矿区供热改造节能设计研究

摘要：针对西北一矿区目前燃煤供热锅炉需要拆除的问题，根据矿区实际运行情况，提出空气源热泵和电锅炉供热方案，并进行了详细比对，确定了最终的实施方案。

关键词：燃煤锅炉；空气源热泵；电锅炉；节能设计

新《中华人民共和国环境保护法》、GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》已经实施，需改造的锅炉所在地区对于具备拆除条件的20t以下燃煤采暖小锅炉实施拆除；环保局联合对所在区域的燃煤锅炉进行检查，对检查过程中存在问题的企业提出了限期整改要求；对已经安装污染防治设施的燃煤企业提出要求，即对现有设备加强维护和保养，确保冬季采暖期的大气污染防治设施正常高效运行，污染物达标排放。本文所改造的手烧0.35MW燃煤锅炉在拆除范围内，锅炉房泵和软水器已投运10a，已过了使用期，此次一并考虑改造。

1概述

矿区位于西北地区宁夏一工业园区（冬季采暖室外计算温度-16℃，最恶劣气温为-23℃），此次改造的是矿区内的一水厂。水厂负责给矿区内十几个煤矿供生产、生活用水，其稳定运行关乎到周边煤矿的稳定运行。水厂原锅炉房有一台手烧的恒压0.35MW燃煤热水锅炉（供回水温度85℃/60℃）、给水泵组2台（1用1备）、暖管循环泵组2台（1用1备）、1套钠离子交换器和1个软化水箱。空气源热泵方案是利用空气源热泵取代原燃煤锅炉提供热源，更换采暖循环泵等破损设备后，保留原供热管道向用户散热器或地暖管道供暖外，在采暖循环泵后增加另一供热管道向各用户风机盘管提供热水（冷水）。电锅炉方案是利用电锅炉代替原燃煤锅炉，更换采暖循环泵等损坏设备，其他供热系统不变。

2方案设计

水厂厂区方圆5km没有天然气管道，没有集中供暖热源，由于其总用热负荷只有301.7kW，且厂内用电有一定富余量，此次设计考虑使用节能效果好的空气源热泵和洁净电能电锅炉。

2.1热负荷校核

经对水厂厂区建筑物进行现场测量、复核后，根据体积采暖指标计算，水厂热负荷统计情况如表1所。根据计算，水厂总热负荷为287.8kW，设计热负荷计算如下：采暖耗热量为287.3kW，室外管网漏损系数取1.05，供热总热负荷为301.7kW。水厂人员洗浴采用电热水器，不在此次改造范围内，所需热负荷不予考虑。

2.2空气源热泵

空气源热泵采用电能驱动，从空气中吸取热量，并将其传输给高温热源以供使用。传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量，也大于从空气中吸收的能量。在经济工况下，空气源热泵系统消耗1个单位的能量，至少可从空气中提取2个单位的能量，合在一起就可以输出3个单位的能量。空气源热泵工作原理如图1所示[1]。2.2.1设备选型a)空气源热泵选型。设计采用风冷超低温热泵机组4台，具体参数如表2所示。制热修正系数选择0.63[2]（对应温度下实际制热量与理论制热量比值，由实验所得），4台热泵机组总制热量（-16℃）为124×0.63×4≈312.5kW。b)采暖循环泵选型。循环水泵的总流量按向热用户提供的热水总流量1.1倍选取，热网循环水泵扬程计算公式为：H=1.2×(H1+H2+H3+H4+H5)，(1)式(1)中，H为热网循环水泵扬程，m；H1为热水通过热网加热器的流动阻力，m；H2，H3为热水通过供回水热网管道的流动阻力，m；H4为热水再热用户或热力站的压力损失，m；H5为热源系统内部其他（过滤器、阀门等处）的压力损失，m。重新计算得，新泵流量Q=25.3m3/h，H=25m，电机功率N=3kW，适用温度0～200℃，采暖循环泵共设3台，2用1备，在原泵位置安装。c)定压水泵。定压泵补水量不应小于循环流量的4%，补水压力不应小于补水点的压力，并应留有30～50kPa的富裕压力。计算可得，新泵Q=2m3/h，H=16.4m，N=0.75kW，适用温度0～200℃，定压水泵共设2台，1用1备，在原泵位置安装。d)软化水系统选型。原离子交换器已不能使用，现运行锅炉结垢严重。此次改造更换离子交换器，更换后水处理能力为2m3/h，N=0.75kW。原软化水箱2000mm×1000mm×1500mm，设备完好，满足使用要求，此次改造不更换。2.2.2末端改造此方案设计后，供暖水量为25m3/h。根据水力学计算，保留原DN100供暖管道，在采暖循环泵后增加一路DN150供热分支管路，沿原DN100管路在地沟内敷设至各个用户，管道采用聚氨酯保温，在终端生活建筑处各房间增加风机盘管，考虑到美观性，选择卡式四吹型，将其吊装在每个房间屋顶，供回水沿屋顶明敷设；在泵房等较高的工业建筑内，考虑供热效率，每个房内增加立式暖风机，安装在屋内3m高墙面上。管道均采用无缝钢管，所有管道及附属设施均需保温，管道除锈后刷防锈漆一道，后采用聚氨酯保温，保温层厚度60mm，外层采用4mm厚白铁皮外壳，在管路高点及低点处设置排气和泄水装置，阀门采用耐高温焊接蝶阀。2.2.3拆除设备此方案拆除原锅炉房采暖循环泵2台，定压补水泵2台，软水器1台，燃煤锅炉1台（水厂早期废弃锅炉），在泵和软水器位置安装更换后的新设备，废弃燃煤锅炉拆除后当作配电室。拆除工作完成后，对锅炉房进行平整、简单装修。

