（模式识别与智能系统专业论文）某小区单管热水供应系统的测试及应用研究.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的提高，新建居住小区的基础配套设施不断改善，集中 生活热水系统在城市居住小区中的应用日益广泛，逐渐成为居住小区建设中的 重要组成部分。是否设置集中生活热水系统已成为小区住宅舒适度的一个重要 指标。 有资料显示建筑能耗占全国总能耗的3 0 - 4 0 ，而生活热水供应系统的 能耗占整个建筑能耗的1 0 - - - , 3 0 t 1 1 ，具有很大节能潜力，因此在我国能源危 机愈演愈烈的背景下，对集中生活热水系统进行多方面研究以推动系统设计的 革新具有重要意义。本文通过实测某小区运行的生活热水系统，主要研究了以 下三个方面的内容： l 针对某小区种新型集中生活热水供应系统小区单管热水供应系统进 行了详细的调查研究，结合其特点和运行条件，并通过实际现场测试和小区住 户调查问卷的方式，对该系统的运行性能及节水、节能优势进行了分析探讨。 2 根据现有规范标准对系统温降的要求，通过实测某小区实际运行的热水 系统干管温降，对小区集生活热水系统的供应范围进行了初步探讨，为合理确 定小区集中生活热水系统供应范围提供理论和数据支持。 3 针对目前热水水箱温度分布研究较少的情况，本文对实际运行热水工程 中的水箱进行了温度分布的初步分析，以期为今后的热水水箱的构造设计提供 较好的理论支持。 本文的研究对于我国热水系统设计规范标准的完善和修订有一定参考价 值。 关键词单管热水供应系统；供应范围；温度分布；节水；节能 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h el e v e lo fl i f ei m p r o v e d t h eb a s i c a le s t a b i s h m e n to f n e wr e s i d e n t a ld i s t r i c ti s p e r f e c t i n g , t h et h ec e n t r a l i z e dh o tw a t e rs y s t e m sa r ei n c r e a s i n g l yp o p u l a ra n d b e c o m i n gt h ei m p o r t a n tp a r to ft h er e s i d e n t a ld i s t r i c t s 。s e t t i n gc e n t r a l i z e d h o t w a t e rs y s t e mo rn o th a sb e e na l li m p o r t a n tc r i t e r i o no fe v a l u a t i n gt h ec o m f o r to ft h e r e s i d e n t a ld i s t r i c t 。 s o m ed a t a sd i s p l a yt h a tt h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yo ft h ea c h i t e c t u r e si s3 0 4 0 o ft h et o t a lc o n s u m p t i o n ，a n dt h ec o m s u m p t i o no fh o tw a e rs y s t e mi sl0 3 0 o ft h ea c h i t e e t u r e ，t h e ni th a sm u c hp o t e n t i a lo fe n e r g y - s a v i n g s oo nt h e b a c k g r o u n do ff a c i n ge n e r g y - c r i s i s ，i th a st h ei m p o r t a n tm e a n i n gt oi n v e s t i g a t et h e c e n t r a l i z e dh o tw a t e rs y s t e ma n dt h e np r o m o t et h ei m p r o v e m e n to ft h ed e s i g n 。 