建筑集中生活热水水质保障与节能节水关键技术研究与应用_赵锂.pdf

66 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）建筑集中生活热水水质保障与节能节水关键技术研究与应用赵锂1 刘振印1 王耀堂1 王睿1 沈晨1 傅文华1 李星2 匡杰1 刘永旺1 李建业1 高峰1吴雁云3 顾小平4 王智会5 张方斋2（1.中国建筑设计研究院有限公司，北京 1 0 0 0 4 4；2.北京工业大学，北京 1 0 0 1 2 4；3.上海通华不锈钢压力容器工程有限公司，上海 2 0 0 1 2 0；4.浙江杭特容器有限公司，浙江 3 1 2 3 0 0；5.北京索乐阳光能源科技有限公司，北京 1 0 2 2 1 2）摘要 项目组针对集中生活热水系统军团菌问题频发、出热水时间长、太阳能系统复杂、集热效率差等威胁百姓身体健康，阻碍行业技术发展的关键问题，开展了十余年的技术研究，首次在全国范围内围绕建筑集中生活热水系统展开系统性的研究，通过为期3年的热水系统调研，识别出集中生活热水系统关键科学问题，并针对性的开展技术研究、产品开发、标准编制，创建了集中生活热水灭活军团菌关键技术，研发了集中生活热水低碳节能与节水加热设备，形成了集中生活热水系统节能节水提效循环技术，建立了集中生活热水系统水质保障标准体系，实现了产品化、产业化，成果应用于大量国家重点项目及民生工程，系统性的解决了集中生活热水系统水质安全、节水节能问题。关键词 建筑；集中生活热水；水质保障；节能节水；关键技术Research and Application of Key Technologies of Water Quality Assurance as well as Energy-saving and Water-saving for Centralized Domestic Hot Water in BuildingsZhao Li1,Liu Zhenyin1,Wang Yaotang1,Wang Rui 1,Shen Chen1,Fu Wenhua1,Li Xing2,Kuang Jie1,Liu Yongwang1,Li Jianye1,Gao Feng1,Wu Yanyun3,Gu Xiaoping4,Wang Zhihui5,Zhang Fangzhai2China Architecture Design and Research Group,Beijing,100044；2.Beijing University of Technology，Beijing,100124;3.Shanghai Tong-hua Stainless Steel Pressure Vessel Engineering Co.,Ltd.,Shanghai,200120；4.Zhejiang Hangte Container Co.,Ltd.,Zhejiang,312300;5.Beijing Suole Sunshine Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing,100124）Abstract：The project team has carried out technical research for more than 10 years,aiming at the key problems of the centralized domestic hot water system,such as frequent legionella problems,long time for hot water discharge,complicated operation and poor thermal efficiency of the solar system,which has threatened peoples health and hindered the technical development of the industry.It is for the first time in China that the project team has conducted a 3-year systematic research on the centralized domestic hot water system of buildings nationwide,so as to identify the key sci-entific problems of centralized domestic hot water system.The project has carried out targeted technical research,product development and standard formulation,pioneered the key technology of inactivation of legionella in centralized domestic hot water,developed low-carbon,energy-saving and water-saving heating equipment,and formed the energy-saving,water-saving and efficient circulation technology of centralized domestic hot water system.The water quality assurance standard