回風源熱泵技術在煤礦的應用與實踐研究

劉麗娟，王吉明，任丕清

（ 1.山西大學工程學院，太原 030013;2.山西省環境保護廳 太原 030024;3.山西焦煤集團環境保護部 太原 030024）

0 引言

隨著經濟的發展，能源問題已成為舉世關注的焦點。中國能源主要為煤炭、石油，中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，并且其比重在不斷增長。隨著近年環保理念的推廣，替代能源和無污染能源也得到了一定的開發和使用。熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術。

《中華人民共和國節約能源法》第三十九條將熱電冷聯產技術列入國家鼓勵發展的通用技術，促進了熱泵事業的發展。山西是煤炭大省，省內的各大煤礦結合各礦井的實際情況，重視資源的綜合利用，積極采取措施推進企業的節能減排。山西焦煤集團的各礦紛紛采用熱泵技術，利用風源熱泵系統和水源熱泵系統為建筑物供暖、空調、職工洗浴熱水提供冷熱源，經濟效益和環境效益顯著。相信隨著科技的發展和人們對生活環境重視的提升，新能源定會呈出不窮，給人們生活帶來巨大改變。

1 回風源熱泵技術

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵技術是以淺層低溫熱能(淺層地下水、生活污水、工業廢水、礦井水、礦井總回風等蘊藏的低品位熱能)為熱源，通過冷凝裝置制取溫度較高的介質，獲得更多的高品位能量，使低品位熱能得到充分利用(采暖、洗浴等)的新型、節能環保技術［1］。目前，我國主要利用的熱泵技術，按低位熱源分:水源(海水、污水、地下水、地表水等)熱泵，地源(包括土壤、地下水)熱泵，以及空氣源熱泵。回風源熱泵技術屬于熱泵技術的一個分支，是熱泵技術在使用推廣中產生的新技術。原理是通過熱泵技術回收礦井總回風中蘊藏的低溫熱能，與循環水進行換熱，制取高品位熱能以供使用。其原理如圖1［2］所示。

圖1 礦井回風熱能回收原理示意圖

2 回風源熱泵技術在某煤礦的應用實踐［3－8］

2.1 工程概況

某礦井年產煤能力為300萬噸。這個礦風井冬季歷年最低平均氣溫為－25℃，結凍期10月～3月中，主導風向西風。現有建筑維修車間與設備庫需要冬季采暖。每天3班，下井最大班人數200人。現擬用熱泵技術為該礦建筑供暖、職工洗浴熱水提供冷熱源。

經調研，這個礦井回風溫度基本不受室外氣溫影響，并且全年都比較恒定:礦井通風風量為6500 m。3/min，即 108 m3/s，全年回風溫度為15℃ ～17℃，相對濕度為90% ～95%。這個礦井地面廣場的采暖面積約5700 m2，急需解決冬季熱源。原有熱源為燃煤鍋爐和電加熱，能耗和運行費用很高。

2.2 夏季、冬季可提取的熱能計算

礦井回風可提取熱能的計算公式為:

式中:Q表示回風換熱能(kW);Δi表示回風中濕空氣的焓差(kJ/kg);ρ表示回風平均空氣密度(kg/m3);v表示回風量(m3/s)。

2.2.1 冬季提取的熱量

為計算留有余量，冬季的回風溫度按14℃，相對濕度為90%，提取熱量后的回風溫度為8℃，相對濕度為96%，此時的焓差為(36.72－24.11)J/kg，平均空氣密度為1.23 kg/m3，則可以從回風中提取的熱能為:

按照熱泵機組的綜合能效比COP為4.5計算，則可產生的熱能為:

式中:Qs表示熱泵機組提供的熱能;Qqd表示熱泵機組從熱源里提取的熱能。

2.2.2 夏季提取的冷量

為計算留有余量，夏季的回風溫度為17℃，相對濕度為95%，吸收熱能后的回風溫度為30℃，相對濕度為100%，此時的焓差為(99.69－46.24)J/kg，平均空氣密度為 1.18 kg/m3，則可以向回風中釋放的熱能為:

按照熱泵機組的綜合能效比COP為5.0計算，則可提供的制冷量為:

