浅析新型混合集热系统在现代工矿企业节能改造中的应用

刘智昕 王进军 凌 堃

(白银有色集团股份有限公司深部矿业公司， 甘肃 白银 730900)

0 前言

近年来，借助全集成智能化、自动化管理平台把新型清洁能源投入到现代工矿企业是大势所趋，这不仅是现代企业实现节能减排和减员增效的需要，更是响应国家环保政策、实现“绿水青山就是金山银山”的具体体现。本文以采用ETON原子能电热水机+太阳能混合集热并借助自动化管理平台实现无人值守来替代燃气锅炉为实例，阐明现代企业，尤其是基础设施相对落后、布局分散难以实现集中供热的老矿山如何利用新技术、新能源达到降本增效的目的。

1 工程概况

某矿山以铜金属开采为主要业务，也是新中国“一五”期间主要的铜原料生产基地[1]，全矿现有职工约750人。本次节能改造的澡堂是某矿山职工下井时井口更衣、衣服烘干和洗澡所用,是一座两层结构的建筑。其中，更衣室上下两层，共计670 m2，要求室内温度不低于25 ℃；烘干室上下两层，共计190 m2，要求室内温度不低于30 ℃；澡堂设在一楼，紧邻一楼更衣室，只有淋浴，能同时满足40人洗澡，洗澡水要求每天24 h供应、共计22 t左右，且要求水温控制在38～41 ℃。某矿山一直采用边采边探边基建的生产模式，由于采、探、基建用工方式不一样，职工上下班时间不固定，因此井口澡堂、更衣室和烘干室用热属于全天候24 h，平均每班(8 h)有更衣、洗澡员工约180人。井口澡堂需要有热水满足洗澡，同时需要热风对衣服进行烘干，另外还需要用热水或蒸汽给更衣室及澡堂供暖，因此改造后的集热系统必须具备同时提供热水和热风的功能。

2 改造前的集热系统

2.1 系统的工艺原理

改造前井口澡堂用热是采用传统的集中供热模式，即通过矿区锅炉房的燃煤锅炉将蒸汽送到澡堂，更衣室利用蒸汽取暖；烘干室利用蒸汽转换的热风烘干衣服；澡堂装有高位水箱，利用蒸汽将水箱的冷水加热成洗澡热水，用于职工洗澡。锅炉房距离井口澡堂较远，管路热损耗较大。2017年响应国家环保政策，某矿山把原锅炉房的燃煤锅炉改造成天然气锅炉，由于工程费用所限，煤改气时没有给井口澡堂安装单独的燃气锅炉，夏天时仍用原锅炉房冬季采暖用的其中1台6 T燃气锅炉给澡堂供汽，管线距离长且夏季供汽大马拉小车，能源浪费较大。天然气锅炉供汽的工艺流程跟燃煤锅炉供汽的工艺流程一样，同样是燃气锅炉将蒸汽送至澡堂，分别用于采暖、制备烘干衣服的热风和洗澡用热水。改造前的工艺流程如图1所示。

图1 集热系统改造前的工艺流程

2.2 改造前燃气锅炉系统存在的缺陷

1)岗位之间协调工作量大。燃气锅炉房和井口澡堂的岗位工要根据澡堂实际需要随时电话联系要求送汽或者停汽，因岗位工责任心因人而异，水箱补水和热量交换在时间上不能严格同步，热交换效果不理想，经常出现洗澡水剩余或短缺，水温过高或过低等，影响下井职工的正常洗澡。

