罗志华，崔文静

(1.苏州华造建筑设计有限公司，江苏 苏州 215125； 2.悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215125)

1 概述

托儿所、幼儿园卫生间内均配有洗脸盆或盥洗槽，有的还设有淋浴室，需设置热水系统。此外幼儿园一般都设有配套厨房，厨房也需要使用热水，且厨房对热水的水温要求与幼儿园内盥洗槽水嘴和淋浴又有很大的差别。食堂热水水温可达50 ℃或根据需要设定，而幼儿使用的卫生间热水供水温度一般设定在35 ℃左右。合理可靠的热水系统既是保证幼儿使用安全的首要前提，又是满足不同使用功能的基本要求。

2 幼儿园常见的太阳能热水系统及其优缺点

目前幼儿园给排水设计中常见的太阳能+辅助加热热水系统有：

1)闭式系统，即采用闭式热水罐(单罐/双罐)，热水出水温度控制在55 ℃～60 ℃。用水点采用双管制，即冷水管和热水管分开设置。末端用水点处采用温控阀控制水温，且设置配套的高温报警装置，以防止烫伤幼儿。该系统热水出水温度在55 ℃以上，水中细菌总数等含量低于国家GB 5749生活饮用水卫生标准中规定的相关指标[1]，同时也满足GB 50015—2019建筑给水排水设计标准(以下简称“建水”)中热水系统不设灭菌消毒设施时热水出水温度的要求。该系统冷热水水压平衡，易于温控阀调节水温。缺点是每一处用水点均需设置温控阀调节水温，温控仪感应水温，高温报警装置超设定温度后报警。系统比较复杂、工程造价高、后期检修维护费用也较高。温控仪或高位报警装置为瞬时感应，存在滞后，且失灵后也会引起烫伤事故。

a.系统冷热水水压不平衡，混合龙头出水处水温波动大，使用时极易感觉不舒适，水温调节不变，有时甚至难以调节。幼儿在使用时很容易出现忽冷忽热，甚至烫伤的情况。因冷热水水压不平衡，也不适用于温控阀调节末端水温。

b.集热储热共用一个水箱，当温度低于设定温度时，辅热也会同时启动，就会出现在太阳能可以满足使用要求的前提下，辅热系统也会经常动作，不能充分利用太阳能，发挥太阳能的集热作用，不节能。且不满足“建水”中第6.6.5条规定的集 热设备与供热设备宜分开设置的要求。

3)托儿所、幼儿园热水使用温度为35 ℃左右。当开式热水箱的热水温度设定为60 ℃时，虽然可以有效控制水中的细菌数量，但是末端使用不方便且可能引起事故。当开式热水箱的热水温度设定为40 ℃时，又存在如下问题:a.太阳能得不到充分利用；b.水温长期低于45 ℃，容易滋生致病菌，尤其是军团菌之类的致病菌，需设置灭菌消毒设施。

3 开式混合水箱单管供水的太阳能热水系统

3.1 基本系统

基于上述描述幼儿园太阳能热水系统存在的问题，以及根据JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范(以下简称“幼建规”)要求：托儿所、幼儿园宜设置集中热水供应系统，应采用混合水箱单管供应定温热水系统[2]。本设计在统一考虑“幼建规”和“建水”中相关要求的前提下，采用三水箱单管制开式热水系统。系统原理图如图1所示，既可以避免水温过低滋生细菌，又可以达到使用要求。

本系统的工作原理如下：

1)太阳能集热部分：本系统可采用平板型、玻璃金属真空管型、热管式、全玻璃真空管型等太阳能集热器。设置太阳能开式集热水箱，一用一备两台太阳能集热循环泵P1，由太阳能集热器与集热水箱之间的温差控制循环水泵的启停，当太阳能集热器温度T1大于集热水箱T2，且温差为10 ℃时启泵，温差为5 ℃时停泵。当太阳能集热器温度T1小于集热水罐T2时，不循环。冬季温度过低时，开启放空阀防空集热器中的水，以防冻坏。

