空气源热水系统水温不稳定故障分析

杨建生，熊 锋

（1.大竹县堡子矿业有限责任公司，四川大竹 635118；2.四川达竹煤电（集团）公司柏林煤矿，四川大竹 635117）

1 空气源热水系统技改简介

（1）根据川发改能源[2017]459号文件要求，堡子煤矿立即启动了燃煤锅炉改造为空气源热水系统的技改计划。堡子煤矿原有2台2.5 t/h的燃煤热水锅炉和1台0.5 t/h燃煤开始锅炉，每年需燃烧约900 t原煤（5—10月每天约2 t，11—4月每天约3 t），不仅影响矿区环境卫生，而且燃煤锅炉所烧的原煤又是堡子煤矿煤质较好的原煤，市场价格约350元/t，全年燃烧煤炭的费用约31.5万元。为彻底解决燃煤锅炉对矿区环境的影响，以及节约企业成本，堡子煤矿于2017年12月完成了燃煤锅炉技改空气源热水系统的改造。

（2）方案说明。堡子煤矿空气源热水系统设计要求:每天洗浴人数约400人次，设计每人每天使用（150～200）L，热水最大用水量约为60 t，单次满足（130～150）人的淋浴洗澡，年平均每天热水用量为30 t。设计保温水箱水量为原燃煤锅炉的2个20 t保温水箱在本次工作中利用，空气源机组采用6台某型主机配置2个2.5 t不锈钢工作水箱安装在调度楼顶，工作水箱热水出水口略高于2个20 t保温水箱热水进水口，当水温达到春秋季节为48℃、夏季为45℃、冬季为53℃、机组设定最高温度为55℃时，热水自流至原有的2个20 t保温水箱中。澡堂洗浴用热水、冷水供水方式保持原有热水、冷水管道不变。空气源热水机组所需的加热用水，取至安装在调度楼底的一根Φ63 mm主水管上分接一根Φ32 mm的支管（按增压泵吸水口径配置），在支管上安装一台冷水自动增压泵（按设计配置）向主机供应冷水，满足整个机组加热用水的正常供应。

（3）统热负荷计算。设计热水用量平均每天为30 t。热水工程设计要求每台机组在平均标准工况下每天工作（8～16）h。本次方案以冬季实际情况参数为标的按热水机组平均每天12 h计算。主机制热量为每天将总用水量由10℃的自来水加热成 55 ℃的热水所需的热量：Qd=c×m×（t2-t1）=1×60×1000×（55-10）=2 700 000 kcal，其中，Qd是日耗热量（W）；c是水比热，取 1 kcal/kg·℃；m 是设计缓存水量（kg）；t2是热水温度，取55℃；t1是冷水温度，取10℃。

（4）热水部分主机配置。根据冬季实际情况来配备机组，在冬季平均气温为8℃时，该型热水机组的COP值为3.8，热水机组每天运行时间为（8～20）h，按12 h计算，则系统需要配置的机组的输入功率为：N=Qd÷3.8÷860÷12=2 700 000 0÷3.8÷860÷12=68.8 kW。

（5）水箱配置。保温水箱的技术性能要求：保温水箱的内胆和外壳采用某型号进口食品级不锈钢制成，内胆顶部厚度1.2 mm；底部厚度2.0 mm；侧面厚度，上半部厚度1.5 mm；下半部厚度2.0 mm。外壳厚度0.8 mm。保温层：中间为聚氨酯发泡保温，厚度50 mm。水箱焊缝用氩弧焊焊接，焊接处经过钝化处理。

2 空气源热水机组水温水时冷时热原因分析及技改方式

职工澡堂洗澡热水来自楼顶2个20 t保温水箱，冷水来自楼底的Φ63 mm主水管道，洗澡时职工通过冷热水开关调节至适宜自身洗澡所需的温度。但在职工洗浴过程中，经常感觉水温不断在变化，有时冷得不得了，有时又热得不得了。厂家技术人员从空气源热泵主机、热水循环泵、冷水自动增压泵、保温水箱、保温水箱至澡堂冷热管道等自身角度进行了多次检查分析，未发现系统各环节存在问题。并在保留利用下来的两个保温水箱外壁分别增加了一组温度传感器，当2个保温水箱的水温低于设定值后，系统自动将2个保温水箱中的热水再次循环加热至设定温度。其次，将热水水温从之前的设定53℃调整至50℃，降低热水水温，减少加热时间，增加热水水量，但洗澡水依旧时冷时热。