2)对水量、水温粗放式管理，能源浪费大。

3)锅炉房与井口澡堂之间距离远，管路热损耗大。

4)夏季用6 T燃气采暖锅炉专门给澡堂供汽，大马拉小车，岗位人员配备和能源匹配都不合理。

5)天然气成本高，且价格不断上涨，经济上不划算；而且频繁限量供应，给澡堂正常运行带来不利影响。

3 改造方案

为彻底解决井口澡堂存在的问题且满足节能减排、减员增效，实现绿色环保的发展理念，某矿山决定采用一种新型混合集热技术，即太阳能与ETON原子能电热水机相结合的混合集热系统。其中，采暖和烘干系统采用2台ETON- R192原子能电采暖热水机；洗浴系统采用1套10 T太阳能系统。ETON原子能电热水机是一种由加热器、智能微电脑控制器、联管配水系统、箱内配电系统、检测及弱电系统、外联管道系统、机身金属机箱及平衡系统等组成的新能源电采暖设备[2]，利用金属原子受电流激发而产生微裂变和脉冲相变原理，将电能转化为2倍以上的热能传递给需要被加热的水，使出水温度能达到90 ℃以上。新型混合集热技术分别利用太阳能和电能来制备生产、生活所需的热水，太阳能安装在采暖建筑物的房顶[3]，ETON原子能电热水机设备只需一间普通办公室大小的房间就可安装，占用场地小、安装简便，特别适合于单栋建筑或单元性的设备场地供暖。太阳能和ETON原子能电热水机的运行都是利用一系列感应或探测装置通过智能微电脑控制器自动控制的，根据实际需要的水位和温度提前设置好参数，当感应或探测装置探测到水位或温度不达标时，智能微电脑控制器发布指令启动或停止设备。

3.1 新型混合集热系统的设备配置

3.1.1 采暖和烘干系统的设备配置

根据测算，采暖和烘干系统安装2台ETON- R192原子能电采暖热水机作为主要热源，烘干室配装8台FP- 238LM型风机盘管用于二次加热并加强热风循环[4]，根据需要还可以在烘干室加装吊扇以增强热风流动，保证能快速烘干衣物。根据矿山用工安排，烘干室需要在12～16 h内把衣服烘干、烘热，即保证职工在下一个班轮班时有干燥温热的衣服穿。

3.1.2 洗浴系统的设备配置

根据测算，澡堂洗浴系统安装一套10 T太阳能系统作为主要热源，另外再配装ETON- R80和ETON- R40原子能电热水机各1台作为辅助热源。天气晴朗、太阳光线充足时，10 T太阳能就可以满足澡堂洗澡用热水；天气不好、太阳光线不充足时，可随时连续或间断开启ETON- R80和ETON- R40原子能电热水机来加热洗澡水。

3.2 新型混合集热系统的工作原理

3.2.1 采暖、烘干系统工作原理

在新型混合集热系统的采暖、烘干系统中，利用其中1台ETON- R192原子能电采暖热水机把冷水加热至65 ℃左右，通过热水循环泵给澡堂、烘干室供暖，保证室内温度≥25 ℃；另1台把冷水加热至65 ℃左右，通过热水循环泵进入烘干室安装的8台风机盘管后转化为热风，再加装吊扇增强热风流动，使得烘干室内温度≥30 ℃，用于快速烘干衣物，烘干衣物时间≤16 h。采暖、烘干系统的工作原理如图2所示。

图2 采暖、烘干系统的工作原理

3.2.2 洗浴系统的工作原理

在新型混合集热系统的采洗浴系统中，给新安装的10 T太阳能系统配备一个0.5 T的小水箱，水箱内装有自动温控感应装置(自动补水、排水)。阳光充足，小水箱中的水经过太阳能加热系统自由循环，当水温加热至55 ℃时，自动排水装置打开，将其输送至装有部分冷水的大水箱，冷热中和至40 ℃左右，作为职工洗澡用水；阳光不充足，小水箱中的水温达不到55 ℃时，用于加热洗澡水的2台原子能电采暖热水机(ETON- R80和ETON- R40)自动启动(通过水温控制器自动选择1台或者2台连续或者间断运行)，将水加热至55 ℃时，自动排水装置打开将其输送至装有部分冷水的大水箱，冷热中和至40 ℃左右，作为职工洗澡用水。洗浴系统的工作原理如图3所示。

图3 洗浴系统的工作原理

3.3 改造过程中需要面临的难题及解决方案

1)冬季天然气蒸汽采暖系统和夏天新能源热水采暖系统的相互转化问题。冬季矿区利用天然气锅炉集中供热，井口澡堂的采暖、烘干利用集中供热的蒸汽；夏季新能源系统则是利用热水进行取暖、烘干，这是2套系统转换要重点考虑的问题。因此，在蒸汽和热水2套系统的关联处设置常闭(常开)电动阀，把蒸汽系统的阀门操作和热水系统的阀门操作分别集成为两个模块并远程操控，操作工只需在操作面板上点“启动/停止蒸汽系统”或“启动/停止热水系统”即可。