system of centralized domestic hot water system has been created,which has been productized and industrialized.The research results have been applied to a large number of national key projects and livelihood projects,systematically solving the problems of water quality safety,water-saving and energy-saving of centralized domestic hot water system.Keywords：building,centralized domestic hot water,water quality assurance,energy-saving and water-saving,key technologyDOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.014建设科技 67一 等 奖集中生活热水系统是宾馆、公寓、医院、老年人照料设施、高档住宅等建筑内百姓美好生活品质重要的评价指标之一，其安全性、舒适性、节能节水性均对百姓生活产生最直接、最深刻的影响。目前，建筑集中热水中存在致病微生物（军团菌等），水质安全无保障；传统太阳能集中热水系统形式复杂、集热效率低、节能效果差；容积式水加热器容积利用率低、永久性滞水、换热效率差；管道系统循环效果差、热损耗大、滞水、费水等问题均是集中生活热水系统的难点和痛点，严重影响了百姓在使用集中生活热水系统中的安全感和幸福感。项目组就集中生活热水系统存在的上述问题展开了十余年的研究，近三代人的研究团队依托多项国家及省部级课题，结合多年工程实践经验展开了持续性的探索研究。课题以建筑集中生活热水系统中存在的与居民生活和健康安全密切相关的水质安全为核心焦点，从关键性的科学问题出发，建立标准体系，开展应用技术研究，研发设备产品，旨从理论到应用全面地解决集中生活热水系统中的痛点问题，技术路线如图1所示。图1 技术路线图1 建筑集中生活热水系统水质调研项目组历时3年，针对湖南、湖北、河南等地主要城市及北京市主城区的35个集中生活热水系统展开调研。对具有代表性使用功能的大中型建筑物，随机选取建筑内生活热水水质进行检测分析，评价集中生活热水系统水质。针对冷热水水质对比的调研，检测了二次供水（包括集中生活热水、生活给水）中温度、余氯、溶解氧浊度等理化、微生物指标。围绕生活热水中军团菌和非结核分枝杆菌以及异养菌的污染情况检测。采用现场快速检测与实验室检测双向进行、实验结果相互验证的试验方法，对生活热水中的军团菌和非结核分枝杆菌进行研究。调研数据分析得出，集中生活热水系统中机会致病菌军团菌和非结核分枝杆菌阳性样本检出率分别为23.4%和14.89%，同时检出率为13.64%，在同一建筑内分布无规律且存在同一建筑同时检出军团菌和非结核分枝杆菌的情况，二者同时存在于同一建筑热水系统的几率较大，生活热水中军团菌和非结核分枝杆菌污染情况严重。依据调研结果分析热水水质下降的原因主要有：水质随温升稳定性降低，存在被军团菌污染风险；系统内存在冷温水滞水区段，这些冷温水滞水区段成为滋生病菌微生物的摇篮；水加热器出水水温55的状况下系统未有专用的灭菌消毒措施，水质污染风险较大。2 集中生活热水灭活军团菌关键技术研究2.1 建筑集中生活热水系统水质安全消毒技术研究展开基于水力条件与消毒效果的生活热水质安全消毒技术研究，评价了氯、二氧化氯、银离子、高级催化氧化以及不同复合形式的常用二次消毒技术在建筑集中生活热水系统的微生物灭活效能和副产物生成量及变化规律，构建了基于原位消毒与系统持续消毒相结合的复合消毒技术，验证物化消毒方式在生活热水二次消毒过程中的消毒效能和适用性，构建出基于水力条件与消毒效果的生活热水安全消毒技术。在生活热水系统可行性及对水质的影响因素研究中明确了氯、二氧化氯、银离子、热力等以及不同复合形式的冲击消毒方式的微生物灭活效能和副产物生成量及变化规律，其揭示了生活热水管道中水质、水力条件等因素对生物安全性的影响，确定生活热水系统的微生物变化规律，明确了附着态生物膜和悬浮态微生物对水质安全性的影响程度，提出生活热水管道生物安全性控制措施，为建筑给水与生活热水的安全消毒技术的建立提供支撑。2.2 建筑集中生活热水系统专用消毒装置研发在对集中生活热水系统消毒技术的广泛研究的基础上，项目组搭建了中试测试平台，经过反复测试研发了集中生活热水系统银离子专用消毒装置和紫外线光催化68 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊二氧化钛（AOT）专用消毒装置。银离子消毒器消毒效果具有长效性，能对过水及整个系统管内壁进行消毒灭菌，抑制管壁生物膜的形成，从而对热水水质起到保障作用。热水循环系统通过采用银离子消毒装置灭菌的实验，测试原理图如图2(a)所示，在银离子平均浓度为0.05mg/L时，灭菌80min后细菌总数和异养菌的检出率已低于100cfu/mL，达到了生活饮用水卫生标准GB5749-2006的相关标准。AOT主要对水消毒灭菌，测试原理图如图2(b)所示，经试验实测，此装置的消毒时间为0.8s时，嗜肺军团菌灭活率为99.999%；消毒时间为1.2s时，细菌总数、异养菌和嗜肺军团菌的灭活率分别达到97.1%、96.9%和99%；消毒时间为2.0s时，细菌总数、异养菌和嗜肺军团菌的灭活率分别达到99.4%、98.4%和99%。