水源熱泵技術在煤礦低溫余熱資源利用中的應用

楊 丁，龍祖根，楊亞帆

(1.貴州大學礦業學院， 貴州貴陽 550003;2.貴州省煤礦設計研究院， 貴州貴陽 550025)

煤礦在建設生產過程中存在大量的礦井排風和礦井廢水，在這些排風和廢水中又存在著大量的低溫余熱資源，礦方一般很少利用這些低溫余熱資源，而是任其白白散失于外界環境，造成了資源的浪費。另一方面，煤礦工業場地還存在洗浴熱水和建筑采暖等用熱需求，根據對煤礦實際調查，它們一般通過燃煤(燃油)鍋爐提供，需消耗大量的燃煤或燃油，而且燃煤或燃油過程中還向周圍環境排放了大量的廢氣，造成環境污染。潛在低溫余熱資源的白白浪費，大量燃煤、燃油的消耗，周邊環境的污染，這一煤礦普遍問題的存在，完全不符合國家實施節能減排的初衷，是現今亟待解決的問題。

1 煤礦低溫余熱資源分析

煤礦低溫余熱資源主要有礦井排水和礦井排風，配備有瓦斯發電廠的煤礦其瓦斯發電乏氣余熱也是主要的低溫余熱資源。

礦井排風:回風溫度一年四季約在18°左右，相對濕度接近100%，其溫度、濕度一年四季變化不大，蘊含的大量低溫熱能未得到利用，回收利用價值高。

礦井排水:礦井排水溫度較高，全年溫度變化不大，大部分需全天排放，其中蘊含著大量的低溫熱能，回收利用價值高。

瓦斯發電乏氣余熱:利用瓦斯發電的高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，其發電機組排氣溫度在550℃左右，蘊含的大量低溫熱能，可進行回收利用。

2 煤礦低溫余熱資源利用技術

目前在理論上較為成熟且已投入實際應用的煤礦低溫余熱資源利用技術為水源熱泵技術。

2.1 水源熱泵技術

水源熱泵技術是一種以可再生能源—淺層低溫熱能(礦井水、礦井總回風等蘊藏的低品位熱能)為熱源，以消耗少量電能為代價，能將大量無用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的新型、節能環保型節能技術。其核心是水源熱泵，水源熱泵是一種熱能置換裝置，輸入少量電能驅動機組運行，機組就可以把低品質(低溫位)熱能置換到高品質(高溫位)，供人們加以利用。通常熱泵消耗1 kW的電能，用戶可以得到4 kW以上的熱量。目前較為成熟的水源熱泵有同方人工環境有限公司的SGHP系列、北京礦大節能科技有限公司的HE640熱泵機組。

(1)礦井排水低溫資源提取工作原理。井下排水經處理后，排至熱泵機組蓄水池，熱泵機組提取潛在低溫熱源后，作為采暖、空調、洗浴供熱，見圖1。

圖1 礦井排水低溫資源提取工作原理示意

(2)礦井排風低溫資源提取工作原理。在排風井井口設置噴淋塔、翅片換熱器等設備，進行空氣－水換熱，并將冷卻水收集，經處理后，排至熱泵機組蓄水池，熱泵機組提取潛在低溫熱源后，作為采暖、空調、洗浴供熱，如圖2所示。

圖2 礦井排風低溫資源提取工作原理示意

2.2 水源熱泵技術的優勢

(1)高效節能。水源熱泵是目前空調系統中能效比(COP值)最高的制冷、制熱方式，理論計算可達到7，實際運行為4～6。

(2)屬可再生能源利用技術。通過水源熱泵技術回收礦井總回風、礦井排水等資源中蘊藏的低溫熱能，為煤礦冬季采暖、一年四季洗浴熱水提供熱源，為夏季中央空調提供冷源，廢熱回收利用、符合循環經濟原理。

(3)節水省地。以礦井排水和礦井回風為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會造成污染;省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規空調系統，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。

(4)節能、減排效益顯著。水源熱泵機組供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，實現煤礦不燃煤，無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染;供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源熱泵機組運行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會引起城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。

(5)一機多用，應用范圍廣。水源熱泵機組供熱可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。

3 水源熱泵技術實際應用

3.1 項目概況

重慶某煤礦為新建礦井。礦井設計生產能力60萬t/a，設計服務年限52.9 a，礦井采用綜合機械化采煤方式，分區式通風系統。礦井在籍總人數1600～1700人，礦井工業廣場總熱負荷2530.5 kW，總冷負荷為2241.3 kW。