a c c o r d i n gt ot e s t i n ga c t u a l l yt h eh o tw a t e rs y s t e mo fs o m en e wd i s t r i c t , t h i st e x t m a i n l ys t u d yt h ec o n t e n t sa sf o l l o w s ： 1t h i st e x ti n m x t u 淄an e wt y p eo f c e m a l i z e dh o tw a t e rs u p p l y i n gs y s t e n a - - - s i n g l e - p i p e s u p p l y i n gs y s t e m , t h e na n a l y s e st h ec a p a b i l i t y a n da d v a n t a g e so ft h i ss y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt e s t i n ga n dt h er e s e a r c ho f p a p e r f o ri t 2a c c o r d i n gt ot h er u l e sa b o u tt e m p e r a t u r ef a l lo fs y s t e mo fc u r r e n tc r i t e r i o n sa n d a d 砌t e s t i n go ft h et e m p e r a t u r ef a l l o fh o tw a t e r # p e s ，t h i st e x te l e m e n t a r i l y d i s c u s s e sa b o u tt h ec o v e ra r e ao fc e n t r a l i z e dh o tw a t e rs y s t e m , t h e nw i l lp r o v i d e a c a d e m i ca n dd a t a ls u p p o r t 。 3n o w , i ti sl e s st os t u d yt h et e m p e r a t u r ed e l a m i n a t i o no f h o tw a t e rt a n k ，t h e nw e a c t u a l l yt e s tt h i sp h e n o m e n ao f h o tw a t e rt a n k ，a n dt h i st e x te l e m e n t a r i l ya n a l y s e s i t , t h e nw i l lp r o v i d eb e t t e ra c a d e m i ca n dd a t a ls u p p o r tf o rt h ed 销i g no f t h eh o tw a t e r t a n k 。 t h i ss t u d yh a ss o m ev a l u 嚣f o rt h ei m p r o v e m e n ta n da m e n d so ft h ec u r r e n t c r i t e r i o no fh o tw a t e rs y s t e m s 。 k e y w o r ds i n # e - p i p eh o tw a l g l s u p p l y 町咖；c o v e ra r e a ；t e m p r a t u r ed e l a m i a t i o n w a t e r - s a v i n g ；e n e r g y - s a v i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：未盈纽 日期：2 唑互：3 石 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：龇导师签名：盟日期：巡e 2 第1 章绪论 葛_ 一i ! 一i _ iiin n 曼曼曼曼量曼曼曼鼍曼曼曼暑 1 , 1 课题研究背景 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，随着人们生活水平提高，我国建筑业蓬勃发展，对建筑 功能的要求也越来越高，有无热水供应系统已成为居住建筑舒适度的一个重要 指标，但同时热水供应系统能耗比例也逐步增长，有资料显示建筑能耗占我国 总能耗的3 0 4 0 ，而生活热水供应系统的能耗占整个建筑能耗的l o 3 0 嘣。对全球而言，由于人人需要热水，它占地球上总能耗的比例也是相当大 的，根据美国能源部的统计，水加热仅次于采暖和空调，居家庭能耗的第三位， 占1 4 【2 j 。因此，在能源日益紧缺的背景下，热水供应系统的研究逐渐受到人 们的重视，但目前国内多数研究着重理论分析，而实测热水工程进行分析的研 究较少，这不符合我国热水供应事业快速发展的趋势。本课题旨在通过实测一 种新型、现行规范尚未涉及的集中生活热水供应系统一小区单管热水供应系统， 为该系统推广及某些设计参数的完善提供理论支持，最终促进我国热水供应系 统设计的发展。 1 1 1 热水供应系统概述 热水供应系统按照热水供应范围的大小，可以分为局部热水供应系统和集 中热水供应系统。局部热水供应系统是指采用小型加热器在用水场所就地加热， 供局部范围内一个或几个配水点使用的热水系统，该种系统供水范囝小，热水 分散制备，热效率低，使用不够方便舒适，多用于热水用量较小且较分散的建 筑。集中热水供应系统是指在锅炉房、热交换站或加热间将水集中加热后，通 过热水管网输送到整幢或几幢建筑的热水系统。