低溫熱源技術在工礦企業中的應用綜述

吳昊

摘 要 當今社會面臨著資源短缺嚴重和環境污染加重的窘境，迫切需要在各行各業建立和發展環保、高效、節能的能源供給設備。低溫熱源技術作為其中的重要組成部分，符合國家“節能減排”政策和保護環境基本國策的要求。文章主要介紹低溫熱源技術的優勢和主要工作原理，闡述礦井基低溫熱源技術的優勢與挑戰。

關鍵詞 低溫熱源；水源熱泵；余熱利用；節能；環保

中圖分類號 TK1 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0128-02

當今社會面臨著資源短缺嚴重和環境污染加重的窘境，傳統能源供給模式無法滿足人口增長和人民生活水平的需求，迫切需要在各行各業建立和發展環保、高效、節能的能源供給設備。低溫熱源技術作為其中的重要組成部分，符合國家“節能減排”政策和保護環境基本國策的要求，有效地利用能源。現在，低溫熱源技術正在快速發展，并在各個領域發揮著越來越大的積極作用；同時在不同的礦井條件和用戶需求下，面臨越來越多的挑戰。

1 低溫熱源技術綜述

人類對熱泵低位熱源回收的研究起源于19世紀初；20世紀20年代初，地表水熱源熱泵開始在歐洲使用。我國對低溫熱源技術的研究已有60多年的歷史。

作為工業余熱回收技術之一的礦井基低溫熱源技術的熱源有多種，包括：礦井回風余熱、礦井排水、空氣壓縮機余熱、職工家屬生活污水余熱等。低溫熱源機組工作時只需使用少量電能將熱介質運輸至熱源處，使之攜帶熱量進入換熱器，與換熱裝置換熱；換熱后的循環水直接或間接連接各供暖設施（如圖1），取代了原先鍋爐取暖高耗能、高污染的供暖模式。

該技術優勢集中體現在：

1）低耗能[1]高效能，只需少量電能使熱泵機組正常運行即可，主體設備不存在電阻加熱裝置；低溫熱源空調系統在所有空調系統中的能效比最高，實際能效比可達4：6，是理想的未來空調系統。

2）節約資源，低溫熱源技術無需任何化石燃料燃燒供能；礦井基低溫熱源技術采用礦井回風作為熱源和熱介質，同比地下水水源熱泵系統礦井基熱泵系統避免了對地下水不可避免的污染與消耗、地下水循環管道結垢[2]和細菌滋生等問題[3]。

3）節約機房面積，同比相同供熱供冷面積的其他空調設備，低溫熱源機房面積遠低于同類產品。相比燃煤鍋爐，省去了鍋爐、煤炭存放處等設施；相比普通空調省去了大量分散的外機；相比大型中央空調，省去了大型冷卻塔等附屬設施。

4）無污染，不燃燒化石燃料，完全沒有污染物

排放。

5）維護成本低，相比于鍋爐和大型空調等設備，低溫熱源熱泵幾乎無需維護，基本保證15年無大修，是企業降低運營成本的理想選擇。

鑒于以上優勢，低溫熱源技術在國內外各個領域已有比較廣泛且較為成熟的發展和應用。早在30年前，瑞士、芬蘭、奧地利、德國等就已經開始使用淺層土壤地熱作為生活供暖熱源；20世紀末，美國新建的商業建筑中已有30%采用低溫熱源技術供暖制冷[4]。當今中國，以地下水或淺層土壤為熱源的商用低溫熱源技術已然成熟，并廣泛地運用在各類大型建筑中。

基于礦井回風的煤礦低溫熱源技術相比基于其他熱源的低溫熱源技術，有著不可比擬的優勢，包括：

1）礦井回風熱源蘊藏量大，在全國37.37億噸（合260985.67萬噸標準煤）每年（2015）[5]的煤礦開采量，噸煤開采平均4.15m3/h的用風量，噸煤開采平均0.5～4.0噸的排水量[4-6]的現實下，礦井巷道圍巖散熱和礦井排水中的熱量其實相當可觀。

2）建設成本低，基于礦井回風的低溫熱源技術直接依托地面回風，省去建設深井或地下螺旋管的費用，前期投資成本顯著降低。

3）溫度適中且冷熱兼用，礦井回風的溫度在15～25℃且全年溫度基本恒定；礦井排水溫度在15～20℃且全年水溫基本恒定；職工澡堂外排廢水溫度在16～25℃之間且全年溫度基本恒定。相比于電廠冷卻水（35℃）或者鋼廠冷卻水（45～65℃）[7]而言，礦井回風熱源溫度適中，可同時滿足冬季供暖和夏季降溫的雙重需求。

4）可助力井下高溫防治，根據《煤礦安全規程》規定：“當采掘工作面空氣溫度超過26℃、機電設備硐室超過30℃時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇；當采掘工作面的空氣溫度超過30℃、機電設備硐室超過34℃時，必須停止作業①。”回風系統帶走井下熱量，熱泵帶走回風中的熱量，助力礦井回風有效散熱，防止高溫帶來的危險。

