礦井中冷水降溫空調系統的研究及應用分析

張禮靜， 常德化， 徐　越

（1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東青島266590）

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礦井中冷水降溫空調系統的研究及應用分析

張禮靜1， 常德化2， 徐越2

（1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東青島266590）

摘要：針對傳統冷水降溫空調系統的3種布置方式存在的優缺點進行研究和分析，提出了新型冷水降溫空調系統，該系統采用分散制冷，集中回熱，能夠有效回收和再次加以利用井下無用的熱量，該技術應用于某一礦井中降低了1.4~1.8倍的冷量損失，提升了2.33倍熱能綜合利用率，整體上也節約了前期投資費用。

關鍵詞：空調系統； 分散制冷； 集中回熱； 熱能綜合利用

0　引言

隨著礦井開采深度的增加以及綜合機械開采能力的提高，礦井熱害越來越嚴重，對井下作業人員的身體健康和生命安全造成很大影響[1]。由于非人工制冷技術的局限性，冷水降溫空調制冷成為礦井熱害治理的主要手段[2]。目前人們對空調系統做了大量的研究，取得了豐碩的成果。陳平[3]研制了壓縮空氣供冷的新型礦井空調系統；何其愚[4]為錫卡房1600平臺深部開拓掘進巷道的高溫問題提出了有效的空調降溫方案；楊建榮[5]、端木琳[6]、龍惟定[7]、唐興亮[8]、劉懷燦[9]等從節能和空氣品質優化方面對冷水降溫空調系統做了進一步的完善。但是，隨著礦井深度的增加以及國家對節能減排要求的進一步提升，冷水降溫空調系統在分散制冷減少冷損和集中供熱增加熱能綜合回收利用效率方面有待進一步的提高。

1　傳統冷水降溫礦井空調系統

礦井空調系統是由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個環節所組成。目前有井上集中式空調系統、地面集中式空調系統、井上、下聯合的混合空調系統。礦井空調系統的工作原理是利用制冷機制出冷水，通過管道輸送到用冷地點，然后通過空冷器將冷量傳給風流，達到制冷降溫的目的。目前國內外常見的冷凍水供冷、空冷器冷卻風流的礦井集中空調系統的基本結構模式如圖1所示。

三種空調系統的降溫特點如下：

（1）井上集中式

冷源：采用制冷機在地面制成低溫冷水。

輸冷：低溫冷水通過保溫管路沿井筒送到井下的高低壓換熱器，通過高低壓換熱器轉化為低壓冷凍水，輸送到各用冷地點。

散冷：在采煤工作面的進風巷放置空冷器，降低進風溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：地面通過冷卻塔排放。

（2）井下集中式

冷源：井下建制冷硐室，安裝制冷機組，制成冷凍水。

輸冷：冷凍水通過保溫管路輸送到各用冷地點。

散冷：在采煤工作面的進風巷放置空冷器，降低進風溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：通過井筒的兩排管路到地面的冷卻塔排放。

（3）井上、下混合式

冷源：地面、井下同時設置制冷站，制成冷凍水。

輸冷：冷凍水通過保溫管路輸送到各用冷地點。

散冷：在采煤工作面的進風巷放置空冷器，降低進風溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：通過井筒的兩排管路到地面的冷卻塔集中排放。

三種傳統冷水降溫礦井空調系統的降溫特征比較見表1。

2　新型冷水降溫空調系統的研究

2.1新型冷水降溫空調系統的提出

隨著礦井開采深度的增加，礦井風流的溫度越來越高，一方面給礦井的安全生產帶來了重大的隱患；另一方面，由于礦井地下蘊含巨大的熱能，可以通過一系列的措施，將能量提出，輸送到井上，供淋浴、取暖等使用，綜合考慮傳統冷水降溫空調系統的優缺點，結合以上兩個方面，提出新型冷水降溫空調及熱能綜合利用系統，如圖2所示。

表1　三種傳統冷水降溫礦井空調系統的優缺點

2.2新型冷水降溫空調系統的工作原理及特征

該系統采用井下分散降溫，集中回熱的方式，即在用冷的采煤工作面和掘進工作面，分別布置制冷機，制冷機制取低溫冷水，送到工作面的換熱器中，冷卻水集中通過管路與井下的高低壓換熱器進行換熱，高低壓換熱器與地面的冷卻塔和板式換熱器相連，排除熱量。

夏季，通過該系統能制取低溫冷水，供工作面使用，同時大量的熱量，一部分通過冷卻塔排掉，一部分可以通過換熱器供工人洗澡等生活熱水使用。冬季，把空冷器放置到回風巷中，利用該系統提取回風熱量，通過高低壓換熱器為地面提供熱水。當外界環境溫度不是很低時，不需要開啟熱泵系統，當外界環境溫度較低時，啟動熱泵系統，為井口及用戶提供足夠的熱量。

