幼兒園開式太陽能熱水系統設計探討★

羅志華，崔文靜

(1.蘇州華造建筑設計有限公司，江蘇 蘇州 215125； 2.悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215125)

1 概述

托兒所、幼兒園衛生間內均配有洗臉盆或盥洗槽，有的還設有淋浴室，需設置熱水系統。此外幼兒園一般都設有配套廚房，廚房也需要使用熱水，且廚房對熱水的水溫要求與幼兒園內盥洗槽水嘴和淋浴又有很大的差別。食堂熱水水溫可達50 ℃或根據需要設定，而幼兒使用的衛生間熱水供水溫度一般設定在35 ℃左右。合理可靠的熱水系統既是保證幼兒使用安全的首要前提，又是滿足不同使用功能的基本要求。

2 幼兒園常見的太陽能熱水系統及其優缺點

目前幼兒園給排水設計中常見的太陽能+輔助加熱熱水系統有：

1)閉式系統，即采用閉式熱水罐(單罐/雙罐)，熱水出水溫度控制在55 ℃～60 ℃。用水點采用雙管制，即冷水管和熱水管分開設置。末端用水點處采用溫控閥控制水溫，且設置配套的高溫報警裝置，以防止燙傷幼兒。該系統熱水出水溫度在55 ℃以上，水中細菌總數等含量低于國家GB 5749生活飲用水衛生標準中規定的相關指標[1]，同時也滿足GB 50015—2019建筑給水排水設計標準(以下簡稱“建水”)中熱水系統不設滅菌消毒設施時熱水出水溫度的要求。該系統冷熱水水壓平衡，易于溫控閥調節水溫。缺點是每一處用水點均需設置溫控閥調節水溫，溫控儀感應水溫，高溫報警裝置超設定溫度后報警。系統比較復雜、工程造價高、后期檢修維護費用也較高。溫控儀或高位報警裝置為瞬時感應，存在滯后，且失靈后也會引起燙傷事故。

a.系統冷熱水水壓不平衡，混合龍頭出水處水溫波動大，使用時極易感覺不舒適，水溫調節不變，有時甚至難以調節。幼兒在使用時很容易出現忽冷忽熱，甚至燙傷的情況。因冷熱水水壓不平衡，也不適用于溫控閥調節末端水溫。

b.集熱儲熱共用一個水箱，當溫度低于設定溫度時，輔熱也會同時啟動，就會出現在太陽能可以滿足使用要求的前提下，輔熱系統也會經常動作，不能充分利用太陽能，發揮太陽能的集熱作用，不節能。且不滿足“建水”中第6.6.5條規定的集 熱設備與供熱設備宜分開設置的要求。

3)托兒所、幼兒園熱水使用溫度為35 ℃左右。當開式熱水箱的熱水溫度設定為60 ℃時，雖然可以有效控制水中的細菌數量，但是末端使用不方便且可能引起事故。當開式熱水箱的熱水溫度設定為40 ℃時，又存在如下問題:a.太陽能得不到充分利用；b.水溫長期低于45 ℃，容易滋生致病菌，尤其是軍團菌之類的致病菌，需設置滅菌消毒設施。

3 開式混合水箱單管供水的太陽能熱水系統

3.1 基本系統

基于上述描述幼兒園太陽能熱水系統存在的問題，以及根據JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范(以下簡稱“幼建規”)要求：托兒所、幼兒園宜設置集中熱水供應系統，應采用混合水箱單管供應定溫熱水系統[2]。本設計在統一考慮“幼建規”和“建水”中相關要求的前提下，采用三水箱單管制開式熱水系統。系統原理圖如圖1所示，既可以避免水溫過低滋生細菌，又可以達到使用要求。

本系統的工作原理如下：

1)太陽能集熱部分：本系統可采用平板型、玻璃金屬真空管型、熱管式、全玻璃真空管型等太陽能集熱器。設置太陽能開式集熱水箱，一用一備兩臺太陽能集熱循環泵P1，由太陽能集熱器與集熱水箱之間的溫差控制循環水泵的啟停，當太陽能集熱器溫度T1大于集熱水箱T2，且溫差為10 ℃時啟泵，溫差為5 ℃時停泵。當太陽能集熱器溫度T1小于集熱水罐T2時，不循環。冬季溫度過低時，開啟放空閥防空集熱器中的水，以防凍壞。

