工业厂房高大空间采暖设计方案比选

朱佩璋

太钢新建5万t不锈钢无缝钢管项目是太钢公司为适应新形式、抢占不锈钢高端市场、走精品路线、打造企业核心价值观、实现“建设全球最具竞争力的不锈钢企业”战略目标的重点工程。而容纳所有生产设备和进行生产活动的主厂房采暖设计直接影响到了钢管厂的生产甚至经营。

不锈钢管厂主厂房采暖面积212544 m2，厂房高度基本为14 m，内部生产工艺以轻体力劳动为主。由于厂房地处太钢公司区域外，外部能源介质条件受到严格限制，在设计之初就应在各方面广泛细致考虑采取节能措施，以达到降低生产成本、增强产品竞争力、满足国家目前大力提倡的节能减排要求。而主厂房采暖无疑是钢管厂一项能源消耗大户，如何降低采暖能耗、以最低的投资达到满意的采暖效果就是钢管厂节能设计的重中之重。

1 主厂房采暖设计对建筑结构的要求

主厂房的采暖负荷及所需的热源量是与建筑和结构专业密切相关的，想在采暖方面达到所需温度又降低能耗节约成本，必须在建筑结构上采取相应的节能措施。

根据钢管厂热源情况，对结构保温性能提出要求:1)墙体需采用100 mm厚、容重32 k的玻璃棉板或类似材料，最终墙体总体传热系数应不大于0.472 W/(m2·℃);2)屋面采用50 mm厚挤塑板或类似材料，最终屋面总传热系数应不大于0.673 W/(m2·℃);3)厂房侧墙开窗面积应不大于33.6 m2/柱距，总传热系数应不大于5.931 W/(m2·℃);4)主厂房通风应采用机械通风或可控自然通风装置，尽量不采用无控自然通风，墙体外窗及炉区设置的天窗应设置可在地面操控的电动开闭装置，以减少不可控的通风量;5)所有厂房封闭接驳处应尽量保持严密，不应存在缝隙与缺口，以减少室外冷空气侵入渗透量;6)厂房通风换气次数冬季应严格保持在0.5次/h，否则采暖热负荷将大幅增加。

2 厂区热量平衡及热源选择

2.1 需热用量

建筑结构采取上述节能措施后，根据工艺提出的冬季采暖温度要求(大部分厂房内10℃，成品原料库房5℃，修磨跨15℃)，对主厂房冬季采暖热负荷进行计算，计算结果为:21.254 kW。折合需用蒸汽量:30.5 t/h;考虑到厂内附加建筑、管路及设备热损耗、大门开启等等因素，需用蒸汽量应取1.15倍系数，为35 t/h。

钢管生产工艺中，酸洗流程需加热酸碱液及清洗水，以加速生产时间保证产量，故须用大量蒸汽。根据目前酸洗专业提资，正常生产时，蒸汽耗量为14.5 t/h;最大用量发生在生产初始运行全部加注冷酸碱液时，此时耗量为21.3 t/h。考虑到生产用汽最大量发生时间可以与冬季最冷期错开，亦可暂时降低主厂房采暖温度牺牲部分舒适感以保证生产，故冬季正常时蒸汽总量应该可以满足最大量时的需求。

总计需用蒸汽量:夏季正常需用量为15 t/h，最大用量为22 t/h;冬季为50 t/h。

2.2 热源方案

目前厂区内蒸汽供应，根据炉子专业初步提资，七座加热炉加装余热锅炉后最大总产汽量为4 t——尚不能满足生产工艺所需正常量的1/3，蒸汽供应量严重不足，缺口达46 t/h。

根据热能需求量与供应量的情况，余热锅炉自产汽为4 t/h，剩余部分现有如下方案可供采取:

1)设置天然气锅炉。共设置天然气蒸汽锅炉3台，每台蒸发量20 t，夏季1台减负荷运行，冬季3台同时开启运行。厂房采暖用热水由建在锅炉间内或附近的汽水换热站供给，生产用蒸汽介质由外线管路送至用汽点。当厂房采暖采用热水介质时，可就地设置汽水换热设备，集中回收蒸汽凝结水，回收比例及品质可得到充分保证。此方案优点:可充分保证厂区内的所有蒸汽用量，同时，由于设备容量大于所需量，可同时向附近需用用户外供蒸汽。初步估算，此方案锅炉设备投资为346万元/台×3台=1038万元;锅炉房(面积为33 m×20.4 m，高度10 m)建设费用:80万元;换热站建设投资:3台14 MW换热设备投资50万元/台×3台=150万元;20 t凝水回收装置3套，投资为:18万元/套×3套 =54万元。总投资约为:1322万元。