該系統具有以下三個方面的優點

（1）分散式制冷，制冷機與工作地點較近，輸送過程的冷損小，能提高其利用率。

（2）冷卻水集中回水，管路不需要保溫。

（3）冬季能用該系統提取礦井回風的熱量，同時井筒中的兩條管路能均勻加熱井筒的空氣，防止井筒結冰。

3　工程實踐

某礦平均地溫梯度為1.9℃/100m，屬地溫梯度正常區。煤礦的開采水平為-1100m，由于開采深度過大，加上設備容量大（面內裝機容量為2330 kW），導致夏季井下熱害問題特別突出。該礦西軌運輸大巷的通風距離達到1300m以上，巷道斷面積22.6m2，平均溫度33.5℃，圍巖溫度34℃，個別地點接近35℃，濕度系數0.25（迎頭底板有積水，濕度系數取0.3）；選用800mm的單層風筒進行通風，需風量約350m3/min，其中風筒百米漏風率取1.5%，風筒傳熱系數為6.73W/m2·℃。風流進風干球溫度為31℃，濕球溫度29.6℃，相對濕度為92%，風機功率為120kW，每班工作人數18人。

僅靠原有的通風機進行通風降溫已經不能滿足礦井安全生產的需求，因此必須采用機械降溫技術對該礦井進行降溫。經專家勘測和核算，結合格拉索冷凍系統（上海）有限公司提供的降溫設備資料對該礦井擬采用的4種降溫方式，即井上集中式空調系統、地面集中式空調系統、井上、下聯合的混合空調系統及新型冷水降溫空調系統進行了初步估算分析。分別從裝機功率的選擇、工程投資、年運行費用、輸送線路長度、冷損比例、熱能的綜合利用、系統的可靠性、承壓性、排熱效果、擴容性、負荷的調節性能、井底車場占用的空間、采掘影響13個指標進行了比較，得到相應的指標值，見表2。

表2　四種冷水降溫空調系統的指標

通過表2可以看出，在滿足同等情況的降溫效果作用下，采用新型冷水降溫空調系統，對降溫設備功率的要求上、投資費用方面有一定程度的降低，對冷量的損失方面有1.4~1.8倍的降低，熱能的綜合利用方面提升至原來的2.33倍。

4　結語

針對冷水降溫空調系統在礦井降溫過程中存在冷損大、熱能回收利用低、經濟效益不夠理想等缺點和不足，新型冷水降溫空調系統既繼承了其降溫、熱能回收于一體的優良特點，還改進了其不足。為驗證其熱能回收效果和經濟效益，從理論上對某一礦井分別應用該新型冷水降溫空調系統與傳統的3種冷水降溫空調系統，結合礦井降溫和熱能利用技術的13個指標，得出了相應的指標值，其結果在滿足相同降溫效果的前提下，新型冷水降溫空調系統降低冷損，提升了熱能有效回收率，節約了運行成本。

參考文獻：

[1]苗德俊，常德化，曹毅，等.新型礦用降溫除濕設備的研發及應用[J].煤炭技術，2016，35（3）：238，239.

[2]吳麗麗，羅新榮，李浪.高溫礦井空調制冷技術概況及發展 [J].制冷與空調，2012，26（1）：97~100.

[3]陳平.采用壓氣供冷的新型礦井集中空調系統 [J].礦業安全與環保，2004，31（3）：1~3.

[4]何其愚，余慶華，王文科等.金屬礦井深部開拓空調通風降溫的研究[J].有色金屬（礦山部分），2009，61（1）：65，66.

[5]楊建榮，李先庭，彥啟森，等.個性化送風波動對熱感覺和室內空氣品質的影響[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（10），1405~1407.

[6]端木琳，舒海文.工位空調送風氣流微環境評價[J].暖通空調，2004，34（12），7~9.

[7]龍惟定.建立適應建筑節能的暖通空調設計機制[J].暖通空調，2008，38（10），48~52.

[8]唐興亮，唐中華.空調系統節能運行自動控制的應用研究[J].制冷與空調，2015，29（6），725~728.

[9]劉懷燦，張龍愛.全熱回收型空氣源熱泵冷（熱）水機組系統設計[J].制冷與空調，2016，16（1），21~24.

修回日期：2016-04-14

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.018

中圖分類號：TD727

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0079-03

作者簡介：張禮靜（1994-），女，山東棗莊人，本科，工學學士，主要從事制冷空調相關技術研究工作。

收稿日期：2016-03-22

Study of Cold Water Cooling Air Conditioning System of Mine and Application Analysis

ZHANG Li-jing1， CHANG De-hua2， XU Yue2
（1.College of Civil Engineering and Building，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：Research and analysis on the advantages and disadvantages of 3 kinds of arrangement modes of the traditional cold water cooling air conditioning system.This paper presents a new type of cold water cooling air conditioning system. The system uses distributed refrigeration，centralized heat recovery to be able to effectively recycle and recycle the unused heat in the mine.The technology is applied in a mine to reduce the loss of 1.4~1.8 times of the cold and increase the comprehensive utilization of heat energy 2.33 times.In addition，the overall savings of the upfront investment costs.

Key words：air conditioning system； dispersion refrigeration； concentration regenerative； heat integration