒机制, 当配水和热水系统中已大量繁殖军团菌时, 该消毒方式的效果明显降低。目前, 热水消毒采用银离子消毒器、紫外线消毒法的可靠性仍需要实践数据的检验, 杀灭军团菌相对可靠的方法是热消解法。根据经典图表Hodgson-Casey图所示, 军团菌的最适宜生长温度是20~50℃, 水温达到70℃时, 军团菌立即死亡, 而水温达到50℃以上时, 90%的军团菌在2h内死亡。将热水供水温度控制在55~60℃, 回水温度控制在50~55℃, 同时, 在预防烫伤的情况下, 定时提高水温 (70℃) 可显著抑制军团菌的产生。

在养老建筑的生活热水供应系统中, 有一个很重要的设计要点就是老年人的防烫伤措施。考虑到老年人对温度的敏感度比较高, 并且为防止烫伤, 某集团的机电标准中要求用水点的出水水温<40℃, 以免发生低温烫伤的现象。为满足用水点出水温度<40℃的要求, 恒温阀的使用是非常必要的。

恒温混水阀的应用形式有多种, 既可以采用单点水温控制的方式, 也可以采用区/组水温控制的方式, 还可以采用数字恒温阀对整个热水系统进行集成控制。

单点水温及区/组水温控制阀均为热静力式, 装配热敏感温元件, 控制阀内恒温阀芯自动移动, 封堵或者开启冷、热水的进水口。当温度设定后, 恒温龙头或淋浴器可通过调节进出水口的冷热水混合比例, 使出水温度始终保持恒定, 出水温度波动可控制在± (1~2℃) 。且具有自动保护功能, 当冷、热水一路发生故障断水时, 另一路自动切断, 可防止烫伤、冷激事故的发生。

单点水温的控制阀安装在用水点的末端, 如恒温淋浴器、台盆恒温龙头, 适合安装在独立卫生间的淋浴器和有集中热水供应的卫生间台盆处。区/组水温的控制阀则是安装在成组用水点附近, 可用于流量在0.06~1.5L/s之间装置的精确温度控制, 这种组式水温控制阀适合安装在用热水器具较多较集中的公共浴室处。但在成组应用后, 恒温混水阀后的热水管道无法回水循环, 因此阀后的管道不宜过长。恒温混水阀会产生一定的压降, 设计时应确保恒温混水阀在满足实际最大流量后, 仍满足用水点压力要求, 并且在恒温混水阀的冷水进水管路上, 应考虑设置止回阀。

数字恒温阀则是安装在换热器供水干管上, 对热水系统进行恒温控制, 除热水循环系统外, 还有一套恒温热水循环系统。数字恒温阀可编程设定水流时间、最低/最高温度限制和调节温度, 还可设定高温灭菌模式。可进行数据记录, 监控热水进口、冷水进口和混合出水温度的读数, 由传感器与建筑物的自控系统相连, 便于调节^[4]。

由于养老建筑的特殊性, 其热水系统与其他类型的建筑不完全一样, 舒适性与安全性始终是贯穿在整个设计过程中最重要的两个原则。在设计养老建筑的热水系统时, 首先应结合具体工程实际情况及当地或业主的特殊标准有针对性进行设计, 不可千篇一律, 更不可盲目套用, 对各设计参数需通过分析或实际调研后确定, 从而得到合理并符合实际使用的计算结果, 奠定设计的基础;其次分区分质供水, 合理布置热水机房及供回水干立管, 对于集中热水系统, 机房及供回水管路的设置对整个系统的成功与否起到决定性的作用;最后, 减短热水出水时间, 重视热水系统的消毒, 利用恒温混水阀等防烫伤措施则是热水系统在实际使用过程中满足热水供应安全性及舒适性的重要保证措施。