机电装配式+BIM技术在医院建筑中热水系统的应用

  随着国能源资源短缺的形势日益严峻，国家提出实现碳达峰碳中和的目标，积极推广新能源利用。太阳能因其经济、安全、高效的特性，在生活热水领域被普遍的使用。目前，无动力太阳能热水系统已被普遍应用，无动力太阳能为集热、储热、换热一体化集成系统。BIM技术在项目建造过程中已被普遍应用，通过BIM模型可达到精细化设计、模型可视化、精准材料清单、施工模拟等效果，有效助力工程建设。机电装配式技术通过BIM深化加工图、工厂预制化、现场装配化的流程，把大量工作和困难在工厂内解决，现场施工环节达到节材、节能、环保的效果。

  1、工程概况中国医学科学院整形外科医院改扩建项目位于北京市石景山区，建筑面积为79324平方米，功能为医疗建筑，包含：行政楼、门诊医技病房综合楼、科研教学楼、动物实验室、液氮站等。生活热水采用无动力集中太阳能热水系统供应。本项目由建设单位组织，总承包单位牵头成立BIM技术团队，从项目策划到设计、施工、运维全过程建设应用BIM技术。无动力太阳能热水系统工程采用了莱辅络BIM软件，达到全过程数据化管理，三维可视化交底；无动力太阳能集热器、管道保温、阀门组件、泵组等辅件通过工厂预制化、模块化生产、实行零件部件化的方式，达到集成化设计生产，现场装配式施工。2、 热水系统模块设计

  2.1太阳能热水系统设计说明生活热水系统采用集中热水系统。系统分区同给水系统，压力源来自于给水系统压力，太阳能集热系统、冷凝热回收系统作为生活热水预热，冷凝热回收二次测的供水进入无动力太阳能集热系统，经无动力太阳能内置换热器热交换后作为热力站生活热水补水。供应部位：各层诊室、病房、卫生间、浴室、厨房等。用水量和耗热量：设计小时热水量(60℃)60m³/h，冷水计算温度10℃。设计小时耗热量3500kW。太阳能集热装置采用紧凑式全玻璃真空管（平置）集贮模块，带不锈钢贮热水箱，有效容积19.3m³，集热器总面积302.4㎡，平均日产60℃热水量19m³，太阳能保证率50%。利用热回收型空调基载主机的冷凝热作为生活热水预热，冷凝热回收量约1486kW（供水温度约45℃）。

  无动力太阳能集热器为集热储热换热一体化装配式集成化设计。采用太阳能真空管作为吸热元件，集热器顶部自带保温贮水箱，贮存太阳能热媒水，贮水箱内置高效不锈钢换热器。太阳能真空管吸收太阳光的热辐射能加热真空管内的水，真空管与贮水箱之间利用热虹吸原理自然循环加热贮水箱内的热媒水；当末端用热水时，冷水先经冷凝热回收板换交换后进入无动力太阳能内置的不锈钢换热器换热，无动力太阳能装置的热水出水接至B1层热力站内生活热水换热器的进水。通过生活热水系统管路输送至各层用水点。本系统设置辅助热源，采暖季由市政热力提供，非采暖季由锅炉房内的燃气真空真空热水机组提供。

  2.3全玻璃真空集热管性能参数集热器采用全玻璃真空集热管。其具备集热效率高、散热慢、寿命长等优点。真空管性能参数如下：吸收率≥92%，散射率≤6%；空晒温度不低于200℃；平均热损失≤0.75W/m²℃；线cm以下冰雹正面冲击；线毫米。参数符合《真空管型太阳能集热器》（GB/T 17581-2007）、《全玻璃真空太阳集热管》（GB/T17049-1997）的要求；3、太阳能热水系统专业方面技术措施3.1集热系统防过热技术措施由于太阳能能源的特性，在使用的过程中集热系统会出现过热问题。无动力集热储热一体化水箱为开式水箱，其与大气相通，当水箱温度过高时，其热量会以蒸发和气化的方式排放到空气中。在水箱上设置补水管及电磁阀，储水箱内设置水位水温传感器。当传感器检验测试到水位下降至补水水位时，补水电磁阀打开给储水箱补水，当补至设定水位时，电磁阀自动关闭；3.2换热技术措施换热系统采用反向换热技术，将316L薄壁不锈钢换热器浸泡在储热水箱中的一次热媒水中，冷水在管网压力驱动下，流经换热器流道进行换热。热水出水温度与一次热媒的温度温差2-8摄氏度范围内。（见图2）

  3.3系统防垢除垢技术措施集热储热水箱及真空集热管内的水为热媒，不作为使用水每天做补充，只有在高温时会有一次水的挥发，但其消耗量很小，其结垢量对系统的集热效率几乎无影响。换热盘管内的二次水接触换热器内壁，当水温过高时，会有钙镁离子结晶附着在内壁。但由于换热器管束为波形的特殊结构，水流经换热器内部时形成紊流冲刷管壁。且其在换热过程中由于水温的变化，而产生热胀冷缩，使得整个管束产生挠动，使水垢很难在换热器内挂住，从而系统性降低换热器内的结垢风险。3.5系统防冻技术措施无动力太阳能装置的集热储热换热一体化水箱内胆与外皮之间由50mm聚氨酯发泡保温组成，集热器由真空玻璃组成。根据整体抗冻性实验测试，在室外温度不低于-40℃的天气情况下，系统可正常运行。4、BIM技术的应用针对本项目的工程特点及项目建设的需求，在接收到相关工程资料后，进行BIM技术应用。全过程应用思维的指导下，通过前期策划，开展BIM技术深化工作，分专业创建模型，将太阳能施工部位各专业模型进行专业综合、碰撞检查、优化模型，确保模型的可实施性和准确性。