2)储热水箱：生活给水不直接补水至储热水箱，通过与集热水箱之间设置连通管溢流补水。与集热水箱连接的连通管设置在集热水箱上部1/3处。此外储热水箱通过热水加热循环水泵P2与辅助加热系统连接，当储热水箱水温T3≤55 ℃时P2启动，辅助加热设备工作；T3≥60 ℃停泵，辅助加热设备停止工作。当采用天然气做辅助热源时，储热水箱的容积依据“建水”中的第6.5.11条第1小条计算，按导流型容积式水加热器确定，储水容积取30 min的小时热水量。

3)供热水箱(混合水箱)：供热水箱与储热水箱之间设置连通管和循环水泵P3。当混合供热水箱水温T4≤35 ℃时P3启动；T4≥40 ℃停泵。供热水箱只起混合水温的作用，储热水箱即相当于快速水加热器，同样参考“建水”中的第6.5.11条中第2小条，供热水箱的储水容积按照15 min的小时热水量计算。

定义3 跳数度量：是指从源节点到目的节点所经过的节点的数目.跳数是一个重要的衡量指标，因为它的多少能够间接的反应出延迟时间的多少.

4)补水控制：补水设计是本系统运行的关键。本系统通过液位控制阀补水，补水主管设置电动分流三通阀V1，一路补水管至集热水箱，一路分至供热水箱；传动管及控制浮球设置在供热水箱处。当供热水箱水位下降时，传到浮球下降，液位阀开启补水，此时分两种情况：

a.当T4<40 ℃时，V1上通道打开，往集热水箱补水，通过三个水箱之间的连通管最终溢流至供热水箱，由储热水箱溢流过来的高温热水正好与供热水箱中温度较低的水混合以达到使用要求。

b.当T4≥45 ℃时，V1下通道打开，往供热水箱补水并降低其水温。

此种补水方式既保障了供热水箱的水位，又使集热水箱乃至整个系统里的水得到了循环使用，充分利用了太阳能。

5)热水供热系统：采用热水供水水泵P4，一用一备，互为备用。热水系统的循环由热水回水管上的电接点温度计自动控制：启泵温度为35 ℃，停泵温度为38 ℃。热水供水管的管径应同时考虑热水用水量和回水量。

6)辅助加热可采用天然气或其他热源:该系统对太阳能集热器的形式不限，承压和非承压都可使用。该系统对集热水箱不设定最高温度，这样可以充分利用太阳能加热热水。当天气情况好时尤其是夏天，集热水箱的水温有可能高达90 ℃以上，太阳能集热系统可以充分集热储热。本系统的冷水补水方式，一是为了充分利用太阳能，二是为了使水加热至60 ℃，并长期保持在60 ℃以上，充分杀菌灭菌。补至供热水箱的冷水仅是用作调节水温。

3.2 改进系统

此系统还可以通过局部调整改进，增加以下功能和作用：1)增加防冻循环，保护太阳能集热器；2)增加控制系统，充分利用热量，节约能源；3)调整热水系统回水管路，避免P3水泵频繁启动,如图2所示。

改进后的开式太阳能热水系统增加了以下几方面内容：

1)增加太阳能集热循环水泵从储热水箱吸水管路，并在集热和储热水箱吸水管上增设电磁阀。当T1≤5 ℃时，电磁阀D1关闭，D2开启进行防冻循环。T1>5 ℃时，电磁阀D2关闭，D1开启。

2)太阳能集热系统当T1>60 ℃(或按设定温度)，电磁阀D2开启，储热水箱也可与太阳能集热器进行循环换热。太阳能集热循环回水管虽然回水到集热水箱，但是通过连通管，最终进入储热水箱，这样如果太阳能能够满足使用要求的前提下可以充分利用太阳能，避免启动辅助加热系统，节省能源，降低碳排放。