2)儲熱水箱：生活給水不直接補水至儲熱水箱，通過與集熱水箱之間設置連通管溢流補水。與集熱水箱連接的連通管設置在集熱水箱上部1/3處。此外儲熱水箱通過熱水加熱循環水泵P2與輔助加熱系統連接，當儲熱水箱水溫T3≤55 ℃時P2啟動，輔助加熱設備工作；T3≥60 ℃停泵，輔助加熱設備停止工作。當采用天然氣做輔助熱源時，儲熱水箱的容積依據“建水”中的第6.5.11條第1小條計算，按導流型容積式水加熱器確定，儲水容積取30 min的小時熱水量。

3)供熱水箱(混合水箱)：供熱水箱與儲熱水箱之間設置連通管和循環水泵P3。當混合供熱水箱水溫T4≤35 ℃時P3啟動；T4≥40 ℃停泵。供熱水箱只起混合水溫的作用，儲熱水箱即相當于快速水加熱器，同樣參考“建水”中的第6.5.11條中第2小條，供熱水箱的儲水容積按照15 min的小時熱水量計算。

定義3 跳數度量：是指從源節點到目的節點所經過的節點的數目.跳數是一個重要的衡量指標，因為它的多少能夠間接的反應出延遲時間的多少.

4)補水控制：補水設計是本系統運行的關鍵。本系統通過液位控制閥補水，補水主管設置電動分流三通閥V1，一路補水管至集熱水箱，一路分至供熱水箱；傳動管及控制浮球設置在供熱水箱處。當供熱水箱水位下降時，傳到浮球下降，液位閥開啟補水，此時分兩種情況：

a.當T4<40 ℃時，V1上通道打開，往集熱水箱補水，通過三個水箱之間的連通管最終溢流至供熱水箱，由儲熱水箱溢流過來的高溫熱水正好與供熱水箱中溫度較低的水混合以達到使用要求。

b.當T4≥45 ℃時，V1下通道打開，往供熱水箱補水并降低其水溫。

此種補水方式既保障了供熱水箱的水位，又使集熱水箱乃至整個系統里的水得到了循環使用，充分利用了太陽能。

5)熱水供熱系統：采用熱水供水水泵P4，一用一備，互為備用。熱水系統的循環由熱水回水管上的電接點溫度計自動控制：啟泵溫度為35 ℃，停泵溫度為38 ℃。熱水供水管的管徑應同時考慮熱水用水量和回水量。

6)輔助加熱可采用天然氣或其他熱源:該系統對太陽能集熱器的形式不限，承壓和非承壓都可使用。該系統對集熱水箱不設定最高溫度，這樣可以充分利用太陽能加熱熱水。當天氣情況好時尤其是夏天，集熱水箱的水溫有可能高達90 ℃以上，太陽能集熱系統可以充分集熱儲熱。本系統的冷水補水方式，一是為了充分利用太陽能，二是為了使水加熱至60 ℃，并長期保持在60 ℃以上，充分殺菌滅菌。補至供熱水箱的冷水僅是用作調節水溫。

3.2 改進系統

此系統還可以通過局部調整改進，增加以下功能和作用：1)增加防凍循環，保護太陽能集熱器；2)增加控制系統，充分利用熱量，節約能源；3)調整熱水系統回水管路，避免P3水泵頻繁啟動,如圖2所示。

改進后的開式太陽能熱水系統增加了以下幾方面內容：

1)增加太陽能集熱循環水泵從儲熱水箱吸水管路，并在集熱和儲熱水箱吸水管上增設電磁閥。當T1≤5 ℃時，電磁閥D1關閉，D2開啟進行防凍循環。T1>5 ℃時，電磁閥D2關閉，D1開啟。

2)太陽能集熱系統當T1>60 ℃(或按設定溫度)，電磁閥D2開啟，儲熱水箱也可與太陽能集熱器進行循環換熱。太陽能集熱循環回水管雖然回水到集熱水箱，但是通過連通管，最終進入儲熱水箱，這樣如果太陽能能夠滿足使用要求的前提下可以充分利用太陽能，避免啟動輔助加熱系統，節省能源，降低碳排放。