  提升工程方案的精准性基于BIM深化模型，指导现场施工，减少施工全套工艺流程中的错漏碰缺和返工问题。利用BIM模型，使施工重点、难点部位可视化，提前预见并解决施工全套工艺流程中也许会出现的问题，提高交底效率及施工质量。

  增强成本控制的有效性运用BIM建筑模型使工程概预算变得更快捷和准确，通过模型提取工程量清单，安排物资流程，快速、精确地获取工程的成本。通过BIM技术的应用以及建筑模型信息管理平台，在项目管理过程中做到提前对工程的全程知道，提高项目的决策效率和精准度，对动态进度需要的人、机、料、法、环等资源及要素进行规划，解决动态施工全套工艺流程中的疑点难点，有很大成效避免施工全套工艺流程的不确定因素。

  5、机电装配式技术应用在项目建设工程中，太阳能分项工程普遍具有入场晚、时间紧、任务重的特性。为克服时间问题，降低现场工程难度，本工程在BIM技术的基础上，采用了机电装配式技术。根据BIM加工图及装配式理念，实现产品模块化、零件部件化、管道装配化，把大量工作和困难在工厂内解决，为现场安装赢得时间。

  由经过审查及修改后的BIM模型生成加工生产图纸，提交由车间提前生产加工，包括管道、管道支撑、泵组、机组全部在车间加工完成，实现产品模块化，零件部件化，管道装配式，到现场实现装配式施工。

  无动力太阳能模块在工厂化预制加工完成，现场进行标准化拼装施工，无需现场焊接等辅助工序处理，安装质量有保证，提高现场施工效率。

  无动力太阳能系统冷热水管路，采用装配式聚氨酯发泡绝热管道（见图13），管道、保温、电伴热、铝皮外防护等在工厂一次生产成型，到现场直接对接，定尺定量，减少现场人员肆意发挥，影响安装质量。

  采用装配式安装模式，较传统施工效率提高一倍以上，使用工时对照传统现场安装用工节约一半以上。而且，针对工程实际特点简单组合机械进行实施工程，省去了现场连接，组装拼装、人工二次倒运等步骤，不受时间和空间以及交通管制的限制，可以按施工进度安排即时敷设，同时也避免了因工人疏忽导致的安全、质量隐患，提高了实施工程质量和工效。

  每个项目均使用本工法施工，平均节省现场连接、组装拼装人工40%，以10万元安装为例，可节约4万元人工安装费用。

  每个项目二次倒运使用本工法施工，平均节省搬运次数2次，以每次搬运5000元计算，可节省10000元搬运费用。

  带来的社会的效益，针对于现在建筑行业的人工荒、用工难等情况，使用本工法基本解决了由于人员造成的施工进度缓慢，人员安全等问题。

  本项目应用无动力太阳能热水系统，该系统集成集热、储热、换热系统一体化，系统简单、集热效率高、机房面积小。集热系统为开式系统，系统性解决集热系统超压、过热、结垢、爆管等难题。用热系统为闭式系统，冷热水压力同源，换热效率高，热水系统无水质污染风险。系统无集热循环泵，无供热水泵，不需要采用空气散热器，系统无运行能耗，运营管理费用低。该系统适合在集中热水系统中大力推广应用。

  本项目在建设全过程环节应用BIM技术及机电装配式技术，通过BIM技术可视化特点，为项目交流和决策提供助力；通过多专业三维协同，避免专业之间的错漏碰缺，提高设计质量和效率；通过虚拟建造，立体设计，优化复杂空间、功能、管线的设置，大幅度提高设计与建造质量，削减工程错漏碰缺、避免时间、金钱、资源的浪费；通过数据真实清晰，建立准确材料库，控制项目的建设成本。针对于现在建筑行业的人工荒、用工难、太阳能工程项目施工周期短等情况，本项目依据BIM深化加工图，采用机电装配式技术进行建造，在工厂预制化加工完成无动力太阳能集热器、管道一体化保温、基础支架等工序，在现场依据标准化施工手册进行装配式安装。依据工程测算，装配式管道施工一次到位，较传统管道施工效率提高一倍以上，对照传统不锈钢管道工时节约一半以上。而且，针对工程实际特点采取卡压机等简单组合机械进行实施工程，省去了现场连接，组装拼装、人工二次倒运等步骤。同时，不受时间、空间以及交通管制的限制，可以按施工进度安排即时敷设，避免了因工人疏忽导致的安全、质量隐患，提高了实施工程质量和工效。不仅具备显著的经济效益，还体现了节材节能，安全环保的社会效用。技术可在工程应用中大力推广，为实现碳达峰碳中和的目标做出有效贡献。

  参考文献：《无动力太阳能热水系统实测研究》《给水排水》2017年2期。

  无动力集热循环太阳能热水系统应用技术规程 T／CECS 489-2017

  《建筑机电施工图深化设计技术标准》T/CIAS-2-2020 2020年4月7日

  集贮热式无动力循环太阳能热水系统--突破传统集热理念的全新系统建筑给排水 2014年08月19号