该种系统供水范围大，设备集 中设置，便于集中维护管理，通过热水管网输送热水至各用水点，使用较为方 便舒适，适用于热水用量较大，用水点比较集中的建筑。目前，随着建筑功能 的不断完善，集中热水供应系统的应用最为普遍，是热水供应事业发展的主要 方向。在集中热水供应系统中，按供水方式的不同，可分成以下几种【3 】： ( 1 ) 根据供应时间划分，可分为全日制热水供应系统和定时热水供应系统， 前者全天供应热水，任意时刻都能得到满足温度要求的热水，后者只能在规定 时间内得到热水供应。( 2 ) 根据热水管网循环动力划分，可分为设循环泵的机 械强制循环方式和不设循环泵靠热动力差循环的自然循环方式。为系统安全和 加强水流循环多采用机械循环；自然循环只适用于系统小、管路简单、干管水 北京工业大学工学硕士学位论文 平方向很短、竖向高的系统对水温要求不严的个别场合。( 3 ) 按热水配水管网 水平干管的位置不同，可分为上行下给供水方式和下行上给供水方式。前者配 水、回水干管敷设在顶层，以节省回水管路长度：后者干管集中敷设在底层或 地下室内。( 4 ) 按热水管网的循环方式的不同，可分为全循环、立管循环、干 管循环三种循环方式。全循环供水方式，是指所有配水干管、立管和分支管都 设有相应回水管道，可以保证配水管网任意点的水温。该方式适用于要求能随 时获得设计温度热水的高标准建筑中，如高级宾馆、饭店、高级住宅等。立管 循环供水方式，是指热水干管和热水立管内均保持有热水的循环，打开配水龙 头时只需放掉热水支管内的少量存水，就能获得规定水温的热水。该方式多用 于设有全日供应热水的建筑和设有定时供应热水的高层建筑中。干管循环供应 方式，是指仅设保持热水在干管内的热水循环，多用于采用定时供应热水的建 筑中。 在实际应用中，选用何种热水供水方式，应根据建筑物用途，热源的供给 情况、热水用量和卫生器具的布置情况进行技术和经济比较后确定，通常将上 述各种方式按照具体情况进行组合后应用。下图为一典型集中热水供应系统： 图i - 1 集中热水供应系统基本组成示意图 f i g1 - 1s k e t c hm a po ft h ec o n f i g u a t i o no f c e n t r a lh o tw a t e rs u p p l ys y s t e m l 加热设备2 一热水水箱3 热水二次加热泵似热水泵5 一配水干管6 一配水 立管7 用水器具8 调节阀9 循环立管1 0 循环干管l l 循环泵1 2 止回阀 该种系统的组成主要包括：( 1 ) 热源。条件允许时，宜首先利用工业余热、 废热、地热和太阳能，上述条件不存在时，宜优先采用能保证全年供热的热力 管网作为集中热水供应的热源。目前，除传统设置锅炉、热水器外，热泵技术 在我国发展很快【1 1 ；( 2 ) 配水管网。包括配水干管及配水立管以及管路附件等， 其功能是输送热水到各配水点；( 3 ) 循环管网。包括循环干管及循环立管等， 其功能是将系统内冷却的输送回加热处，以便将冷水加热到所需要的温度；( 4 ) 2 第l 苹绪论 j i l ll i 曼曼皇曼曼舅曼曼曼舅 循环水泵。在机械循环热水供应系统中，通常在循环干管的末端设置循环水泵 以强制水在热水管网内循环，造成一定的循环流量，以补偿管网热损失，维持 一定的水温：( 5 ) 热水水箱。从节能、稳压方碾考虑，部分集中生活热水系统 设置热水水箱，从而平衡热水供应系统对热能需求的波动，减小加热设备的设 计负荷，使热水及冷水管道中的压力状况处于最佳状态，提高系统工作的稳定 性，改善工作状况。目前，热水水箱的温度分层情况是研究的热点，下面章节 将进行讨论；( 6 ) 用水器具。使用热水的各种卫生器具，如浴盆、洗涤盆、厨 房用洗涤池等。 1 1 2 国内外研究现状 热水供应技术的发展与国家的发展水平是分不开的，欧美国家已有较完整 的热水供应系统的设计理论，其在热水系统方面的投资超出彩电、冰箱、洗衣 机消费总和，是我国5 倍左右。在美国，每个居住单位必须至少有一个大便器、 一个盥洗池、一个厨房洗涤池和一个浴盆或淋浴器，以满足基本的生活要求1 4 】。 在我国随着人们生活水平的提高，热水系统也越来越多的在中、高档民用建筑 中使用，由于住宅热水系统既是节能潜力所在，又是提高居民舒适环境的重要 环节，因此逐渐受到重视，尤其是1 9 9 2 年成立了“全国热水供应研讨会【5 】，通 过研讨会和有关人员的努力，使我国热水供应技术有了较大突破和完善。目前 国内外对热水供应技术的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 热水循环系统的研究 集中生活热水供应系统的设计主要有全循环、立管循环、干管循环三种循 环方式。在国内，冯萃敏等研究人员嘲对热水供应系统的各种循环做过专门研 究，综合各种考虑因素指出立管循环最为经济，但从节水、节能的长远考虑， 支管循环才是最佳的选择，但其在工程技术层面上仍存在两个问题有待进一步 解决：一是热水计量，二是支管循环连接。赵锂 7 1 等研究人员对此做过专门研 究，提出可以加设回水热水表和自调控恒温伴热电缆的建议，但并未从根本上 解决上述两个问题。在美国，规定如果加热器离最远的热水用水点的距离超过 3 0 m ，热水系统必须设置循环系统，且热水用水点到有循环干管的距离不得大 于7 6 m ，但允许用热跟踪来代替设置循环系统网。