家用集成热水系统的设计

家用集成热水系统的设计

黄炜锴  

身份证号：440681198905062070

摘要：目前我国对于装配式建筑的研究工作，主要集中在建筑与结构专业，而国内关于装配式建筑中机电管线的技术研究还停留在预留洞与预埋套管的阶段，对于机电管线集成的技术研究尚为空白。建筑给水排水工程设计作为建筑机电设计的一部分，在装配式建筑中的研究也刚刚起步本文以机电设备与管线集成为出发点，引人集成热水机组新技术。

关键字：家用集成热水；系统设计；措施

1集成热水机组

1.1集成储热机组

集成储热机组主要有承压储热水罐、热媒循环泵组、板式换热器、阀门及管道配件组成。集成后机组的平面尺寸Ｌ（长）×Ｂ（宽）：5100ｍｍ×1900ｍｍ，相比各设备独立安装，集成储热机组占地面积可节省40％-50％左右。集成后的机组可通过法兰片预留冷热水进、出水口和热媒进、出水口，接入热水系统和热媒系统，实现内部组件工厂加工，现场标准安装，机电设备装配式施工管理的需求。集成储热机组自带控制系统，通过机组上设置的温度计、温控阀、压力表等附件，自动控制水泵启、停，实现储热水罐的加热需求。

1.2集成循环泵

集成循环泵组主要有热水循环泵、膨胀罐、阀门及管道配件组成。集成后机组的平面尺寸Ｌ（长）×Ｂ（宽）：1400ｍｍ×1100ｍｍ。相比各设备独立安装，集成循环泵组占地面积可节省20％-30％左右。集成后的机组可通过法兰接口预留热水进、出水口，接人热水系统，实现内部组件工厂加工，现场标准安装，机电设备装配式施工集成循环泵组自带控制系统，通过机组上设置的温度计、压力表等附件，自动控制水泵启、停，实现热水管网的加热需求。

2机组制造工艺特点

相比常规热水机房的设备和管道现场安装情况，集成热水机组的制造工艺有着明显的优势，机组的每个制造工序均有严格的制造标准和检测手段。下料阶段采用数控大型刨边机、数控卷板机等大型设备进行数控等离子切割下料，规则材料，节省成本。焊接工艺采用等离子焊接技术一次打底，氩弧焊二次盖面，配套接管法兰管箱采用全位置全自动CO２气体保护焊接技术，同时作机械式喷雾酸洗钝化处理。金工技术采用在数控加工中心管板钻、铣一次加工成型。集成热水机组内的设备与管线应用信息技术（ＢＩＭ）进行协同设计，包括性能分析、方案优化、专业协同、管线综合、碰撞检测等措施。机组内的各主要部件按功能模块划分，由不同的生产车间进行标准化生产后完成组装，并进行产品的安全性测试，同时满足相应的技术规范和生产工艺要求。

3家用集成热水系统

3.1无电的情况下

在无电的情况下，因燃气进水口阀设置为常闭，太阳能旁通阀设置为常开，则能正常使用平板式太阳能热水器，回水加热循环系统不工作。

3.2储热水箱出水口温度达到的情况下

当储热水箱出水口温度达到设定温度(一般设为45℃左右)，则无需经过燃气热水器加热，直接可以回水循环和使用热水，此时燃气进水口阀和太阳能旁通阀都处于断电状态。此为家用集成热水系统最理想的状态。

3.3储热水箱出水口温度未达到的情况下

当储热水箱出水口温度未达到设定温度，在用水的过程中，则需要经过燃气热水器辅助加热之后再进行回水循环和使用，此时需控制燃气进水口阀和太阳能旁通阀均通电，则燃气进水口阀打开，太阳能旁通阀关闭。当回水温度达到设定的温度时，停止加热。

4不同类型的太阳能热水系统

4.1别墅型太阳能热水系统

别墅型太阳能热水系统由太阳能集热器、保温水箱（内设电加热器、水位和水温控制器）、循环泵和智能控制器以及管道系统组成。系统的定温加热方式：晴天在太阳照射下集热器内的水温逐渐升高当水温t1达到55℃（t1可由用户自行设定）时智能控制器开启自来水管路上的电磁阀D1依靠自来水（或高位水箱）的压力将集热器中的热水压入保温水箱内储存待用。当t1≤45℃时D1关闭集热器继续加热（闷晒）依次重复直到生产足够量热水为止。阴雨天太阳辐射照度弱时可通过智能控制器开启D1向保温水箱注冷水（注水量可由用户根据实际情况而定保温水箱的水位可视）由电加热器加热至55℃。当保温水箱内的水温t2低于45℃（t2可由用户自行设定）时智能控制器开启电加热器进行加热水温达55℃时电加热器停止工作。用户在使用热水前由智能控制器开启循环泵以免浪费冷水。