3)热水系统的回水管直接回水至储热水箱进行加热，通过连通管，加热后的水流至供热水箱，可减少循环水泵P3启动的次数，节省能耗。

3.3 与幼儿园厨房合用系统

幼儿园内两个最主要的热水用水点一个是盥洗室，另一个就是厨房，两者对热水的水温、水量、使用时间都有很大的差别。分设两套热水系统，虽利用使用管理，但是工程造价大。在上述热水系统的储热水箱后再增设一个厨房热水供水水箱及一组热水供水水泵即可满足厨房热水使用需求，供水水箱出水温度55 ℃或按使用要求设定。回水也直接回至储热水箱。储热水箱的容积按照厨房和盥洗总的设计小时热水量为基础计算。厨房和盥洗室热水供水系统分开，满足各自热水使用要求，且两者互不影响。

4 其他热水系统

当不利用太阳能作为热源，用其他热源时，只需将储热水箱前面的系统按照需要替换掉，后面供热水箱及相应的循环不变。以目前使用较多的空气源热泵为例，系统原理图如图3所示。

此系统储热水箱的容积应按照“建水”中第6.6.7条规定的计算，分设置辅助加热和不设置辅助加热两种参数取值计算。热泵机组循环水泵的启停由T1确定，当T1<55 ℃(或按设定值)时启动；T1≥60 ℃(或按设定值)停泵。设置有辅助热源的系统，辅助热源是否启动可由热泵机组检测到的环境温度决定，如当环境温度小于10 ℃时启动，不小于10 ℃时辅助加热系统停止运行。辅热系统循环水泵的起停也由T1控制,当T1<50 ℃启泵，T1≥55 ℃停泵。其他水泵的启停同太阳能热水系统。补水仍通过液位控制阀和补水主管设置电动分流三通阀V1补水，一路分至储热水箱，一路分至供热水箱；传动管及控制浮球设置在供热水箱处。

5 与常用太阳能热水系统的对比

开式混合水箱单管供水的太阳能热水系统与其他形式的太阳能热水系统在幼儿园供热水项目应用中优缺点对比如表1所示。

从表1中可知，在托儿所、幼儿园建筑中，开式混合水箱单管供水的热水系统，工程造价适中，同时又满足幼儿使用的水温、水质需要，可以稳定的供应定温热水。该系统也易于调整，与其他系统结合使用，方便灵活。此系统也适合老年人照料设施、医院、监狱等建筑中为弱势群体、特殊群体等需设置防烫伤措施的群体提供热水使用的热水系统。闭式双管太阳能热水系统更适合其他公共建筑使用，可调节水温，满足不同使用者的需求。开式单水箱热水系统，不能充分利用太阳能，不节能，难以同时满足幼儿园热水使用的水质水温要求。

表1 幼儿园常用太阳能热水系统对比

6 工程案例

苏州姑苏区某幼儿园为3年8班制，共设24个班。每班按30人计，每人热水用水量取20 L/d，每日使用时间10 h，小时变化数为4.25，此幼儿园的设计小时耗热量为1 550 278 kJ/h(430 kW)，设计小时热水量为9 617 L/h(设计热水温度取40 ℃)。本工程采用开式混合水箱单管供水的太阳能热水系统，设置平板型太阳能集热器，集热器面积约为136 m2，热水水箱及设备均设置在屋面上。本工程集热水箱容积为9 m3(2 m×3 m×2 m(h))，储热水箱容积为5 m3(2 m×2 m×2 m(h))，供热水箱容积取2.5 m3(2 m×1 m×2 m(h))。此系统目前运行状况良好，出水水温及水压都稳定正常，满足使用要求[3]。

7 结语

开式混合水箱单管供水的太阳能热水系统增加了一个容积较小的供水水箱，冷水补水通过液位控制阀和电动分流三通阀控制。液位控制阀的传动管及控制浮球设置在供热水箱处，通过供热水箱水位的变化控制液位控制阀的开启。电动分流三通阀通过供热水箱的水温控制分流通道打开的方向，从而控制冷水是补进集热水箱还是供热水箱。这样设置既充分利用了太阳能，又满足水质和使用水温的要求，同时也满足“幼建规”中规定的集热供热应采用混合水箱单管供应定温热水系统的要求，是此系统的核心。此外该系统还可以通过增加热水供水管路等同厨房等其他有热水需求的使用设施共用集热和储热系统。