俄罗斯，关于热水循环系统 的改进做过深入研究，通过将循环系统的配水立管和循环立管的组合体构成配 水组合部件，然后根据其结构的不同，找到多种设计方案，比如：配对结环的 立管组合型式、分区组合体型式等【9 1 。 ( 2 ) 热水供应系统水力计算的研究 热水供应系统的传统水力计算方法存在许多缺陷，造成已建成的热水系统 出现很多问题，诸如：配水点水压不稳、出水忽冷忽热、保温效果差等等，已 3 北京1 二业大学工学硕士学位论文 不能满足现代热水系统设计的要求，为此对热水管网系统水力计算的研究日益 增多。在国内，王彤等人【l o 】通过联立建筑热水循环管网的水力平衡方程和管段 热平衡方程，建立了热水循环管网的数学模型，采用迭代法上机求解，从理论 上得出同时满足水力平衡和热平衡要求的计算结果，对系统中循环流量和水温 的准确计算具有重要意义；于国清等人【i l l 提出的根据流量一阻力特性、流量 分配特点、以及管段内液体的热平衡，提出一种计算管道总循环流量和循环泵 扬程的新方法，值得我们进一步探讨。国外，p j z u e v 和s a m 蒯鼍s n k , a - - e v 和 削陷械酬1 地对这方面的问题进行了研究。另外，国内循环流量的选取范围仍 存在争议，问题焦点集中在按照系统配水管的热损失计算循环流量后，是否加 设“附加循环流量”，对此很多研究人员【1 4 叫6 】做过专门论述，国内多次学术会 议也进行过争论探讨，总的看来多数不赞成加设“附加循环流量”，在建筑给 水排水设计规范( g b 5 0 0 1 5 - 2 0 0 3 ) 中也去掉了“附加循环流量”部分。在日、美 等国，通常根据系统配、回水管的热损失计算系统所需循环流量，只有在计算 一些特殊管道的循环流量时，才不计入回水管热损失【1 7 1 。 ( 3 ) 热水供应系统管网优化设计的研究 热水供应系统管网复杂、影响因素多，是一项系统工程，每一部分的优劣 直接关系到热水供应系统能否正常运行，为此进行多方面优化设计研究很有必 要。现有研究中多以追求所设计管网的运行能耗和初投资总和最小为目标。在 国内，高彬【1 8 】在其论文中对无循环和半循环热水系统建立了系统优化设计的数 学模型，并提出了模型求解的相应方法，对热水管网系统整体优化设计的研究 有一定借鉴作用。李世武等人【坶删提出了室外热水管网系统布局与结构优化的 设计方法，以经济管径和保温层厚度为优化变量，较好的解决了管网系统技术 性、节能型和经济性之间的结合问题，但仅限于室外树状管网。国外研究人员 【2 l 啪】，则以具有标准管径的管长为决策变量，以管网投资最小为目标函数，提出 了环状管网优化设计的线性规划设计模型。 ( 4 ) 热水系统中军团菌研究 军团菌是一种很容易对呼吸道造成感染的致病菌，自1 9 7 6 年美国卫生机构 确认以来，世界各地均有散发及爆发流行报告【2 4 】。军团茵为草兰氏阴性菌，适 宜在2 5 - 4 2 之间繁殖，但其存活温度高达5 5 6 0 c 2 s 3 。热水系统中，军 团茵多存在与蓄热水箱、管壁附着的生物膜等处，通过淋浴、涡流浴等方式形 成的气溶胶进入人体呼吸道，从而造成军团菌感染【硼。近些年来，军团菌的研 究日益受到重视，欧美国家已经相应制定了各种卫生消毒标准，以消除热水系 统中存在的军团菌，国外研究人员删，对控制军团菌的方法进行过专项研究， 取得了较大成果。目前，国内对这方面的专项研究还不深入，但随着人们卫生 安全意识的提高，军团菌问题正逐渐受到重视。 4 第1 章绪论 暑曼曼曼曼曼曼皇i ；i ! 曼曼曼量量曼蔓曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼量曹曼鼍量曼曼皇曼皇皇曼曼量曼曼曼曼曼皇喜曼曼皇 ( 5 ) 热水系统节能研究 有资料显示建筑能耗占全国总能耗的3 0 , - - , 4 0 ，而生活热水供应系统的 能耗占整个建筑能耗的1 0 - - - 3 0 t ，节能是热水供应技术发展的永恒主题， 目前国内外热水系统节能的研究主要集中在热源技术方面。国内，汤广发等人 嘲析了热水能耗的现状，分析了太阳能技术、热泵热水技术、废热回收利用 技术等建筑热水技术的进展、节能性及经济性。国外已不满足常规热泵、太阳 能技术的应用，有研究人员【3 5 3 8 】分别提出了太阳能辅助热泵热水器、热电热泵 一体化系统，而我国在这方面的研究还比较少，发达工业化国家对热源技术研 究开展的比较早，且支持力度很大，相关技术己相当成熟，并有成规模的商业 化产品出售。 总体来讲，国外对热水系统的研究比较深入，有完备的热水供应技术体系， 且技术革新很快，而我国热水系统的研究主要是在借鉴国外技术的基础上不断 的自我完善、发展，但技术方面的创新却很少。目前国内某地出现了一种新型 集中热水供应系统一小区单管热水供应系统，并己投入实际运行，该新型系统 是我国热水系统型式的革新，本课题主要以该系统为对象进行了全面的研究和 分析。 1 2 课题来源及意义 目前，落实科学发展观是我国社会发展的主题，“节能、节水、节地、节材” 与“环境保护”是目前的重要国策之一，丽随着建筑功能的提高，集中热水供应 系统作为其必备设施的应用也越来越多，同时其能耗问题也日益引起人们的关 注，如前所述，生活热水供应系统的能耗已相当高，则如何有效降低其能耗已 成为落实科学发展观的关键环节，而改进热水系统设计的规范标准是重要步骤。 