4.2分时段供应热水系统

4.2.1　分时段定温加热热水系统

4.2.1.1系统的工作原理

1）集热器生产热水的方式晴天：08：00开启自来水管路上的电磁阀D1向集热器内注满冷水开始加热（闷晒）当集热器内的水温t2达到55℃（设定值）时由控制装置打开集热器管路中的电动阀D2；增压泵B1启动将集热器内55℃的热水送入贮热水箱当t2≤45℃时D2关闭B1停止工作集热器内的冷水继续加热（闷晒）依次重复到17：30无太阳辐射为止。在以上过程中贮热水箱内的水位从低到高变化中午和晚上用热水时间段前贮热水箱的水位最高。当贮热水箱内的水温t3≤50℃时开启空气源热泵机组进行加热保持水温。阴雨天：集热器生产热水的方式与晴天时相同但由于阴雨天太阳辐射比晴天弱因此集热器加热的时间相对较长。当集热器内的水温长时间（大于控制设定值）还未达到55℃时空气源热泵机组就得投入工作。雨天：雨天或连续雨天无太阳辐照量时集热器就失去生产热水的能力这时空气源热泵热水机组就得承担全部的热水量。2）空气源热泵机组生产热水的方式空气源热泵机组名义上作辅助加热的热源实际上它每天所承担的生产热水的量与集热器生产的热水量几乎是相同的。晴天：07：00－08：00和11：30－13：00用热水时间段过后贮热水箱的水位低于最低水位时就得向贮热水箱注入冷水空气源热泵投入工作边注冷水边加热当水位达到最低水位限值时停止注水但空气源热泵机组继续加热直至水温达到55℃为止。晚上用热水时间段过后保持贮热水箱的最低保证水位和水温即可。阴雨天：长时间集热器内的水温达不到55℃时空气源热泵机组投入工作工作时间比晴天长。阴雨天时还有一种节能的生产热水的方法：将t2调低至40～45℃进入贮热水箱再经空气源热泵机组进行加热这样既提高了集热器的效率又提高了空气源热泵机组的效率。雨天：雨天或连续雨天无太阳辐照时前一天晚上提前生产第二天早上需要的热水；08：00后生产中午需要的热水；13：00后再生产晚上需要的热水。分析集热器和空气源热泵机组生产热水的过程（晴天、阴天、雨天）可知在3个用热水时间段内贮热水箱的水位可能出现低于最低保证水位（b）的情况此时因为正在使用热水不能向贮热水箱内注冷水一定要到使用热水时间结束或到最低注水水位（a）时才能注冷水加热。

4.2.1.2使用热水

不论晴天还是雨天在白天和晚上的部分时间空气源热泵都要生产热水如果向贮热水箱内注入冷水会导致贮热水箱内的水温不稳定（低于55℃）无法提供合格的热水所以只能在每天的早、中、晚3个时间段提供合格的热水。

4.2.1.3适用范围及系统特点

分时间段定温加热热水系统适用于小学、中学、大学和工厂企业对使用热水要求较低的场所。只设置1个贮热水箱（2个连通的算1个贮热水箱）系统较简单控制系统也简单；贮热水箱的容积小（不以日用热水量来确定贮热水箱的容积）投资少。不论晴天还是雨天白天和晚上有部分时间空气源热泵机组因需要生产热水要向贮热水箱内注冷水而使得贮热水箱的水温不稳定无法提供合格的热水。因此只能在每天的早、中、晚3个时间段提供合格的热水。