由于AOT装置高级氧化作用的无选择性，在消毒杀菌方面能有很好的效果，因此它适用于各种生活热水系统。（a）银离子消毒装置测试系统 （b）AOT 消毒装置测试系统图2 集中生活热水系统专用消毒装置测试系统3 集中生活热水低碳节能与节水加热设备研发3.1 集贮热式无动力太阳能系统研发将太阳能集热、贮热、换热于一体的无动力太阳能系统简化了集热系统、提高了集热效率，解决了传统太阳能热水系统承压、高温、爆管、水质污染等根本性问题。其集热效率达50，是传统系统集热效率的23倍。其核心是适应太阳能低密度、波动性特点，将太阳能的集、贮、换热于一体，集热器由型集热管、开式集热外箱和闭式集热内箱组成。如图3所示，集热器顶部开式箱体，集热依靠自然循环，将集取太阳能光热的热水贮存在集热器顶部开式箱体内作为热媒，集热器非承压运行，利用水的温差实现自然循环；内箱内的冷水则可通过筒壁的热传导，同时集取外箱热媒水传导的热量，内、外箱在此过程中几乎处于同一水温且内箱内的冷水为闭式系统，水质不受污染；该系统不需要集中水箱，最大化实现建筑一体化的统一性、完整性。解决了传统太阳能系统水质无保障、集热效率低、系统复杂、集热器爆管频发等实际的应用难题。图3 无动力循环太阳能热水系统原理图3.2 半容积式水加热器研发半容积式水加热器创新性将换热部分与罐体部分完全分离，优化罐体结构使得交换后的热水强制进入罐底，利用系统循环泵保持罐内水温容积利用率达100%，保障了热水水质，通过上述措施彻底解决了传统型容积式水加热器永久性冷温水滞水区的痛点问题。在相同热媒负荷及供热工况下，与传统容积式水加热器相比半容积式水加热器换热能效提高了50%；机房面积节省了30%-15%，同时具有供水安全、稳定、可靠的特点。建设科技 69一 等 奖半容积式水加热器主要由一组改进的快速热交换器与一个中小型贮罐组成，换热部分与罐体部分完全分离，经交换后的热水强制进入罐底再往上升，这样可使系统用水时整罐水为同温热水，罐内水体充分换热，并无冷温水滞水区。半容积式水加热器既有适量的调节容积又有满足最大小时用热量的加热能力，所以它既可保证设计秒流量的供给，供水安全可靠又不需增大热媒负荷，但其贮热容积即罐体大小可比同样加热能力的容积式水加热器减少66%。半容积式水加热器实物图，如图4所示。图4 半容积式水加热器4 集中生活热水系统节能节水提效循环技术研究课题组搭建了全国首例集中生活热水循环模拟系统，通过对100余种运行工况反复测试研究，明确了依据不同循环方式选择循环流量的原理和方法，确定循环泵流量可按不同循环措施分别确定，这样选择合理，节能。提出了导流三通、温控循环阀，流量平衡阀的工作原理及其在系统中的应用原则：住宅调试、维护管理较困难的建筑，其循环系统宜首先同程布管，设导流三通、大阻力短管等措施保证循环效果。旅馆、医院等公共建筑的循环系统宜根据整个系统布管情况确定措施，当布管较复杂时，宜首先温控循环阀，流量平衡阀等方便调节且节能效果好的保证循环效果的措施；带有多个子系统或供给多栋建筑的共用系统，可采用多种循环措施综合使用的方法，如子系统可分别采用同程布管或设循环管件、阀件、子系统与母系统连接处可采用温控循环阀，流量平衡阀，小循环泵等综合方式来保证整个大系统的循环效果。5 建立集中生活热水系统水质保障标准体系项目组通过大量的试验研究来验证生活热水系统中军团菌等建筑管道机会致病菌OPPPs的灭菌措施，并对国内多个城市进行热水水质数据调研，在此基础上编制了生活热水水质标准CJ/T521-2018、集中生活热水水质安全技术规程 T/CECS510:2018和生活热水水质安全技术标准实施指南。生活热水水质标准是中国首部关注集中生活热水的水质标准，针对我国生活热水关键性水质指标的缺失问题，首次提出了集中生活热水供应系统的关键性水质指标及限值，为生活热水水质保障提供了理论参考依据，集中生活热水水质安全技术规程从系统设计、管材、二次消毒灭菌技术到施工安装、维护管理及提出了热水系统危害分析的应急控制点（HACCP）概念，补充和完善了集中生活热水的设计、施工和运营维护的相关内容，对热水系统水质保障的技术措施进行了全面的应用解析。生活热水水质安全技术标准实施指南全面详细的介绍了生活热水水质存在的问题关键点、水质保障技术的背景现状以及水质标准的编制细则依据及技术规程的详细解析。6 应用情况及推广（1）在标准规范方面，项目组在十余年广泛调研、试验研究、技术创新、设备研发的基础上，不断凝练总结，其研究成果相继纳入主编及参编的标准规范建筑给水排水设计标准（GB50015-2019）、城镇给水排水技术规范（GB50788-2012）、无动力集热循环太阳能热水系统应用技术规程（T/CECS 489-2017）、办公建筑应对“新型冠状病毒”运行管理应急措施指南T/ASC 08-2020、导流型容积式水加热器和半容积式水加热器CJT163-2015，将课题的重要研究成果，通过标准规范的实施，直接指导全国范围内相关工程建设。（2）研发的银离子、AOT消毒装置、集热贮热式无动力太阳能热水系统、半容积式水加热器应用于国家大剧院、北京大兴国际机场、苏州东方之门、北京交通大学、上海金水湾大酒店、河北保定星光国际商务酒店、重庆解放碑凯悦酒店、北京邮电大学，星河城别墅住宅小区等千余项工程中应用，热水水质全部达到国家标准要求，建筑总体节能减排效果显著。（3）在成果转化方面，专利实施许可总金额达1000万元人民币。项目研发的“银离子消毒装置（器）”、“集热贮热式无动力太阳能热水系统”、“半容积水加热器”实现了科技成果转化，实现了技术从研发到技术应用的跨越。项目成果服务全国千余工程项目、近千万人口，使建筑集中生活热水系统更加满足百姓美好生活需求。C