2)利用余热锅炉补燃。由于厂房内有7座加热炉可产余热蒸汽，利用其烟道设置天然气燃烧装置进行补燃，提高蒸汽产量，使其总体产量达到所需。此方案优点:占地小、能够充分利用加热炉烟气余热，回收部分热能。缺点是:在冬季工艺生产不需开加热炉时，为保证采暖，加热炉也必须工作补燃。同时，为保证夏季补燃量小时能够利用余热产汽，单台炉子补燃量不宜做得过大。经了解，补燃量为5 t～6 t以下较适宜。此方案余热锅炉设备投资约为2100万元(仅含余热锅炉增加部分)，为供应主厂房采暖热水所需换热机组投资约18万元/套×7套=126万元，凝水回收装置投资为12万元/套×7套=84万元。总投资费用为:2310万元。按照每台加热炉补燃5 t蒸汽量考虑，则生产用汽可充分保证，但冬季厂房采暖所需热量仍存在15 t蒸汽量的缺口。

3)设备循环冷却水的主要用途为吸收设备运行时散发的有害废热，通过冷却降温装置散热后循环使用。根据给排水专业初步提资，目前循环水量达2569 m3/h，设计进出口温度(夏季最高温):45℃/35℃。经计算，冷却水中含有的废热量最大可达29817 kW，折合蒸汽量达42.6 t/h。此部分废热若能够提取，将有力缓解钢管厂热能供应不足的局面，同时在节能减排、减少能耗、降低生产运行成本方面起到关键作用。但是其中问题也是极其明显的:首先，循环水进出口温度低，直接利用存在诸多不利因素，若新建水源热泵设备提取热量，则投资很大，且运行需消耗大量电能;其次，冬季环境温度低，各设备发热量必然会增大散失，冷却水温度及温差无法计算，参照冷轧厂循环冷却水系统运行情况，其冬季温度仅有27℃左右;第三，冷却水量随生产变化而波动，不宜作为稳定热源使用;同时，由循环水系统中切出一部分，会使该系统运行复杂化，甚至影响生产;第四，考虑存在冬季停产检修情况，采暖设备需加装辅助采暖措施。

3 采暖方案

根据热源情况，主厂房采暖方式可采取如下几种:

1)蒸汽暖风机采暖方式。根据主厂房热负荷情况，可采用蒸汽暖风机采暖方式。其中又可分为大型落地式暖风机与小型暖风机采暖方式两种。

根据资料，目前大型落地式暖风机最小的设备参数为风量10000 m3/h，散热量131 kW;由于其出口射流长度不大于15 m，其热风覆盖范围为706 m2，相应负荷仅需70 kW，远小于暖风机散热量，同时，此种暖风机还存在价格较高、不宜较大冗余量配置，外型高大、需占据地面空间，蒸汽凝结水出口较低、回收困难等等诸多不利条件，故本次设计不予推荐。

小型暖风机方式:此方案采用单体设备体形较小的小型暖风机，吊挂在柱上3.5 m～5 m标高处安装，设备单体散热量较小，凝结水可疏放至凝水总管道内分区域集中收集，且直接采用蒸汽介质可省却换热站设备及站房投资;缺点为此种设备出口风速较低，暖风覆盖面小，但价格较低，冗余配置量可加大。故暖风机采暖方案推荐采用小型蒸汽暖风机。

蒸汽暖风机采暖方案缺点:a.无法减小厂房内高度方向的温度梯度，将使采暖总热负荷增大10%左右，需用蒸汽量运行费用亦随之增加;b.锅炉或者余热锅炉补燃量增大，运行费用较高;c.饱和蒸汽长距离直埋输送投资较高且损耗较大;d.未利用生产废热，节能效果基本为零。