4.2.2分时段温差加热热水系统

4.2.2.1系统的工作原理

1）集热器生产热水的方式

晴天：早上用热水时间段过后（08：00）开启B1D1边注冷水边循环加热（注冷水量约为集热器日生产热水量的50％）当贮热水箱内的水位升到高水位c时D1关闭B1继续工作循环加热直到贮热水箱内的水温达到55℃。按设计工况中午使用热水前贮热水箱内的水温恰好达到55℃供中午时间段使用。13：00过后重复08：00后的步骤直到17：30前将贮热水箱内的水加热到55℃为止。阴天：当贮热水箱内的水温长时间上升缓慢时空气源热泵机组就得启动投入工作将贮热水箱内的水继续加热至55℃。一般来说集热器和空气源热泵机组同时对贮热水箱内的水进行加热这样对中午或晚上供应热水更为安全可靠。雨天：连续雨天无太阳辐照量的情况下集热器失去了加热的功能此时每天3个时间段的热水全部由空气源热泵机组负责生产。所以雨天时空气源热泵机组要在3个用热水时间段前将所需的热水生产完毕待用。不论是晴天、阴天还是雨天晚上用热水时间段过后空气源热泵机组应安排合适的时间生产第二天早上的热水即保证贮热水箱内的最低水位。

2）空气源热泵机组生产热水的方式

晴天：晚上用水时间段过后空气源热泵机组应安排第二天早上的用热水量或贮热水箱的最低水位的热水量。阴天：当贮热水箱内的水温上升缓慢时空气源热泵机组就得投入运行将水继续加热至55℃一般来说阴天集热器和空气源热泵机组同时对贮热水箱内的水进行加热。雨天：连续雨天且无太阳辐照时集热器无法生产热水每天的热水用量都要由空气源热泵热水机组承担空气源热泵机组应在早、中、晚3个用水时间段前将其所需的热水生产好待用。

4.2.2.2　使用热水

不论是晴天、阴天或雨天当用热水时间段过后都要向贮热水箱内补充冷水而使水温不稳定（低于55℃）无法提供合格的热水。所以该系统只能在每天的早、中、晚3个时间段提供合格的热水。

4.2.2.3适用范围、系统特点及注意事项

分时间段温差加热热水系统适用于小学、中学、大学和工厂企业等对使用热水要求较低的场合。分时段温差加热热水系统除了集热器的效率比定温加热系统高以外其他特点相同。阴天生产热水时应注意启用空气源热泵机组的时间保证贮热水箱内的热水温度；贮热水箱的最低水位应能保证3个用热水时间段中最长时间段的热水用量。

4.3连续供热水系统

4.3.1系统生产热水的方式

晴天：08：00前将贮热水箱注满冷水开始温差循环加热当贮热水箱内冷水经集热器循环加热至55℃时停止循环加热将贮热水箱内55℃的热水储存到恒温水箱内当贮热水箱55℃的热水放到限制水位时停止放水。同时重新向贮热水箱内注冷水边注冷水边循环加热达最高水位时停止注水继续循环加热依次重复直到17：30无太阳辐照为止集热器完成了它当天生产热水的任务。阴天：集热器每天生产的热水量要比晴天时生产的热水量少其减产的部分要由空气源热泵机组承担。为了保证日用热水量的要求集热器加热过程中在控制方面设置了时间限定值当超过限定值贮热水箱内的水温还未达到55℃时空气源热泵就立即投入工作继续将贮热水箱内的水加热至55℃然后放到恒温水箱内储存起来依次重复生产热水。雨天：仍有一定的太阳能辐照量时集热器生产热水的方式与阴天时相同当连续雨天且无太阳能辐照量时集热器就无法生产热水了。当连续雨天且无太阳辐照时空气源热泵机组就要承担全部日用热水量的生产任务。空气源热泵机组生产热水的时间尽量安排在17：30以后但当白天集热器生产的热水量不够使用时在某一时间也得启用空气源热泵机组生产热水以满足热水量的要求。

4.3.2　系统特点、适用范围及注意事项

生产热水、储存热水、供应热水流程清楚；任何时刻系统的热水量有保证热水温度稳定可以连续供应热水；贮热水箱和恒温水箱的容积小投资少占空间少；优先使用集热器生产的热水然后使用空气源热泵机组生产的热水系统节能；操作明晰管理方便。它适用于任何需要连续供应热水的场所。贮热水箱位置比恒温水箱高且放水管的管径设计时应大些加快放水速度缩短加热时间；贮热水箱应设置最低水位其量为贮热水箱的20％～30％这样可缩短因放热水而影响加热的时间；恒温水箱的最低保证水位对应的水量为最长高峰时间的用热水量。

结束语：家用集成热水系统充分利用太阳能，降低了人们在日常生活中的水、电、气的消耗，符合建立“资源节约型和环境友好型”社会的要求。虽然初期投资较高，但是运行费用低，且可以适用于城市高层住宅。如果房屋还有供暖的需求，还可以在该系统中加入地暖系统，无需增加热源。

参考文献：

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