热水系统末端是指在一个用水单元或一个计量单元之内的热水管道系统。对于集中热水系统而言, 从供水立管或供水横干管接出之后, 进入用水单元或计量单元的供水管道系统 (包括回水支管) 为热水系统末端;对于分散热水系统而言, 从分散式热水器热水出口接出至用水点的热水管道系统, 即为热水系统末端。热水系统末端给用户带来的体验与感受是直接的, 感受的好与坏代表此热水系统设计的成败。因此, 热水系统末端的设计在热水系统设计中非常重要。

相对于分散式热水系统, 由于受计量、减压 (水表、减压阀的设置位置) 影响, 集中热水系统的末端形式更多。分散式热水系统则不受计量、减压的影响 (只需要在冷水管上设置水表、减压阀即可) , 影响分散系统的因素主要是业态、档次定位、使用位置, 因此末端系统形式简单一些。

通常酒店、公寓、高档住宅、养老建筑的独立生活区等居住建筑设置集中热水系统。从运营的角度, 酒店客房区、养老建筑中协助生活区等不需要设置分户计量水表, 而公寓、高档住宅、养老建筑的独立生活区等则需要设置。由于系统中设置循环回水管道, 并设置循环泵对系统中的热水进行机械循环, 因此即使用户不使用水, 循环管道中的热水也是经常流动的。如果需要对用户用水进行计量, 基于循环管道内热水是经常流动这个特点, 通常会根据水表的设置位置来确定热水系统末端的设计方案。因此, 设置水表与否, 是影响集中热水系统末端设计的一个重要因素。

对于超过一定压力值的冷水支管, 将在这个支管上设置减压阀对其进行减压。热水支管也同样需要设置减压阀进行减压, 若阀后设置回水管道, 由于回水支管压力小于回水干管中的压力, 水回不到集中热水系统的回水干管内。因此, 如果设置减压阀, 其后的热水支管无法设置回水管道与大系统连接。所以, 减压阀的设置位置, 也是影响集中热水系统末端设计的一个重要因素。

分别在以下4种情况下讨论集中热水系统的末端形式。

集中热水系统末端不设置水表有如下3种情况:①如果支管与最不利用水点的距离可以满足热水出水时间的设计要求, 可以不设计支管循环;②如果与①情况相反, 可以设计支管循环, 减少热水出水时间;③如果与①情况相反, 又不设置支管循环, 也可以采用设置电伴热方式减少热水出水时间。

为了更直观地了解这几种情况, 以北京市丰台区某五星级酒店一间标准客房卫生间的热水系统为例对上述几种情况进行分析。此标准客房卫生间平面详见图1 (图中管道仅为管道路由参考) 。

上述标准客房卫生间内的热水管道是否设计支管循环, 需要根据热水出水时间是否满足设计及酒店管理公司要求而确定。

如图1所示, 浴盆的给水点距离热水立管最远, 为最不利给水点。按照图1所示管道路由, 经测量管道长度为11.71 m (包含垂直部分的管道长度) 。

通常在方案设计工作中, 建议管道流速取1 m/s来复核热水出水时间。可得此卫生间浴盆的热水出水时间11.71/1=11.71 (s) , 这对于绝大多数五星级酒店而言不可接受, 需要设计支管循环来减少热水出水时间。相反, 如果此卫生间最不利点至立管的距离较短, 热水出水时间不大于设计要求 (或酒店管理标准) , 则可以不设计支管循环。

按2.2.1.1节的计算结果, 需要设计支管循环 (见图2) 。支管循环通常有2种形式:管道同程形式及大环管形式。图2a为管道同程形式, 秉承“先供后回, 后供先回”的管道同程设计原则对系统末端进行设计, 使热水经过每个用水点的距离及阻力近似相同。此种形式水力状况最佳, 但管路相对复杂。图2b为大环管形式, 即支管从干管接出以后, 保持同一管径 (按此支管服务的所有用水点计算的设计秒流量选取) 直至最后一个用水点, 再变径 (通常比热水管径小2号) 接到回水干管中。

对于大环管形式中每个用水点而言, 由于供水管径一致, 用水点之间管道阻力损失很小, 每个用水点三通处的压力值近似相等, 不存在相互“抢水”的影响, 若三通至用水点的距离近似相等, 则各用水点热水出水时间接近相同。这种大环管形式出水效果虽略逊于管道同程形式, 但其管路系统相对管道同程形式要简单。因此笔者倾向于在用水单元面积≤500 m²且水头损失≤15 kPa时采用大环管形式。面积大于500 m², 管道长度增加, 水头损失增加, 如需控制水头损失在一定范围内, 需要加大管径, 则造价相对高, 此时建议采用管道同程形式。但具体采用管道同程形式还是大环管形式, 需要根据用水单元的实际情况、特点、使用功能以及经济比较确定。