式中:Qls表示熱泵機組產生的制冷量;Qqx表示熱泵機組向回風中散出的熱量。

通過以上計算，可以得出回風源熱泵系統可提供的冷熱資源，見表1。

表1 冷熱資源統計表

2.3 冷熱負荷計算

2.3.1 采暖熱負荷

這個礦地面廣場現有采暖建筑為4551 m2維修車間與1100 m2設備庫。不考慮夏季制冷。因為工業廠房空間較大，因此采暖負荷較大，一般大空間廠房負荷按150～200 W/m2考慮。最不利情況下室內工作溫度≥5℃。

則采暖熱負荷為(4551+1100)×200=1130 kW

2.3.2 洗浴熱負荷

該礦洗浴只采用淋浴方式，每班洗浴人數為200人，每班洗浴水量為60 m3。洗浴水采用深井水作為水源，初始水溫最低為18℃，4小時加熱至42℃。

則洗浴熱負荷為:

通過相關計算，對熱負荷與熱源進行對比，結果如表2所示。

表2 負荷與熱源統計表

從表2，可以看出，利用礦井回風的熱量可以滿足建筑物的冬季供暖與職工洗浴的需求。

2.4 工程設計與實施

根據負荷計算，洗浴熱水熱負荷419 kW，配備某公司1臺HE－B480(高溫型)渦旋熱泵機組;采暖負荷為1130 kW，配備2臺HE－700(普通型)渦旋熱泵機組。熱泵性能參數見表3、表4。

表3 HE－B480熱泵基本技術參數

表4 HE－700熱泵基本技術參數

3 投資及效益分析

投資包括系統工程投資及運行費用，其中工程總投資1515萬元，年總運行費用為69萬元。根據該礦負荷，冬季總熱負荷為1130 kW，最少需要設計1臺4t和1臺1t鍋爐，冬季兩臺運行;春、夏、秋季一臺1t鍋爐運行。空調建筑夏季冷負荷為1500 kW，分體空調能效比COP值最大為2.5，裝機容量600 kW。傳統鍋爐房及分體空調初投資估計總價884萬元，年總運行費(包括燃煤鍋爐運行費、鍋爐耗電費、分體空調運行費、設備維修維護、排污費等)合計247萬元。采用熱泵技術每年節約運行費用178萬元，投資回收期為4年;年節約煤炭約2500 t，減排 CO26365 t，減排SO249 t。

4 結論

回風熱能利用技術的推廣是煤炭行業低碳發展的一種有效途徑，對建設現代化新型礦山有重要意義。熱泵項目具有廢棄資源再利用的特點，推廣回風熱能利用技術符合國家循環經濟、節能減排產業政策;實質性減輕全局環保壓力，節約煤炭資源。礦區取消了鍋爐房，沒有了煙囪，徹底根除了污染源，礦井回風熱能提取裝置，兼有凈化回風流粉塵，降低通風機噪音等功能。煤礦利用熱泵技術符合國家環境保護與能源節約的政策，同時還符合申請政府發改委、經信委、環保主管等部門最高達30%的項目政策獎勵條件。該礦區通過一個年度的實際使用，達到了預期的效果，解決了整個地面廣場的冬季保暖、職工洗浴的問題，節約了大量的能源，年節約煤炭約2500 t，減排CO26365 t，減排SO249 t，經濟效益和環境效益顯著。

［1］劉永強，馬晗.回風源熱泵技術在回收熱能中的應用研究［J］.河南城建學院學報，2012(3):51－53.

［2］姬詢，孫瀟，權犇等.利用水源熱泵全面回收礦井排風中的余熱資源［J］.建筑節能，2010(12):8－9.

［3］孫中文，陳夫科，顏景玉等.礦井回風熱源回收技術及應用［J］.山東煤炭科技，2010(5):30－31.

［4］徐國領.礦井回風熱能利用技術及其應用［J］.中州煤炭，2011(7):87 －89.

［5］GB50366－2005.地源熱泵系統工程技術規范［S］.

［6］GB50019－2003.采暖通風與空氣調節設計規范［S］.

［7］MT/T5013－96.煤炭工業采暖通風及供熱設計規范［S］.

［8］GB50015－2003.建筑給水排水設計規范［S］.