在此背景下，中国建筑设计研究院负责主编了小区集中生活热水供应设计规 程( c e c s 2 2 2 ：2 0 0 7 ) ，以作为对 ：建筑给水排水设计规范( g b 5 0 0 1 5 - 2 0 0 3 ) 热水系统设计的补充，该规程对保证小区集中生活热水供应系统的工程质量， 使设计满足安全、卫生、适用、经济等要求具有重要指导意义。该规程目前已 经编制完成，但仍有一些技术问题尚未解决，比如：已经出现的热水系统新型 式并未在“规程”中提及：热水水箱温度分布情况在“规程”中未有规定；“规程” 中已提及的热水系统供应范围还缺乏深入研究等。 本课题是受小区集中生活热水供应设计规程编制组委托，对上述的一 些问题进行研究，以期为“规程”的日后编写、补充而进行的科研项目。本课题 通过实测小区新型集中生活热水系统单管热水供应系统，获得其运行过程中 的第一手资料，然后从基础理论和设计思想的角度出发，对该系统的运行性能 5 北京工业大学工学硕十学位论文 及相关应用进行了分析，为提高热水系统的设计提供理论依据，为小区集中 生活热水供应设计规程的进一步完善提供研究资料，同时该课题在测试过程 中遇到的一些问题对日后的类似研究也有一定借鉴作用。总之，该研究以集中 热水供应系统的节材、节能为目标，以完善热水系统设计规范标准为目的，最 终对于提高我国集中热水系统的设计水平具有重要意义。 1 3 课题研究内容 本课题在深入分析和研究大量国内外相关资料基础上，以实际运行的新型 集中生活热水系统一小区单管热水供应系统为研究对象，采用相关测试设备包 括温度记录仪、温度传感器、流量计等对系统运行时的关键参数进行了测试分 析，研究内容主要包括： ( 1 ) 相对于传统双管热水系统，本文以一种新型集中生活热水系统型式小 区单管热水供应系统为研究对象，通过实际现场测试着重探讨分析了该新型系 统的运行性能，同时从理论方面对其节材、节能进行了量化分析，从而为该系 统的推广提供理论支持。 ( 2 ) 小区集中生活热水系统设计中合理确定系统供应范围具有重要意义， 而现有的规范标准中对此参数并没有明确规定，本文尝试根据现有规范标准中 对系统温降的要求，结合实测热水系统于管温降，对小区集中生活热水系统的 供应范围进行初步探讨，研究结果可供设计人员在选择方案时进行参考。 ( 3 ) 热水水箱是一些集中生活热水系统中的重要部件，而目前对于水箱温 度分布情况的研究却较少，本文尝试通过实测使用中的热水水箱，探讨分析其 温度分布情况，以期为今后的热水水箱的构造设计提供参考。 6 第2 章小区单管热水供应系统概况 第2 章小区单管热水供应系统概况 本文论述的“小区单管热水供应系统”与传统的小区集中热水供应系统有明 显不同。传统的集中热水供应系统中，主要有全循环( 干管、立管、支管均设对 应的回水管) 、立管循环( 干管、立管设对应的回水管) 、干管循环( 干管设对应的 回水管) - - 种循环方式。在这些型式的热水供应系统中，有明确的配水管道系统 和回水管道系统，因此我们将其统称为“双管系统”。由于这种系统运行稳定可 靠，在实践中也积累了丰富经验，因此应用广泛。但这些系统的管道、保温等 材料耗量大、造价高，管道的热损失和压力损失也较大，另外随着地下设施日 益复杂( 上、下水道，供热管道，煤气管道，电缆通讯等) ，采用“双管系统”也将会 增加施工困难。 本文论述的热水供应系统明显区别于上面提到的型式，该小区的热水供应 系统没有设置回水干管，整个系统只有供水干管。通过强制循环装置及末端循 环泵实现小区内各栋建筑的热水供应以及整个系统的热水循环。在此将其称为 “小区单管热水供应系统”。而现行建筑给水排水设计规范( g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 ) 提到的“单管热水供应系统”应属于无循环方式( 不设任何回水管) ，这种供水方式 主要用于系统较小、使用要求不高的定时热水供应系统，如公共浴室、洗衣房 等】，很少用于小区的集中生活热水供应。故与上述“小区单管热水供应系统” 不同。 本文论述的小区单管热水供应系统尚属国内首例，并已经投入运行，相对 于传统双管系统，很明显可以节约大量的管道材料。为更好的体现建设事业“十 一五”技术公告中强调的“节能、节水、节材和节地”的设计理念，我们对这种 新型小区热水供应系统进行深入的现场测试，对其技术、经济性能及应用前景 进行研究分析，以期促进我国热水供应系统设计技术的发展完善。 2 1 问卷调研分析 测试之前为了解小区单管热水供应系统的使用情况，明确系统中存在的问 题，笔者首先以闯卷形式对其进行了初步调查，结果显示多数住户对该热水系 统表示认可本次调研共发放问卷7 0 份，收回完整问卷5 3 份，回收有效率为 7 6 。调研的内容包括：家庭基本情况、热水用量、热水用途以及用户对小区 热水系统的评价等，并请用户提出改进意见。从调研的结果来看，用户对该系 统满意者占3 4 ，认为一般者占4 3 ，不满意者占2 3 ( 见图2 1 ) 。 