2)采暖用散热片要同时具备热水和蒸汽两种介质的使用功能。为降低改造费用，发挥自身优势，采用钢管自制排管散热片来解决这一问题。

3)太阳能系统水箱(0.5 T小水箱)和洗澡水储水箱(大水箱)之间水位、水温和防溢流的自动化控制。把小水箱放置在大水箱的上面，做好支撑，既节省安装空间，又能有效实现2个水箱的互通和防溢流。2个水箱水位、水温的感应装置，小水箱给大水箱供热水的电动阀以及实现自动运行的自动化模块必须质量过关、性能可靠、运行稳定[5]。

4 新型混合集热系统的应用优势

4.1 安全可靠，热效率高

ETON原子能电采暖热水机是使用电力加热的淋浴装置，利用物态变化传递能量，实现了水电分离，安全系数进一步提高。没有燃气热水机使用中存在的易触电、易燃、易爆、易中毒等安全问题，是当今较为安全可靠的热水及采暖设备。加热器的发热材料包裹在水管中间，形成超长“跑道”，增大了热交换面积，提高了热转换效率；特种金属原子发热体在加热时只产生热能，没有光耗，所产生的热量几乎完全被水吸收，热转换效率极高。不受环境限制，可安装在楼顶、阳台、车库或地下室等通风良好的地方，不须专人看管，不须设置专用机房，维护成本低；同时不改变原有建筑物的暖通设计，只需将本机与采暖系统导入口的进出水管连接上即可实现正常供暖。可模块式安装，实现“分散式集中供暖”方式，特别适合采暖区域比较分散、集中供热管线长的厂区或办公场所。

4.2 绿色环保

新型混合集热系统是利用太阳能和电能两种清洁能源，对环境没有污染。在工作过程中不会排放有害气体，工人即使在密闭的空间里淋浴，也不用担心人体健康方面的问题。

4.3 全天候使用，出水恒定

新型混合集热系统不受阴、雨等天气的不良影响，能24 h全天候使用，弥补了一般太阳能受天气环境影响，不能保证随时供应热水的缺陷；而且安装有精确的水温控制系统，保证淋浴过程中水温恒定。

5 新型混合集热系统的应用效果

5.1 节约能源成本

1)对改造前集热系统2018年、2019年夏天5—8月天然气使用情况进行统计，平均每月消耗天然气1.5万m3，按当地天然气市场价2.05元/m3测算，每月花费约3.08万元。

2)对改造后新型混合集热系统2019年9—10月的能源使用情况进行统计，采暖和热水系统、烘干室、辅机的用电量分别为25 530 kWh/月、10 240 kWh/月、660 kWh/月,合计消耗电量为36 430 kWh/月,按当地电力市场均价0.52元/kWh测算，每月花费约1.89万元。

综上，采用ETON原子能电热水机+太阳能混合集热系统替代天然气供热，每月可节省费用约1.19万元，则每年夏季(按6个月计算)可节省费用7.14万元。

5.2 实现减员增效

某矿山集热系统改造后，井口澡堂员工配置由2人/班减少为1人/班，实现长期减员4人；锅炉房夏季岗位减员8人，可以短期内临时补充到其他缺员岗位上去，实现了人力资源的优化配置。

6 结束语

某矿山在井口澡堂安装ETON原子能电采暖热水机+太阳能新型混合集热设备替代锅炉房的燃气锅炉，省去了长距离供热管线的热量损耗，同时借助于全集成自动化软、硬件系统实现澡堂运行自动化、温控自动化，降低了澡堂岗位工的劳动强度；停止燃气锅炉运行，减少了锅炉运行人员；同时不再受天然气价格和限量供应的影响，确保井口澡堂的运行不受外界条件的制约。ETON原子能电采暖热水机+太阳能混合集热系统的投用，在绿色环保、节能减排和减员增效方面显现出很好的经济效益和社会效益，尤其是在一些厂区或办公区域比较分散，集中供热不具优势的厂矿，把区域划分成单元采用这种新型混合集热方式采暖在降本增效方面优势比较明显。本文为现代工矿企业如何借助全集成智能化、自动化管理平台把新型清洁能源投入到生产现场提供了一定的经验。