鑒于以上種種優勢，低溫熱源技術逐漸被各大工礦企業所青睞，助力企業降能耗、提效能。

2 低溫熱源技術現狀綜述

2.1 概述

礦井基低溫熱源主要以礦井回風和礦井排水為主要熱源，必要時可利用職工浴室廢水和職工家屬生活污水作為熱源。所以，如何有效地提取礦井回風和礦井排水中的熱能顯得尤為關鍵。對此，業內通行的做法是采用熱泵技術。

2.2 熱泵技術

熱泵能吸收無用的低溫熱量轉變為有用的高溫熱量，使之可以被再次利用。比較成熟的熱泵按工作原理不同，可分為以蘭金循環（壓縮-膨脹）為基礎的系統和以吸收循環為基礎的系統[8]。其中，以蘭金循環為基礎的系統更為普遍。按照介質分可分為水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵，在礦井生產中，水源熱泵以其穩定的運行性能和較高的熱效率被廣泛采用。

熱泵由壓縮機、蒸發器、冷凝器（散熱器）和節流閥組成。工作時，低溫低壓的液體制冷劑在蒸發器中從低溫熱源，如礦井回風中吸熱并氣化；壓縮機把氣化后的制冷劑氣體變成高溫高壓氣體；高溫高壓氣體經節流閥進入散熱器，膨脹、冷卻成為液體制冷劑并同時放熱，完成一個熱能搬運過程。

具體到煤礦回風上，礦井基熱泵依靠在回風機口處安裝噴水裝置與礦井回風形成逆流進行熱交換，提取低溫熱量。為提高提取熱量的效率，可以通過增大循環水與礦井回風的接觸面積等方法，提高交換效率。endprint

然而熱泵機組壓縮機的效率不盡如人意，這是制約熱泵技術發展的主要因素之一。冀中能源集團有限公司的劉建功給出了解決這一問題的3個技術途徑[4]，本文不再贅述。

2.3 污水源熱泵技術

污水源熱泵系統相比于前兩者而言，對能源的利用率更高，同時技術難度也更大。目前主要的技術瓶頸仍然是無法有效清除污水造成的管道內污物淤積、結垢的問題。雖然現在已經有一些除垢技術[9-10]，但這些技術大都與實際生產有一定距離；再者，對于大部分工礦企業而言，礦井回風熱泵系統和空壓機余熱回收系統就可以大體滿足企業職工對于熱量的需求，企業對此技術的需求不大。

3 結論

目前低溫熱源技術發展狀況良好，具有相當的未來發展潛力。

據陜煤集團神木檸條塔礦業張科利的計算，該礦整套熱泵設備相比傳統鍋爐+空調的供暖制冷模式每年可節省標準煤11 016t，CO2和SO2排放量分別減少28 641.6t和220.32t[11]。冀中能源集團的東龐礦、章村礦等都已安裝投產了相關設備，且節能減排效果

明顯[4]。

越來越多的企業正在建設低溫熱源熱泵極其配套設備，或已經投入使用。隨著國家節能節排政策的深入實施，相信綠色礦山的理想將很快實現。

注釋

①2016年10月1日起實行的《煤礦安全規程》（國家安全生產監督管理總局令第87號），第三章熱害防治，第六百五十五條之規定。

參考文獻

[1]董蘭明.熱泵節能技術綜述[J].山西科技，2008（3）：170-172.

[2]薛玉偉，李新國，趙軍，等.地下水水源熱泵的水源問題研究[J].能源工程，2003（2）：10-13.

[3]鄭凱，方紅衛，王理許.地下水水源熱泵系統中的細菌生長[J].清華大學學報（自然科學版），2005，45（12）：1608-1612.

[4]劉建功.煤礦低溫熱源利用技術研究與應用[J].煤炭科學技術，2013，41（4）：124-128.

[5]國際統計局.經濟數據查詢[EB/OL].http：//data.stats.gov.cn/search.htm？s=2015.

[6]馮耀挺.采煤工作面風量計算方法及主要參數選取[J].陜西煤炭，2008（5）：11-13.

[7]王大中.鋼鐵廠循環冷卻水處理的特點[J].工業水處理，1989，9（2）：5-8.

[8]V.A.歐斯塔斯，A.萊特，任大亨.熱泵和熱管的能量傳遞[J].機電設備，1981（12）：29-34.

[9]孫春錦，吳榮華，孫源淵，等.污水源熱泵技術研究現狀及分析[J].暖通空調，2015（9）：49-53.

[10]宋明啟，王志國，劉曉燕，等.污水源熱泵技術綜述[J].低溫建筑技術，2014，36（10）：131-133.

[11]張科利.礦井低品位熱能綜合利用技術研究及應用[J].煤炭工程，2015，47（7）：27-29.endprint