7 i ：星：兰奎薹：茎些：；茎蓦耋圣 圉2 - 1 用户热水满意度调查 f i g2 - 1s u “e v o f t h es a t i s f a c t i o no f u s i n gh o t w a k r 对认为。般和不满意的问卷进行分析，发现问题主要集中在以下几个方面： 水温偏低占3 4 ，热水等待时间长占1 2 ，热水存在冷热不均占2 0 ，热水价 格过高占2 6 ，其他占8 ( 见图2 - 2 1 。 雹2 - 2 用户热水不满意组成分析 f i g2 - 2 a n a l 埘s o f d l s s a t i s f a c t i o no f u s i n g h o t w l t t e r 用户反映的问题主要是：水温偏低和热水价格过高，各占3 4 和2 6 ， 其中水价问题与热水系统的运行情况无关，不在我们的讨论范围之内，而水温 偏低的问题通过调查发现也并不是单管系统设计的问题，而是由于物业公司提 供的供水温度达不到要求，这是主要原因。从调研结果可以看出用户对该系统 的正面评价占大多数，下面对该小医单管热水供应系统进行详细介绍。 2 2 系统介绍 该居住小区位于浙江地区，共有3 5 拣居民楼，分为4 个区，其中1 区、4 区中居民楼均为5 层，2 区、3 区中的居民楼均为9 层，每单元一梯两户，共有 1 4 2 5 户。小区的单管热水供应系统从2 0 0 6 年1 1 月正式投入使用，全年运行， 系统中的热水干管，以及各单元楼的热水立管均采用单管供应型式，没有设置 添一 第2 章小区单管热水供应系统概况 配套的热水回水管道。2 0 0 7 年4 月、9 月笔者进行现场测试时该小区的单管热 水供应系统都处于正常运行状态。 图2 - 3 小区单管热水供应系统平面示意图 f i g2 - 3s k e t c hm a po f t h es i n g l e - p i p eh o tw a t e rs u p p l ys y s t e m 该小区热水供应系统从热水机房分出两条主管( 见图2 3 ) ，然后分多路向各 个区域供水，每个环路的各区域由一条热水干管同时完成输配水和循环回水的 任务，最终由四路管道回到机房，管道末端均设置电磁阀和小型循环泵，通过 自控系统最终实现单个环路及整个热水系统自动循环。 居民楼均为一梯两户，每单元引出两根立管，其顶部连接形成供水环路( 见 图2 - 4 ) 。立管的管径按其承担的热水量确定，各层分别引出支管接入户内。按 立管供水方向，两根立管可分别称为“上给水立管”和吓给水立管”，其中“下 给水立管”的末端通过类似于水射器的无动力强制循环装置与热水干管连接。单 元楼两立管的热水循环主要通过此装置实现，其构造尺寸需根据单元楼的设计 用水情况，经过严格水力计算和实验验证确定。该型式与传统热水供应系统的 立管循环型式( 见图2 - 5 ) 有明显区别。 9 北京工业大学t 学硕七学位论文 h 、飘曩 靖一一箍 寐 拳 一 事l t 亡 麟：r - w 譬磊霄碍薯重 图2 - 4 小区单管系统的单元立管连接示意图 f i g2 - 4s k e t c hm a po fu h ee o n n e e f i o no fe e l | r i s e ro fs i n 誊e - p i p es y s t e m 。_ ”1 i 茸 一 i 茎 l l 羹 l i i i i i 一 i ； l l 羹! l 采l 一l 二f 誓 j l i l 图2 - 5 传统立管循环的单元立管连接不惹图 f i g2 - 5s k e t c hm a po ft h ec o w n c 戚o no f t r a t i o n a lr i s e rc i r c u l a t i o ns y s t e m 该小区单管热水供应系统设有自控系统，对整个系统的运行进行自动监测、 优化控制、数据统计和事故报警记录，与传统的控制管理系统相比具有优化系 统管理、减少运行费用和减轻管理人员劳动强度等显著优点。 该小区自控系统的控制设备包括加热循环泵、电锅炉、热水变频供水泵、 电磁流量计、液位变送器和压力变送器，检测点包括管网供水流量、热泵进出 水温度、l 群群环路的回水温度、生活热水箱的液位和温度、供水出口压力等 参数。 1 0 第2 章小区单管热水供应系统概况 图2 6 小区自控系统的主回面 f i g2 - 6m a i nm e n uo fa u t o m a t i n gs y s t e m 自控系统的控制过程主要包括三个方面：( 1 ) 加热系统。小区单管热水供 应系统配有水箱用以贮存制备的生活热水，当水箱温度低于某个设定值时，打 开热泵和电锅炉的迸水阀，同时加热循环泵开启，用以循环加热水箱内的热水， 当其温度达到某设定值时，延迟一段时间后，加热循环泵及进水阀关闭，加热 过程结束。( 2 ) 供水系统。该系统配有三台供水泵，两用一各，恒压供水，当 生活热水水箱液位低于设定值时，供水泵自动关闭，同时水箱电磁阀开启，补 充自来水。( 3 ) 回水系统。4 个环路循环泵都按系统设定的时间自动启闭，其运 行集中在四个时段：3 ：0 0 一8 ：0 0 、9 ：0 0 1 3 ：0 0 、1 4 ：0 0 2 2 ：0 0 、2 3 ：0 0 1 ： o o ，在运行期间各循环泵不是同时工作，而是以环路1 、2 、3 、4 的先后顺序， 按设定的时间间隔，依次启闭运行。