3)熱水系統的回水管直接回水至儲熱水箱進行加熱，通過連通管，加熱后的水流至供熱水箱，可減少循環水泵P3啟動的次數，節省能耗。

3.3 與幼兒園廚房合用系統

幼兒園內兩個最主要的熱水用水點一個是盥洗室，另一個就是廚房，兩者對熱水的水溫、水量、使用時間都有很大的差別。分設兩套熱水系統，雖利用使用管理，但是工程造價大。在上述熱水系統的儲熱水箱后再增設一個廚房熱水供水水箱及一組熱水供水水泵即可滿足廚房熱水使用需求，供水水箱出水溫度55 ℃或按使用要求設定?；厮仓苯踊刂羶崴洹崴涞娜莘e按照廚房和盥洗總的設計小時熱水量為基礎計算。廚房和盥洗室熱水供水系統分開，滿足各自熱水使用要求，且兩者互不影響。

4 其他熱水系統

當不利用太陽能作為熱源，用其他熱源時，只需將儲熱水箱前面的系統按照需要替換掉，后面供熱水箱及相應的循環不變。以目前使用較多的空氣源熱泵為例，系統原理圖如圖3所示。

此系統儲熱水箱的容積應按照“建水”中第6.6.7條規定的計算，分設置輔助加熱和不設置輔助加熱兩種參數取值計算。熱泵機組循環水泵的啟停由T1確定，當T1<55 ℃(或按設定值)時啟動；T1≥60 ℃(或按設定值)停泵。設置有輔助熱源的系統，輔助熱源是否啟動可由熱泵機組檢測到的環境溫度決定，如當環境溫度小于10 ℃時啟動，不小于10 ℃時輔助加熱系統停止運行。輔熱系統循環水泵的起停也由T1控制,當T1<50 ℃啟泵，T1≥55 ℃停泵。其他水泵的啟停同太陽能熱水系統。補水仍通過液位控制閥和補水主管設置電動分流三通閥V1補水，一路分至儲熱水箱，一路分至供熱水箱；傳動管及控制浮球設置在供熱水箱處。

5 與常用太陽能熱水系統的對比

開式混合水箱單管供水的太陽能熱水系統與其他形式的太陽能熱水系統在幼兒園供熱水項目應用中優缺點對比如表1所示。

從表1中可知，在托兒所、幼兒園建筑中，開式混合水箱單管供水的熱水系統，工程造價適中，同時又滿足幼兒使用的水溫、水質需要，可以穩定的供應定溫熱水。該系統也易于調整，與其他系統結合使用，方便靈活。此系統也適合老年人照料設施、醫院、監獄等建筑中為弱勢群體、特殊群體等需設置防燙傷措施的群體提供熱水使用的熱水系統。閉式雙管太陽能熱水系統更適合其他公共建筑使用，可調節水溫，滿足不同使用者的需求。開式單水箱熱水系統，不能充分利用太陽能，不節能，難以同時滿足幼兒園熱水使用的水質水溫要求。

表1 幼兒園常用太陽能熱水系統對比

6 工程案例

蘇州姑蘇區某幼兒園為3年8班制，共設24個班。每班按30人計，每人熱水用水量取20 L/d，每日使用時間10 h，小時變化數為4.25，此幼兒園的設計小時耗熱量為1 550 278 kJ/h(430 kW)，設計小時熱水量為9 617 L/h(設計熱水溫度取40 ℃)。本工程采用開式混合水箱單管供水的太陽能熱水系統，設置平板型太陽能集熱器，集熱器面積約為136 m2，熱水水箱及設備均設置在屋面上。本工程集熱水箱容積為9 m3(2 m×3 m×2 m(h))，儲熱水箱容積為5 m3(2 m×2 m×2 m(h))，供熱水箱容積取2.5 m3(2 m×1 m×2 m(h))。此系統目前運行狀況良好，出水水溫及水壓都穩定正常，滿足使用要求[3]。

7 結語

開式混合水箱單管供水的太陽能熱水系統增加了一個容積較小的供水水箱，冷水補水通過液位控制閥和電動分流三通閥控制。液位控制閥的傳動管及控制浮球設置在供熱水箱處，通過供熱水箱水位的變化控制液位控制閥的開啟。電動分流三通閥通過供熱水箱的水溫控制分流通道打開的方向，從而控制冷水是補進集熱水箱還是供熱水箱。這樣設置既充分利用了太陽能，又滿足水質和使用水溫的要求，同時也滿足“幼建規”中規定的集熱供熱應采用混合水箱單管供應定溫熱水系統的要求，是此系統的核心。此外該系統還可以通過增加熱水供水管路等同廚房等其他有熱水需求的使用設施共用集熱和儲熱系統。