2.3电锅炉

电锅炉也称电加热锅炉，指功率因数接近1的高阻性电阻丝通电后发热，热量通过绝缘的热量导体将热传到电热管管壁，通过电热管管壁换热将热量传递给水，进而向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备[3]。2.3.1设备选型a)电锅炉选型。水厂总热负荷为301.7kW，选择电阻式电热水锅炉WDZ0.315-0.7/95/70，输入功率0.315MW，锅炉尺寸（长×宽×高）为1.7m×1.3m×1.06m。负荷控制可分为4级，90kW一级；功率20%～100%可调；锅炉效率>99%；锅炉寿命为30a，使用寿命为20000h。b)采暖循环泵选型。采暖循环泵一并更换，更换后的泵Q=12.5m3/h，H=25m，N=1.5kW，适用温度0～200℃，共设2台，1用1备，在原泵位置上安装。c)定压水泵选型。新泵Q=0.5m3/h，H=16m，N=0.55kW，适用温度0～200℃，共设2台，1用1备，在原泵位置上安装。d)软化水系统选型。原软化水系统需更换为水处理能力为0.5m3/h，N=0.55kW的新系统。原软化水箱尺寸为2000mm×1000mm×1500mm，设备完好，满足使用要求，不做更换。2.3.2末端改造此方案供热室外管网无需改造，均可满足目前采暖需求。2.3.3拆除设备此方案拆除原锅炉房采暖循环泵2台，定压补水泵2台，软水器1台，燃煤锅炉1台（水厂早期废弃锅炉），在泵和软水器位置安装更换后的新设备，废弃燃煤锅炉拆除后当作配电室，引风机拆除后安装电锅炉。拆除后对锅炉房进行平整、简单装修。

3经济性对比

3.1建设成本

空气源热泵方案总投资约2.9982×106元，电锅炉方案总投资约1.6358×106元。

3.2运行成本

运行成本概算参照国家能源局2011年的《煤炭工业建设项目经济评价方法与参数实施细则》（第三版）以及结合现行财务制度规定的成本开支范围，根据设计工艺，以当地的人工、材料、电力等价格为基础，其中，采暖期为153d，每天满负荷运行16h。按成本费用要素进行计算，正常生产年份的成本如下：综合电价按0.48元/(kW·h)计算；水费按2.7元/t计价；风源热泵或电锅炉操作简单，无需专职人员监管，不存在职工薪酬问题；非煤设备修理费取安装工程和设备购置费的2.5%；折旧年限按规定计算，设备为15a；摊销费按规定计算，设备运行期为10a。总的成本经营分析费用如表3所示。

4结语

空气源热泵为节能型加热设备，但是水厂地处西北，冬季温度较低（-16℃），供热修正系数较小。根据JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准规范》可知，寒冷地区热风机组制热系数COP不应小于2.0。为保证最冷期采暖，综合考虑建设成本和运行成本，建议矿区水厂使用电锅炉。

参考文献：

［1］林涛.空气源热泵的原理及发展现状［J］.建筑知识（学术刊），2012(4)：152-153.

［2］杜玉清.空气源热泵热水系统研究［J］.制冷与空调，2015，15(10)：25-29.

［3］马峰.电锅炉的控制系统浅析［J］.技术探讨，2015(22)：12920-12922.

作者：高丽霞 李小艳 单位：国能集团宁煤设计研究院环保市政分院