在运行时段以外的1 ：0 0 3 ：0 0 、8 ：o o 9 ： o o 、1 3 ：0 0 1 4 ：0 0 、2 2 ：0 0 2 3 ：0 0 时间段内，4 个环路末端的循环泵都处于 关闭状态。 羹羹篓攀蒸蒸戮嚣麓麓黧鬟誊 图2 7 小区自控系统运行参数设置界面 f i g2 7s e t t i n gi n t e r f a c eo f t h er u n n i n gp a r e m e t e r so fa u t o m a t i n gs y s t e m 该自控系统的控制方式有三种自动、单动和手动。自动方式为无人操作方 式，系统按照设定好的程序，自动完成所要求的操作；单动方式是指各单体设 各按照预先设定的参数单个自动运行；手动方式为人为选定某个操作动作后由 系统自动完成运行。 图2 - 8 小区自控系统运行方式设置界面 f i 9 2 - 8s e t t i n g i n t e r f a c eo f t h e m 衄i n g m o d e o f a m o m a f i n gs y s t 帅 自控系统的操作画面立体感强，操作简单，直观，操作者可直接用鼠标完 成系统的操作，包括控制现场设各的运行、画面切换、故障查询及复位、参数 设定，所有信息包括报警、数据等均采用中文，便于操作者操作使用，每个监 测点均有一个历史和实时曲线在机房控制机上显示，供工作人员实时监测和调 控。 图2 - 9 自控系统监测点的趋势曲线 f i g2 - 9 t r 曲d l i n e o f t e s t i n g p o i n t so f t h ea u t o m a t i n gs v 毗锄 生活热水系统用水随机性很大，且用户对每一时刻的供水参数，例如流量、 水压、水温等有较高要求，设置自控系统以实现热水系统的自动化调节，有利 于系统合理、稳定的运行。 2 3 系统强制循环装置应用 强制循环装置是小区单管热水供应系统中的关键部件，对保证该系统的正 第2 苹小区单管热水供应系统概况 常运行起着重要作用，下面对其应用进行简要分析。 强制循环装置主要由喷嘴、真空室、混合管及扩散管等组成( 见图2 1 0 ) ， 在干管内当具有一定压力的热水通过喷嘴以一定的速度喷出时，将真空室内的 空气带走，随即真空室出现真空，将“下给水”立管内的热水吸入，使立管内的 热水形成循环流动，两股热水在混合管内进行能量交换，喷出热水的速度减小， 被吸入热水的速度增加，在混合管出口，二者趋近一致，压力逐渐增加。混合 热水通过扩散管后，动能进一步转换成压力能，压力进一步提高，最终促使干 管内的热水流动。 图2 - l o 强制循环装置不恿图 f i g2 - 1 0s k e t c hm a po ff o r c e dc i r c l es e t 应用流体力学理论对强制循环装置运行的基本条件分析如下： 如上图所示，对0 - 0 截面和1 1 截面联立伯努利方程有： 譬+ 专+ 吼2 譬+ 丢+ 风+ 幽( 2 q ) 式中： p o 小0 截面上液体的压强； r 液体的重度； v 。o 一0 截面上液体的速度； g 重力加速度； 风o - 0 截面的位置高度； p l l - 1 截面上液体的压强； v l 一1 1 截面上液体的速度； h 一1 1 截面的位置高度； 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 ho 1 卅0 截面至0 - 0 截面的水头损失。 由于0 - 0 截面和1 - 1 截面的位置高度相同，因此h o = h l ，可以得 譬+ 茜= 譬+ 丢2 “c 2 国 ， 2 9 厂 2 9 u - 1、 对于2 2 截面和3 - 3 截面联立伯努利方程有： 譬+ 苦+ 吼2 譬+ 丢2 + 日，+ 吆s c 2 。， ， 2 9 ， 2 9 一、 式中： p - 2 2 截面上液体的压强5 r 一同上； v ，2 2 截面上液体的速度； g 一同上； h ：_ 2 - 2 截面的位置高度； b q 3 截面上液体的压强； v 3 _ 3 - 3 截面上液体的速度； h ，- 3 3 截面的位置高度； | 1 1 2 - 3 - 2 - 2 截面至3 - 3 截面的水头损失。 由于2 2 截面至3 - 3 截面的截面面积相差不大，则v 2 和v 3 可看作基本相等， 同时两截面高度相同，可得h 2 = h 3 。则有： 譬= 譬+ a h 2 3 ( 2 4 ) rr 、 要使支管内的热水能够循环回主管，就必须有p i p 3 才能实现。联立方程 ( 2 - 2 ) 和( 2 q 可得： 譬+ 石v o 一生2 9 一 等一j l ( 2 _ 5 ) ，l 2 9 俨 ， p 一 由于p o = p 2 ，则上式可以简化成：v 0 2 一 ，1 2 2 9 ( a h o - i + a h 2 3 ) 。 