幼儿是人类的未来, 托儿所、幼儿园建筑是幼儿活动成长场所^[1], 为幼儿提供健康舒适的成长环境是每位家长所期望的, 也是建筑设计师们所追求的。除了安全可靠的建筑设计外, 配套的机电工程设计也应考虑儿童使用的安全性和舒适性, 托儿所、幼儿园建筑生活热水系统即为满足此类建筑所必备的一套机电系统。《托儿所、幼儿园建筑设计规范》 (JGJ39—2016) 中规定:幼儿洗手或洗浴需要热水。托儿所、幼儿园宜优先采用集中热水制备的热水供应系统。生活热水系统在提供给儿童舒适的用水环境的同时, 也存在着一些使用风险, 例如热水系统供水水温的不稳定性对儿童可能造成的烫伤风险, 以及生活热水系统中军团菌滋生所造成的卫生安全风险。如何为托儿所、幼儿园建筑设计更为合理的生活热水系统, 值得探索和讨论。

　　 军团菌吸入人体后会出现上呼吸道感染及发热的症状, 严重者可导致呼吸衰竭和肾衰竭。有资料显示, 20~50℃是军团菌生长的适宜温度, 而35~46℃是最佳生长温度^[2]。水温在70℃时军团菌立即死亡, 在50℃以上时90%的军团菌在2h内死亡。《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版) 中规定热水的计算温度按60℃计。另外热水管网的设计是否合理也是军团菌污染的重要原因, 热水储水设备、混水罐和末端用水点等较易出现军团菌, 储水容器和混水罐体积越大, 管网死水区域越多, 清洗周期越长, 越容易滋生军团菌。

　　 某幼儿园位于武汉市, 共11个班, 按360人计, 为大型幼儿园。

　　 根据《建筑给水排水设计规范》中相应规定参数, 人均热水定额取15L/ (人·d) , 则设计小时耗热量为145.3kW, 设计小时热水量为2.3m³。根据武汉市地方规定, 托幼建筑等有热水需求的公共建筑, 应统一设计和安装应用太阳能热水系统。本项目根据屋面实际情况, 可摆放有效集热面积为80m²的太阳能集热器。所有热水系统设备均设于屋面设备机房。

　　 冷热水双管供水为本项目设计初期采用的模式, 也是以往幼儿园建筑常用的模式, 即热水管网供应60℃高温热水, 在用水洁具前端与冷水采用恒温混水阀进行混合, 控制混合后的出水温度恒定在37~40℃, 传统冷热水双管供水模式原理见图1。

　　 图1中贮热水罐及供热水罐均采用承压型贮水罐, 贮热水罐有效容积根据太阳能集热器面积及单位面积集热器的产水量确定。冷水进入贮热水罐经太阳能集热器循环预热后进入供热水罐, 再由电热水机组循环加热至60℃, 并经热水管网供至用水末端, 与冷水经恒温混水阀混合后使用。管网内水温下降时启动热水循环泵, 管网内热水回至贮热水罐进行再加热。

　　 恒温混水阀通过出水口处设有的热敏元件推动阀体内阀芯移动, 封堵或者开启冷、热水的进水口。当温度调节旋钮设定某一温度后, 不论冷、热水进水温度、压力如何变化, 进入出水口的冷、热水比例也随之变化, 从而使出水温度始终保持恒定。此系统由于热水管网供给的是60℃高温热水, 并与冷水供水管网独立分开, 故可以使热水管网中无军团菌滋生问题, 且控制简单, 当热水循环泵前温度降到55℃时自动启动热水循环泵, 对管网热水进行循环加热。但由于恒温混水阀主要功能部件为热敏元件, 非机械式阀件, 故使用寿命较短, 故障率较高, 当恒温混水阀失效后也存在烫伤风险。

　　 查阅相关资料显示, 60℃热水接触烫伤的时间约为2s产生1度烫伤, 而52℃热水接触烫伤的时间约为60s产生1度烫伤, 同时52℃的管网条件下军团菌处于休眠状态, 停止繁殖, 不会有滋生风险。现在市场上出现一种数字恒温混合阀, 通过中央系统控制, 冷水与60℃热水通过控制阀混合后控制出水水温为52℃, 在末端洁具可采用非恒温龙头调节出水水温, 既避免采用恒温混水阀可能导致的阀件故障, 又可避免操作不当导致的高温水烫伤事故, 并且出水水温的调节可以在中央控制面板上控制并显示。此类数字恒温混合阀在星级酒店中应用逐渐广泛, 将该种控制阀应用于幼儿园建筑中, 亦可以解决儿童防烫伤及杀灭军团菌的问题, 其原理见图2。

　　 图2中太阳能热水预热部分与图1一致。贮热水罐预热后的出水一部分进入供热水罐, 通过电热水机组加热至60℃;另一部分进入数字恒温混合阀, 与供热水罐60℃出水混合, 并控制混合阀后的出水温度为52℃。管网温度下降至47℃时强制循环, 循环回水回至数字恒温混合阀, 并通过电热水机组进行再次加热。正常用水时段, 管网中阀1、阀4、阀5开启, 阀2、阀3关闭;而需要定期消毒时段, 阀2、阀3开启, 阀1、阀4、阀5关闭, 直接利用60℃高温水冲洗管网, 以达到最大程度杀灭军团菌的目的。