采用水源熱泵技術回收礦井低溫熱能，解決冬季建筑采暖、全年洗浴熱水熱源和夏季建筑空調冷源。該礦可利用的低溫廢熱資源有礦井回風熱能和礦井排水熱能。

3.2 礦井回風低溫熱源分析

(1)冬季提取的熱量。礦井回風量149 m3/s，冬季按回風溫度19℃，相對濕度為85%，提取熱量后的回風溫度為10℃，相對濕度為95%，則可以從回風中提取的熱量為3606.9 kW。按照熱泵機組的綜合能效比COP為4.5計算，則可產生的熱量為:4637.43 kW。

(2)夏天吸收的熱量。夏季按回風溫度22℃，相對濕度為95%，吸收熱量后的回風溫度為32℃，相對濕度為100%，則礦井回風可以吸收的熱量為8140.5 kW。按照熱泵機組的綜合能效比COP為5.0計算，則提供的冷量為 6783.7 kW。

3.3 礦井排水低溫熱源分析

(1)冬季提取的熱量。礦井排水量為260 m3/h，礦井排水溫度為20℃左右，若這部分礦井水先進行提熱后再作它用，按10℃溫差提取熱量，則從礦井排水中可提取的熱量為3023.8 kW;按照熱泵機組的綜合能效比COP為4.5計算，則可產生的熱量為3887.74 kW。

(2)夏天吸收的熱量。礦井排水量仍按260 m3/h計算，按15℃溫差吸收熱量，則從礦井排水中可吸收的熱量為4535.7 kW;按照熱泵機組的綜合能效比COP為5.0計算，則提供的冷量為3779.7 kW。

3.4 技術路線

(1)冬季。2臺HE640型機組為洗浴熱水提供熱量，2臺HE640型機組提供建筑物采暖熱量。地面建筑采暖供熱量:2×652.2=1304.4 kW，洗澡熱水供熱量:2×652.2=1304.4 kW。

(2)夏季。4臺HE640型機組提供空調冷量。最大制冷量:4×580=2320 kW，夏季熱回收機組提供洗浴熱水，剩余1臺機組在冷凝熱無法滿足洗浴熱水負荷要求時啟用。

(3)過渡季節。2臺HE640型機組運行，提供洗澡熱水熱量。

3.5 經濟分析

采用水源熱泵技術，需投資953萬元;而傳統鍋爐、中央空調加風井除塵系統約895萬元。水源熱泵技術初期投資較高，但水源熱泵系統比傳統鍋爐房方式節約年運行費約261.71萬元，從長遠來看，煤礦采用水源熱泵技術相比傳統鍋爐房方式更具有競爭力，經濟分析見表1。

表1 運行費用分析對比

3.6 環境效益分析

水源熱泵系統無需耗煤，沒有燃燒過程，不存在固體廢棄物、有毒有害氣體及煙塵排放等問題，不消耗水資源，不污染地下水質，因而是環保、高效的供熱方式。據測算，相比于傳統的供熱方式，每年可減少 SO2排量 102.8 t、CO2排量 13366.08 t、煤炭消耗5141 t，具有顯著的環保效益。

4 結語

水源熱泵技術是一種以可再生能源——淺層低溫熱能(礦井水、礦井總回風等蘊藏的低品位熱能)為熱源，是一種以消耗少量電能為代價，能將大量無用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的新型、節能環保型節能技術。該項技術不僅能解決礦井低溫余熱資源的利用，實現節能減排，而且相對于傳統供熱方式，在經濟上具有更大競爭力，有利于利用低溫余熱資源，減少資源損耗，具有一定的推廣價值。

［1］姜賢榮，黃榮華.認真貫徹“節能規定”搞好煤礦節能工作［J］.煤炭科學技術，1992，(1).

［2］胡令仕，史國昌，李信祥.煤礦節能降耗的探討［J］.煤炭科學技術，1992，(5).

［3］鄧 波.煤礦風機水泵的節能技術改造［J］.中州煤炭，1994，(6).

［4］蘇立功.進一步搞好煤礦節能和資源綜合利用工作［J］.煤炭加工與綜合利用，1995，(2).

［5］譙明蓉.談市場經濟條件下的煤礦節能工作［J］.節能，1997，(11).

［6］張 敏，房建國，孔 寧.建設循環經濟園區 推動礦區節能減排［J］.煤炭加工與綜合利用，2009，(3).