强制循环装置的工作原理类似水射器，上述推导表明，其应用在理论上可 以实现支管的热水循环，但要成规模的应用于实际工程，还需注意如下问题： 1 4 第2 章小区单管热水供应系统概况 ( 1 ) 热水供应系统最突出的特点是热水用量的不均匀性。热水用量在全天各个 时间是不均匀的，而且随着生活习惯及季节的不同，差别较大，则在实际应用 中，系统的各项运行参数诸如：流量、压力等存在较大变化范围。因此，若选择 单管系统，则需尽可能准确把握热水使用的规律性，以作为强制循环装置设计 的参考，从而保证其能正常工作，以维持系统运行的稳定性。( 2 ) 强制循环装 置的适用范围需要深入研究。本次调研的小区属于低层建筑，各建筑的规模、 布局均很相似，此时强制循环装置能够正常工作，但条件发生改变时，例如高 层建筑、建筑物分布规律等，在此条件下，强制循环装置是否适用还有待探讨。 ( 3 ) 强制循环装置在整个热水供应系统中的应用尚属首次，保证其在热水工程 中“标准化”、“规范化”，做到有理可循，有据可依是关键，另外强制循环装置 的制作水平，也是影响其工作效果的关键因素，例如喷射角a 1 、扩散角砣、收 缩半角b 、混合管长度l a 、扩散管长度i b 等，这些必须根据工程的具体情况经 严格水力计算和实验验证确定，因此还需将其“产品化”才能有利于推广，有益 于单管热水供应系统的发展。 2 4 本章小结 通过上面分析可以得出以下结论： ( 1 ) 问卷调研结果显示用户对小区单管热水供应系统的正面评价占大多数， 表明其应用前景很好，有必要对其运行性能进行测试分析，为其推广提供理论 支持。 ( 2 ) 相对于传统热水供应系统，小区单管热水供应系统节省了大部分回水管 道，节材、节地等效果明显。 ( 3 ) 小区单管热水供应系统配有自控系统，对其合理、稳定运行起到了重要 作用，与传统的控制管理系统相比具有优化系统管理、减少运行费用和减轻管 理人员劳动强度等显著优点 ( 4 ) 无动力强制循环装置是小区单管热水供应系统的核心部件，也是确保单 管热水供应系统能否顺利推广的关键，鉴于其重要性，因此还有待对其深入分 析，而保证该环装置的“标准化”、“规范化”和“产品化”是将来进一步研究的目 标。 1 5 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 第3 章小区单管热水供应系统性能测试分析 小区单管热水供应系统是否可行，仅凭问卷调研还没有足够说服力，有必 要对其运行性能进行测试分析。笔者0 7 年4 月、9 月份两次对该系统进行了初 步测试，并结合测试结果进行了探讨研究，以为该系统的推广应用提供必要的 依据。 热水系统区别于冷水系统的主要技术指标之一是“温度”，对此，现有规范 中也有明确要求，如系统热损失、户内出水温度、系统温降等。故本项研究对 正常运行中的小区单管系统进行了多天的现场测试，但由于实测条件和测试手 段的限制，仅分析探讨了其户内出水温度情况和系统温降参数。 3 1 户内出水温度测试分析 小区单管热水供应系统的户内配水点处，能否在规定时间内获得满足要求 的热水是验证其循环效果的可行方法。小区集中生活热水供应设计规程 ( c e c s 2 2 2 ：2 0 0 7 ) 中规定：“采用集中供应热水系统时，配水点放水1 5 s 的水温不 应该低于4 5 c ”。为此，对该居住小区入住率较高的环路1 区部分用户( 见图3 1 ) 进行了户内出水情况测试。 图3 1 小区单管热水供应系统测点位置示意图 f i g3 - is k e t c hm a po f s i g l e - p i p eh o tw a t e rs u p p l ys y s t e m 1 6 茎：茎尘呈：垫奎! ! 堡耋篓耋譬篓薹垒丝 3 1 1 测试方案 测试仪器：贴片式温度传感器精度等级：a 级，测量范围：0 3 0 0 c ( 见图 3 2 kx s d c 多通道液晶数显仪：可与压力、温度等传感器配合，实现对温度、 压力等过程量的测量、变换、显示、记录、转存、通讯和控制。该数显仪最多 4 通道测量输入，适用于电压、热电阻等类型的信导。4 m 内存用于测量记录， 可记录2 6 万此数据，具备u s b 接口，可随时将记录的历史数据转存到u 盘上。 ( 见图3 - 3 ) 毽d 醚蠹 j ! 茎：些銮茎i ：茎些：耋竺耋兰 图3 - 5 、水表处出水温度* 试 f i g3 - 5 t h e t e s t i n g w a t 。m m m o f t h e w a t 日m e t e r 3 1 2 测试结果分析 本次测试中，户内出水时间达到6 0 s 时，出水温度早已稳定不再变化，则 取测试的前6 0 s 数据，分析各测点的出水温度变化曲线如下图所示： 图3 “a ) 水表前端址测点出水温度变化曲线 f i g3 - 6 ( 曲t e m p e r a t u r e c h a n g e a 啦o f h o t w a t g ro n t h e f r o n t o f w a t e r m 蜊订 ! ：鉴些! ! l ! i ! ! 些鍪l 1471 0 1 3 1 6 1 92 22 52 83 l3 43 74 04 34 64 95 25 55 8 时间( s ) - 一a 7 2 0 1 - 一b 3 5 0 3 b 1 0 4 0 2 固3 石m