　　 采用混合水箱单管供应定温热水系统。图3为常规混合水箱单管供应模式原理。

　　 图3中太阳能热水预热部分与图1一致, 预热后出水经电热水机组加热至60℃, 混合水箱达到低水位时, 水箱冷、热水进水管上的阀门开启, 并使水箱温度恒定在37~40℃。热水循环泵泵前温度计达到35℃时管网强制循环, 对管网水进行加热升温。

　　 混合水箱的容积不宜过大, 热水在水箱内的停留时间不应过长。幼儿园儿童用水时段较为集中, 主要集中于上学、中餐、放学三个集中时间段, 结合本项目的实际情况, 按最高日热水量的1/3确定混合水箱的有效容积, 即取1.8m³。

　　 混合水箱单管供应模式, 从热水系统供水源头开始控制系统水温恒定于37~40℃, 这种系统对于幼儿群体的防烫安全考虑是有利的, 也是必要的。但该系统由于管网温度长期处于军团菌生长的适宜范围, 军团菌滋生的风险大大增加。

　　 为有效防止军团菌的滋生, 可采用下列方法加以改进:即每日在幼儿园开园前利用60℃高温水对管网进行冲洗, 持续时间不小于2h, 其原理见图4。

　　 图4所示模式, 在每日在幼儿园开园前2小时阀1、阀2、阀4关闭, 阀3开启, 此时管网处于高温水冲洗管网灭菌阶段;待正常开园时阀3关闭, 阀1、阀2、阀4根据混合水箱内的水位控制启闭, 保证混合水箱进水管温度恒定在37~40℃, 进入正常供水阶段。同时此系统中阀1和阀2可用一个恒温混水阀代替。

　　 改进后的混合水箱单管供应模式, 可有效解决管网内军团菌滋生问题, 但系统控制复杂, 对管理人员要求较高。每天需要提前开启水泵冲洗热水管网, 在开始上课前又需切换至正常运行, 若人为操作不当, 可能导致在儿童上课时段前未切换回正常供水, 致使用水洁具流出高温水而出现烫伤事故。另外系统在进行高温水管网冲洗的过程中, 混合水箱内并未得到冲洗, 仍然为军团菌提供了滋生的环境。

　　 对于图3所示的常规混合水箱单管供应模式, 可在热水供水泵后设置银离子消毒装置或紫外光催化二氧化钛 (AOT) 消毒装置。

　　 根据查阅相关资料, 在银离子平均浓度为0.05mg/L时, 灭菌80min后细菌总数和异养菌的检出率已低于100CFU/mL, 当银离子浓度为0.04mg/L对军团菌浓度为2.53×10⁴ CFU/mL的小型热水试验系统进行灭菌测试, 经90min循环后, 灭活率大于99%。而当银离子平均浓度为0.11mg/L时, 在试验系统军团菌平均浓度为1.2×10³ CFU/mL的条件下, 灭菌210min后, 军团菌的检测值为0。

　　 AOT装置的消毒时间为0.8s时, 嗜肺军团菌灭活率为99.999%;消毒时间为1.2s时, 细菌总数、异养菌和嗜肺军团菌的灭活率分别达到97.1%、96.9%和100%;消毒时间为2s时, 细菌总数、异养菌和嗜肺军团菌的灭活率分别达到99.4%、98.4%和100%。

　　 以本项目为例, 热水设计秒流量为1.5L/s, 选用一套国内某AOT消毒装置, 其处理水量10m³/h, 功率为90 W, 可达到使用的灭菌要求。

　　 幼儿园建筑在下午下课至早上开课期间没有用水需求, 但为保证管网内水温, 循环系统需继续运行, 安装在循环管上的消毒装置可在此段时间充分工作, 彻底消灭系统内循环水中的军团菌及其他细菌, 并清除附着在管壁上提供细菌繁殖的生物膜。当系统用水高峰时, 冷水补水经加热设备加热, 通过经消毒灭菌的管网供水, 而一般冷水中无军团菌, 这样就可以保证热水系统的供水水质安全。

　　 (1) 传统冷热水双管模式由于恒温混水阀设置较多, 阀件安全可靠性不高;采用数字恒温混合阀的冷热水双管模式可通过中央控制系统出水水温, 取消用水末端的恒温混水阀, 安全性高于传统模式。但此两种模式均不满足《托儿所、幼儿园建筑设计规范》中混合水箱单管供应的要求。尽管如此, 笔者认为数字恒温混合阀的冷热水双管模式可以有效地避免烫伤事故及军团菌滋生, 应可以作为托儿所、幼儿园建筑热水设计的一种选择方式。

　　 (2) 幼儿园集中热水系统采用常规混合水箱单管供应模式时存在系统缺陷, 常规供水及循环过程中有军团菌滋生风险。为杀灭军团菌采用高温水定时冲洗管网时又存在系统控制复杂, 容易误操作导致烫伤事故的风险。

　　 (3) 混合水箱单管加新型消毒装置的模式, 利用银离子消毒装置或紫外光催化二氧化钛 (AOT) 消毒装置的高效灭菌能力, 解决常规水箱单管供应模式中军团菌滋生问题, 且系统安全可靠, 控制简单。建议幼儿园集中热水系统设计时采用此系统。