基于上述原因, 此标准客房卫生间的热水末端最终采用大环管形式。

假设本案例的集中热水系统采用上行下给、且不设置回水立管的系统形式, 则无法设置支管循环。由于五星级酒店对噪音比较敏感, 不会在房间内设置小型加热设备及循环设备, 而设置电伴热对管道内的热水进行维温也是一种选择, 但并不是一个好方案。原因有3点:①质量好的电伴热造价不低, 伴热电缆及其安装费用成本 (面价) 约200元/m, 如本卫生间采用电伴热 (吊顶内管道) , 则需要约1 790元, 400间客房则需要71.6万元;②维温电费费用较高, 间接传热效率较低, 并且比采用燃气锅炉或市政热水的成本要高;③电伴热如出故障进行维修, 需要拆除管道区域的所有吊顶, 维修成本很高。因此有的酒店管理公司明确要求“电伴热不得使用于热水回水管道”^[1]。

系统末端不需要设置减压阀的情况与上述不需要设置水表的情况相同。

需要设置水表的集中热水系统末端形式比较多样。所有形式均需要满足2点要求:①计量;②出热水时间快。对于一个计量单元的热水末端形式而言, 基于这2点要求, 有以下4种末端设计形式供讨论:①每个计量单元设置一根供水立管及一根回水立管, 供回水支管均设置水表;②计量单元内每个用水单元 (卫生间、厨房等) 均设置供水立管, 每个立管接出的支管上设置水表, 不设置回水支管;两个或多个用水单元的立管可以合用, 前提是合用之后供水支管长度需控制在5～10 m, 从而保证出水时间在5～10 s (流速按1 m/s计) ;③供水立管接出计量单元的供水支管后设置水表, 不设置回水, 设置管道电伴热对支管内水进行维温, 使热水的温度维持在设计温度;④供水立管接出计量单元的供水支管后设置水表, 不设置回水。设置热水循环器 (以下简称为循环器) 及小型容积式电热水器对支管内水进行循环加热维温, 使热水的温度维持在设计温度。

为更好地解释上述末端设计形式, 以北京市朝阳区某高档住宅项目中一套住宅为例 (见图3) 进行探讨。

此户型的建筑特点:①面积大;②用水单元数量多;③用水点有主次, 并且分散;④档次高。基于这4个特点以及对计量及出水时间的要求 (按5 s设计) , 对此户型的热水系统末端进行方案对比分析。

对于供回水管均设置水表的情况, 笔者建议采用大环管形式。具体方案如下:户外管井内设置供水立管及回水立管, 入户管从供水立管接出后设置水表, 接至户内后在户内敷设一周, 形成大环管。如图4所示, 环管经过各厨房、卫生间、洗衣房绕行一周后出户, 接入回水立管之前在回水支管设置水表 (安装方向与供水管上水表相反) 。每个厨房、卫生间及洗衣房的给水支管按重要性从大环管上先后接出。

本方案户外不设置供回水立管, 而在户内每个卫生间、厨房等用水点设置供回水立管 (用水点距离近的可合用立管) , 由于立管离用水器具较近, 热水出水时间可以满足, 因此不设置支管回水管, 而只设置立管循环。从各供水立管接出的热水支管均设置水表, 水表后接用水器具。本户需要设置5块水表, 抄表方面加大了物业管理的难度。若采用卡式水表, 一张卡中可以储存多个水表的水量购买值, 购买水后, 将卡一一插入水表中, 卡中相对应各水表的水量就输入到各水表之中。

户外管井内设置供水立管及回水立管, 入户管由供水立管接出后设置水表计量, 再接至户内;按供水重要性从入户横管上先后接出每个厨房、卫生间及洗衣房的给水支管。由户外供水立管接出后随即设置电伴热, 以维持热水设计温度。电伴热应避免长时间运行导致老化而引起火灾。

对于水表后户内热水系统末端, 也可以设置机械循环保证管道内热水温度。因此提出以下方案:户外设置供水立管及回水立管, 入户管从供水立管接出后设置水表接至户内, 如图5所示, 户内热水管道采用大环管布置。在回水管道上, 设置小型容积式电热水器 (储水容积宜按系统管道内水体积的1.2倍选取) 及循环器 (即小型热水循环泵与阀门、控制模块等集成在一起的一种设备) , 对户内管道内的热水进行循环, 维持管道内热水温度。回水管道接至户外管井内、水表之后 (顺水流方向) , 使不能循环的管道减少到最短, 只留下安装水表组件的管道长度不循环 (此段管道做好保温) 。在最后一个用水点 (洗衣房) 之后的回水管道上设置温度传感控制器, 控制循环器的启停, 具体启停方式如下:①当户内热水支管内水温下降到50 ℃时, 循环器启动, 循环户内管道内的水至容积式电热水器内, 将管道内热水加热至60 ℃后停泵, 使管道内的热水始终维持在50～60 ℃, 以保证配水点满足温度要求的热水出水时间;②循环器可通过时间设置启停, 节约能源。

