低溫?zé)嵩醇夹g(shù)在工礦企業(yè)中的應(yīng)用綜述

吳昊

摘 要 當(dāng)今社會面臨著資源短缺嚴重和環(huán)境污染加重的窘境，迫切需要在各行各業(yè)建立和發(fā)展環(huán)保、高效、節(jié)能的能源供給設(shè)備。低溫?zé)嵩醇夹g(shù)作為其中的重要組成部分，符合國家“節(jié)能減排”政策和保護環(huán)境基本國策的要求。文章主要介紹低溫?zé)嵩醇夹g(shù)的優(yōu)勢和主要工作原理，闡述礦井基低溫?zé)嵩醇夹g(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞 低溫?zé)嵩?；水源熱泵；余熱利用；?jié)能；環(huán)保

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

當(dāng)今社會面臨著資源短缺嚴重和環(huán)境污染加重的窘境，傳統(tǒng)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(yè)建立和發(fā)展環(huán)保、高效、節(jié)能的能源供給設(shè)備。低溫?zé)嵩醇夹g(shù)作為其中的重要組成部分，符合國家“節(jié)能減排”政策和保護環(huán)境基本國策的要求，有效地利用能源。現(xiàn)在，低溫?zé)嵩醇夹g(shù)正在快速發(fā)展，并在各個領(lǐng)域發(fā)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(zhàn)。

1 低溫?zé)嵩醇夹g(shù)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?zé)嵩醇夹g(shù)的研究已有60多年的歷史。

作為工業(yè)余熱回收技術(shù)之一的礦井基低溫?zé)嵩醇夹g(shù)的熱源有多種，包括：礦井回風(fēng)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?zé)嵩礄C組工作時只需使用少量電能將熱介質(zhì)運輸至熱源處，使之?dāng)y帶熱量進入換熱器，與換熱裝置換熱；換熱后的循環(huán)水直接或間接連接各供暖設(shè)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(shù)優(yōu)勢集中體現(xiàn)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(shè)備不存在電阻加熱裝置；低溫?zé)嵩纯照{(diào)系統(tǒng)在所有空調(diào)系統(tǒng)中的能效比最高，實際能效比可達4：6，是理想的未來空調(diào)系統(tǒng)。

2）節(jié)約資源，低溫?zé)嵩醇夹g(shù)無需任何化石燃料燃燒供能；礦井基低溫?zé)嵩醇夹g(shù)采用礦井回風(fēng)作為熱源和熱介質(zhì)，同比地下水水源熱泵系統(tǒng)礦井基熱泵系統(tǒng)避免了對地下水不可避免的污染與消耗、地下水循環(huán)管道結(jié)垢[2]和細菌滋生等問題[3]。

3）節(jié)約機房面積，同比相同供熱供冷面積的其他空調(diào)設(shè)備，低溫?zé)嵩礄C房面積遠低于同類產(chǎn)品。相比燃煤鍋爐，省去了鍋爐、煤炭存放處等設(shè)施；相比普通空調(diào)省去了大量分散的外機；相比大型中央空調(diào)，省去了大型冷卻塔等附屬設(shè)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(diào)等設(shè)備，低溫?zé)嵩礋岜脦缀鯚o需維護，基本保證15年無大修，是企業(yè)降低運營成本的理想選擇。

鑒于以上優(yōu)勢，低溫?zé)嵩醇夹g(shù)在國內(nèi)外各個領(lǐng)域已有比較廣泛且較為成熟的發(fā)展和應(yīng)用。早在30年前，瑞士、芬蘭、奧地利、德國等就已經(jīng)開始使用淺層土壤地?zé)嶙鳛樯罟┡療嵩矗?0世紀末，美國新建的商業(yè)建筑中已有30%采用低溫?zé)嵩醇夹g(shù)供暖制冷[4]。當(dāng)今中國，以地下水或淺層土壤為熱源的商用低溫?zé)嵩醇夹g(shù)已然成熟，并廣泛地運用在各類大型建筑中。

基于礦井回風(fēng)的煤礦低溫?zé)嵩醇夹g(shù)相比基于其他熱源的低溫?zé)嵩醇夹g(shù)，有著不可比擬的優(yōu)勢，包括：

1）礦井回風(fēng)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(fēng)量，噸煤開采平均0.5～4.0噸的排水量[4-6]的現(xiàn)實下，礦井巷道圍巖散熱和礦井排水中的熱量其實相當(dāng)可觀。

2）建設(shè)成本低，基于礦井回風(fēng)的低溫?zé)嵩醇夹g(shù)直接依托地面回風(fēng)，省去建設(shè)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(fēng)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(fēng)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(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“當(dāng)采掘工作面空氣溫度超過26℃、機電設(shè)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(dāng)采掘工作面的空氣溫度超過30℃、機電設(shè)備硐室超過34℃時，必須停止作業(yè)①?！被仫L(fēng)系統(tǒng)帶走井下熱量，熱泵帶走回風(fēng)中的熱量，助力礦井回風(fēng)有效散熱，防止高溫帶來的危險。

鑒于以上種種優(yōu)勢，低溫?zé)嵩醇夹g(shù)逐漸被各大工礦企業(yè)所青睞，助力企業(yè)降能耗、提效能。

2 低溫?zé)嵩醇夹g(shù)現(xiàn)狀綜述

2.1 概述

礦井基低溫?zé)嵩粗饕缘V井回風(fēng)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(fēng)和礦井排水中的熱能顯得尤為關(guān)鍵。對此，業(yè)內(nèi)通行的做法是采用熱泵技術(shù)。

2.2 熱泵技術(shù)

熱泵能吸收無用的低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫母邷責(zé)崃?，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(huán)（壓縮-膨脹）為基礎(chǔ)的系統(tǒng)和以吸收循環(huán)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)[8]。其中，以蘭金循環(huán)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)更為普遍。按照介質(zhì)分可分為水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵，在礦井生產(chǎn)中，水源熱泵以其穩(wěn)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(fā)器、冷凝器（散熱器）和節(jié)流閥組成。工作時，低溫低壓的液體制冷劑在蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩?，如礦井回風(fēng)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(jīng)節(jié)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(fēng)上，礦井基熱泵依靠在回風(fēng)機口處安裝噴水裝置與礦井回風(fēng)形成逆流進行熱交換，提取低溫?zé)崃俊樘岣咛崛崃康男剩梢酝ㄟ^增大循環(huán)水與礦井回風(fēng)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(shù)發(fā)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(shù)途徑[4]，本文不再贅述。

2.3 污水源熱泵技術(shù)

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

3 結(jié)論

目前低溫?zé)嵩醇夹g(shù)發(fā)展狀況良好，具有相當(dāng)?shù)奈磥戆l(fā)展?jié)摿Α?/p>

據(jù)陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)張科利的計算，該礦整套熱泵設(shè)備相比傳統(tǒng)鍋爐+空調(diào)的供暖制冷模式每年可節(jié)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(chǎn)了相關(guān)設(shè)備，且節(jié)能減排效果

明顯[4]。

越來越多的企業(yè)正在建設(shè)低溫?zé)嵩礋岜脴O其配套設(shè)備，或已經(jīng)投入使用。隨著國家節(jié)能節(jié)排政策的深入實施，相信綠色礦山的理想將很快實現(xiàn)。

注釋

①2016年10月1日起實行的《煤礦安全規(guī)程》（國家安全生產(chǎn)監(jiān)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(guī)定。

參考文獻

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