其次，同厂家技术人员从空气源主机所产热水量进行分析，该型空气能主机每台额定产热水量410 L/h，厂家按堡子煤矿最大热水用水量60 t的需求设计配置为6台，实际配置了5台该型机组，1 h可产热水2.05 t，每天可产热水量49.5 t，厂家在两个工作水箱中分别增加了一组1.5 kW发热管，使整个空气源机组可满足堡子煤矿最大热水用水量60 t的需求。但实际运行过程中，堡子煤矿属地冬季气温在（0～10）℃左右，有时甚至更低，5台主机加两组1.5 kW的发热管，在实际运行过程中不能满足要求。为保证热水用量，决定按原设计要求增加1台产热水量410 L/h的主机，并将空气能机组两个保温水箱内发热管从之前的1.5 kW分别增加至3 kW，这样6台主机每天正常工作可产热水量约59 t，加上两个保温水箱中的各自的一组3 kW发热管，在冬季同时工作，确保了在冬季的最大热水量，但洗澡水时冷时热的现象依旧存在。

经过长时间对空气源热泵主机、热水循环泵、冷水自动增压泵、保温水箱、保温水箱至澡堂冷热管道等各环节的观察分析发现，当安装在楼底主水管上分接支管的冷水自动增压泵向主机供应冷水时，不仅调节好的洗澡水温会突然变热，而且调度楼其他开着的冷水水龙头的冷水水量也会突然变小，有时甚至突然不出水；当洗澡人员将洗澡水温调低后，冷水自动增压泵停止向主机供应冷水时，不仅调节好的洗澡水温会突然变热，而且调度楼其他开着的冷水水龙头的冷水也会恢复正常。就该现象进行试验，其他各处正常用水，将冷水增压泵进水端撤开，用容器法测得其管道出口流量约为7.88 m3/h。空气源系统设计配置的冷水增压泵型号为XCm40/160A，杨程为32 m，流量为13 m3/h，其增压泵额定工作流量大于其进水管端处冷水流量。因此，当冷水增压泵工作时，将调度楼处主水管中的冷水突然抽走了大部分，致使已调整好的洗澡水温因主水管道中冷水突然减少而突然变热，当将变热的洗澡水调整至洗澡所需温度后，冷水自动增压泵又停止工作，主水管道冷水恢复到原来状态，使再次调整好的洗澡水温因冷水增加而变冷。

3 空气源热水机组冷水供水系统改造方案

利用原燃煤锅炉房中的1个4 m3的热水水箱，作为空气源热水机组的冷水供应水箱。为防止时间过长水箱底部沉底淤泥等其他杂质，在水箱底部设计安装了一个DN100 mm型闸阀作为排污时使用；然后从本栋楼主水管道分接一根Φ32 mm的PVC管直接至改造后的冷水水箱上部，为使冷水箱的冷水能够实现自动开停，在冷水箱进水管道出口与水箱结合处，设计安装了一个DN30 mm型浮球阀自动控制其开停；再将空气源热水机组的冷水自动增压泵进水侧管道，从原管道改到冷水供应水箱底部高于排污闸阀100 mm处的出水管道DN50 mm型闸阀上，使空气源热水机组所需加热的冷水不直接从主水管道上抽取，已解决空气源热水机组的冷水自动加压泵从主水管道直接抽取时，造成洗澡水温时冷时热现象的发生。

为避免冷水供水系统因浮球阀堵塞，或其他原因来水不足，造成冷水增压泵吸空现象，又在冷水增压泵泵体上自制了一套超温自动报警自锁并停机保护装置，该温度传感器在温度40℃以下时为常开状态，温度高于40℃以上时为常闭状态。当冷水自动增压泵因吸空导致泵体温度升高至温度传感器动作温度时，温度传感器控制触点闭合，使安装在调度楼外墙的蜂鸣器发出报警信号，以提醒工作人员及时到现场进行处理，并及时停止增压泵工作，只有人为解除其报警自锁后，增压泵才可恢复正常工作。

4 结语

由于空气源热水机组所需加热的冷水不再从调度楼处冷水主水管道上直接抽取，而是从冷水水箱中抽取。当冷水增压泵工作时，浮球阀的浮球随冷水箱中的水面逐渐下降，浮球阀控制开关逐渐打开，进水管中的冷水逐渐向冷水箱补水，冷水箱的容积保证了冷水自动增压泵连续供水需求。这样整个供水过程主水管的冷水不是突然被吸走，而是逐渐向冷水箱自然供应冷水。因此，对洗澡时已调整好的水温基本没有影响。彻底解决了洗澡水温时冷时热现象，使堡子煤矿广大职工彻底摆脱了洗澡时水冷或水烫带来的痛苦，保证了空气源热水系统在堡子煤矿的正常使用。另外新增的一套自制超温自动报警自锁并停机保护装置，进一步增加了冷水供应系统有的安全可靠性。2018年空气源机组全年用电电费为17.75万元，较燃煤锅炉耗煤费用约31.5万元，节约费用约13.75万元。