经过比较分析 (见表1) , 各方案用水点热水出水时间都有保证, 均适用于本户型热水系统末端, 如果以两块水表差值的误差可以解决为前提, 方案1将会优于各方案。但根据产品现状及项目反馈, 经综合比较后笔者更倾向于方案4, 原因如下:①相对方案1、2, 方案4计量简单, 不会有大的误差发生 (这一点从运营的角度至关重要) ;②初投资虽然比方案1高, 但比方案2、3节省;③相对方案2、3, 维修方便;④相对其他3个方案, 物业方运行维护费用低。而对于方案2、3, 由于其缺点相对另外2个方案严重, 笔者认为除非万不得已才会考虑这2个方案。

相比设置水表, 减压阀的设置对集中热水系统末端形式的影响略大:①对于2.2.1节所述4种热水系统末端形式, 如果需要减压, 不设支管循环方案及设置电伴热方案在管井客房入户支管上设置减压阀即可;对于设置支管循环的2种方案, 则只能在用水点末端设置减压阀;②对于2.2.2节所述住宅户型的热水系统末端4个方案, 如果进入户内之前需要设置减压阀, 方案1 (大环管供回水管均设置水表方案) 是不成立的, 这个方案只能在末端每个用水单元 (卫生间、洗衣房等) 的供水支管上设置减压阀;而对于方案2、3、4则没有影响, 这3个方案减压阀均可设置在水表处。

影响热水系统末端形式的因素主要有3个:档次定位、业态、使用位置。

项目的档次定位决定了初投资的多与少, 从而决定了使用什么性能的设备, 而设备的选用对系统的影响是明显的。

例如, 设置在办公楼公共卫生间或者设置在幼儿园班级内卫生间, 对热水末端形式的要求是不同的。办公楼卫生间内热水末端出水点可以根据使用者的习惯自己调节水温, 而为了防止孩子烫伤, 幼儿园设计中要求热水的出水温度是恒定的, 因此须在末端设置恒温阀。

例如商业业态中, 公共卫生间需要设置循环, 而餐饮厨房由于用餐时间连续用水, 热水系统末端则可以不设置循环。

分散式热水系统的末端根据目前市场上热水器类型分为以下3种常见的形式。

电热水龙头是近几年出现的一种小型即热型电热水器。它将即热型加热器与水龙头集成在一起, 组成电热水龙头。电热水龙头直接安装在台盆或洗涤池上, 接上电源, 打开水龙头, 冷水经过水龙头下部的即热型加热器加热。普通的电热水龙头多用在住宅洗涤盆处, 带淋浴器接口的电热水龙头则用在卫生间的手盆及淋浴。

即热式或小容积电热水器 (俗称厨宝) , 因系统简单, 安装方便, 目前在一些家用厨房、公共卫生间广泛使用。厨宝安装在台盆下方, 通常1台厨宝供给1～2个用水器具。厨宝分为即热式与容积式2种, 后者比前者多6～10 L的储热容积, 前者加热器比后者加热功率大, 产生热水更快。

所谓中央热水系统, 即一个用水单元内的各用水点采用同一套热水管网, 由同一台热水器供给热水的热水系统。

如果按2.1.1.1节中方法计算, 最不利点热水出水时间大于设计要求, 建议如图6所示, 管网设置回水管道, 在回水管道上设置循环器, 对管道内的热水进行循环加热维温。循环器的具体控制与2.2.3.4节相同。

当项目采用分散式热水系统时, 不论是公共卫生间热水系统还是住宅的热水系统, 均可采用上述中央热水系统末端形式, 达到节约用水、提升生活品质的目的。

经过对上述分散式热水系统末端的3种形式优缺点进行比较 (见表2) , 不难得出:①方案3中央热水系统在系统供水稳定性、安全方面、运行维护方面、使用寿命、档次方面均优于其他2个方案;虽然系统相对复杂, 但笔者认为方案3不仅是新建项目分散热水系统末端优先考虑的方案, 也是住宅热水系统改造的优选方案;②方案1、2造价比较低, 管路比较简单, 比较适合档次较低的公共建筑或只想简单改造的居住类建筑。由于方案1、2的故障率、维护费用较高, 笔者不推荐这2种方案。

(1) 无论是集中热水系统还是分散式热水系统, 其热水系统末端的形式对于节水方面、使用感受方面均非常重要。

(2) 集中热水系统末端形式受水表或减压阀的设置影响较大。①不需要设置水表或减压阀时, 系统末端形式根据热水出水时间选择支管是否循环。如果设置循环, 可采用管道同程式及大环管式。在用水单元面积较小时, 建议采用相对简单的大环管式;在用水单元面积较大时, 管道同程式较优。不建议采用电伴热的末端形式。②用水单元入户管需要设置水表或减压阀时, 建议采用设置容积式热水器及循环器对管道内热水进行维温的系统末端方案。

(3) 分散热水系统末端随着热水器技术的发展, 产生了多种形式。其中, 中央热水系统末端形式最优, 建议新建或改造项目采用此末端形式。