本方案预计设置蒸汽暖风机300台，凝结水回收装置约7套，总投资约为:暖风机300台×4200元/台=126万元;凝水回收装置:7套×12万元/套=84万元，总计:210万元。

2)顶吹式暖风机采暖方式。此方式为采用顶吹式热水暖风机形式，通过吊装在屋顶上的暖风机将热风竖直向下吹送至地面。此种暖风机采用国外技术，具有可调节式下出风口以调节下吹风的风速与风量，避免了风速过高产生的地面扬尘的问题。同时，此方式能够有效改善厂房温度梯度问题，回收采暖系统由于高大厂房温度梯度产生的顶部余热，达到节能效果。根据实地考察结果，沈阳市某机加工厂房，屋面高度约16 m，厂房顶温度仅比地面温度高出3℃，分别为18℃/21℃;经计算，仅采用顶吹方式的节能效果就能达到7%以上;加之采暖热水直埋输送价格远低于蒸汽，损耗量亦较小;同时此采暖方式还可充分利用生产工艺产生的循环冷却水，回收大量的废热，减少余热锅炉补燃量或天然气锅炉出力，使钢管厂的节能水平达到新的高度。

具体可采用的方式如下:a.设备循环冷却水直接采暖方式。此方式为:其中部分负荷(约60%，合20 t蒸汽量)采用蒸汽换热后的采暖热水采暖，剩余部分采用循环冷却水直接接入暖风机进行供暖。此方式优点为:能够直接利用循环水废热，节省大量设备与运行费用;缺点是:由于循环水温低，单体采暖设备发热量较小(据估计，标准单体采暖设备发热量仅有25 kW)，故所需分布密度大，造成初投资较高，同时还会影响观感质量;由于热源水温低，故设备出风温度低，预计出风温度在23℃左右，若直接吹到人体，会有吹冷风的不适感;受循环水不稳定影响，此部分采暖系统出力亦不稳定。初步估算，此方式需采用约360台顶吹暖风机(工况85℃/60℃，散热128 kW/台:110台;工况40℃/30℃，散热40 kW/台:250台)，设备投资约为:1000万元～1800万元之间，电耗量为:1019 kW。b.通过水源热泵方式提取循环冷却水中热量后再进行供暖方式。

部分负荷(约60%，合20 t蒸汽量)采用蒸汽换热后的采暖热水采暖，剩余部分采用水源热泵与循环冷却水热交换后的热水(温度:60℃/40℃)接入暖风机进行供暖。此方式的优点为:有效地回收了冷却水的废热，节能效果可达到最高;由于进入采暖系统水温较高，故采暖效果能够保证，无吹冷风的不适感;同时，可根据循环水量的多少调节锅炉出力，节省锅炉的运行费用。缺点是:水源热泵设备投资昂贵，运行需耗费大量电能;受工艺生产量影响，采暖系统出力不稳定。初步估算，此方式需采用约360台顶吹暖风机(工况60℃/40℃，散热64 kW)，末端设备投资约为:1800万元;水源热泵设备投资:2000万元，站房投资:100万元，电耗量为:1019 kW+5000 kW。

3)燃气红外线辐射采暖形式。此方式为:在厂房内吊装天然气红外辐射采暖装置，预计采用约500台(单体功率50 kW)此装置。这种采暖方式优点在于直接利用天然气燃烧热量，损失较少，效率较高(据称可达95%以上)，加热方式为敷设加热，可减少厂房高度方向上的温度梯度;缺点为:a.由于燃烧设施位于厂房内，环境较为污浊，极易污染燃烧设备上的火焰探测器，从而影响燃烧设备正常启停;b.设备供气排烟管道管线较多，检修工作量较大;c.燃烧介质存在泄露可能，安全性较差。

4 结语

根据数个方案的组合比较，天然气蒸汽锅炉+换热设备+设备冷却循环水为热源;末端采暖设备采用顶吹暖风机的方式从采暖效果、运行费用等方面均有较大优势，同时尽量利用了生产当中产生的废热，节能水平较高，虽然存在管路系统较为复杂，管理调节控制繁琐的缺点，在本工程当中亦不失为最优选的方案。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1995.

[2]乔泉堂.浅析高层建筑暖通空调系统选择方法[J].山西建筑，2010，36(21):186-187.