司家營鐵礦南區地下開采水源熱泵的應用實踐

秦四龍 魯愛輝 徐永坤

(河鋼集團礦業公司司家營南區分公司)

地下水源熱泵系統是一種從地下水資源中提取熱量從而達到高效、節能、環保、可再生的供熱(冷)系統[1]。20世紀50年代，我國開始了水源熱泵技術研究與開發，但主要應用于建筑領域，技術發展較為緩慢[2]。改革開放以來，隨著政府環境保護、污染治理等政策的大力推行，大大促進了我國水源熱泵技術的發展。近年來，水源熱泵的市場化逐步成熟，但目前地下礦山應用較少。礦山地下水涌出量大且水量豐富，水溫基本不受室外氣溫影響，一年四季均比較穩定，其中蘊含著豐富的低位能量。利用礦井地下涌水作為熱源，應用水源熱泵技術替代傳統的燃煤鍋爐，可以解決井口防凍及保溫、工業場地主要建筑物冬季采暖和夏季制冷、洗浴熱水等問題，既能實現礦山節能降耗，又符合我國發展清潔能源和綠色礦山建設的要求[3-4]。本研究以司家營鐵礦南區為例，為有效利用該區地下水資源，采用水源熱泵技術設計了供暖方案。

1 地下水源熱泵概述

1948年第一臺地下水源熱泵系統在美國俄勒岡州運行，掀起了20世紀40—50年代歐洲和美國地源熱泵技術研究的第一次高潮[5]。隨著工業技術的發展，近數十年來，美國地源熱泵系統在家庭和商業建筑中得到了廣泛應用。自20世紀水源熱泵系統概念被提出開始，隨著材料及設備工藝水平逐步提升，經過30 a不斷改進和發展，水源熱泵已逐步推向市場，開始商品化推廣[6]。自20世紀80年代以來，由于水源熱泵的市場化趨勢不斷增強，水源熱泵空調系統在我國開始興起，但適用范圍局限于商業建筑。近2 a來，水源熱泵技術開始應用于礦山企業，如首鋼杏山鐵礦、冀中能源集團東龐礦、梧桐莊礦以及章村礦等。經過不斷引進吸收國外技術，國內多家公司(如清華同方、北京礦大能源安全科技公司等)水源熱泵技術的研發水平已經成熟。

2 水源熱泵工作原理

地下水源熱泵技術是利用礦井涌水溫度常年變化不大的特性，將其作為天然的低溫低熱位熱能資源，利用熱泵機組，通過少量的高位電能輸入，達到低位熱能向高位熱能轉移的目的[7]。在夏季，將建筑物中的熱量轉移至循環的礦井涌水中，由于礦井涌水溫度低，因此可以快速、高效地帶走熱量；在冬季，從礦井涌水中提取熱量，通過將礦井涌水作為載體經過熱泵機組升溫后輸送至建(筑)物、井口等位置。對于地下礦山而言，水源熱泵系統即是利用礦井地下涌水作為冷、熱源，從而實現能量轉換的供熱、制冷的空調系統(圖1)[8]。該系統在礦山應用的關鍵在于是否有穩定的地下水源。

圖1 地下水源熱泵系統示意

冬季由于礦井水溫度高于空氣，通過水源熱泵可以從水中“提取”熱量，將礦井水中含有的熱能輸送至建(構)物、井口等位置，達到冬季采暖的目的(圖2)。

圖2 水源熱泵冬季供暖原理

在夏季，利用水源熱泵通過相關介質可將建(筑)物中的熱量交換出來，釋放至礦井水中去，由于礦井水溫度比環境溫度低，因此可以高效地帶走熱量，達到夏季給建(筑)物室內制冷的目的(圖3)[9]。

圖3 水源熱泵制冷原理

3 司家營鐵礦南區地下水供暖/降溫方案

3.1 礦區概況

司家營鐵礦南區地處河北省唐山市灤縣、灤南兩縣，為河北鋼鐵集團礦業公司最大的在建現代化新型地下礦山。礦區水文地質條件復雜，礦山基建期及采礦期均面臨著巨大壓力。礦區附近地表河流屬于灤河水系，主要有灤河、新河、狗尿河等。含水層主要由第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層(帶)組成[10-14]。在南區基建期，隨著巷道掘進，大量涌水出現且水量穩定。該類礦井水直接排至附近河流，造成了大量的水資源浪費。同時，南區大賈莊副井、北進風井等通風井面臨著井口冬季保溫及采暖問題，燃煤鍋爐運行成本增加，并且面臨著設備更新問題。南區具有穩定的地下涌水，具備了地下水源熱泵應用的前提條件。

3.2 熱量需求

按冬季采暖室外溫度-10 ℃(條件1)計算，采礦工業建筑采暖熱負荷為3 505 kW，選礦工業建筑采暖熱負荷為9 898 kW，井口預熱總熱負荷為13 405 kW(表1)。

表1 條件1對應的司家營鐵礦南區各井口預熱耗熱量

按冬季極端最低平均溫度-17.8 ℃(條件2)計算，井口預熱總熱負荷為24 204 kW(表2)，洗浴用熱負荷為蒸汽量2 t/h，約為1 200 kW。

表2 條件2對應的司家營鐵礦南區各井口預熱耗熱量

3.3 水源熱泵供暖/制冷方案

司家營鐵礦南區采用集中排水方式，井下排水系統配備6臺MD1100-86×7型耐磨多級離心泵，正常涌水量時3臺工作，2臺備用，1臺檢修，最大涌水量時5臺工作，1臺備用。另考慮應急排水，水泵房內設2臺ZQ1100-595/7-2800/S型礦用潛水泵，作為應急排水設備，正常排水能力為3 300 m3/h。排水管選用5條φ426 mm×13 mm無縫鋼管，正常水量時3條工作，2條備用，最大水量時全部工作，沿豎井敷設出地表。地下涌水通過排水管路排至地表高位水池，經機械攪拌式澄清池過濾后供給水源熱泵系統。根據水文預測及現場實際測量，礦井涌水平均水溫為18 ℃，為良好的低溫熱源，符合地下水源熱泵運行的條件。

3.3.1 熱泵機房

地下水源熱泵機房修建于地表高位水池附近，避免礦井水水溫變化過大。地下水源熱泵系統在冬季為采選工業建筑供暖以及為井口預熱提供熱源，夏季用于為采選部分建筑空調提供冷源，并為浴室洗浴提供熱水。機房配置HE2450LF型螺桿水源熱泵機組和HE600LF型螺桿水源熱泵機組，以礦井工業場地高位水池中的地下涌水作為冷、熱源。

3.3.2 控制系統

控制系統采用以太網通訊，主機通過交換機與上位機連接，可以在中控室集中控制，實現對熱泵機組、空調機組、循環泵系統以及排水系統進行集中控制[15]，實現對井口、建筑物等需熱點進行自動溫度監控，并反饋給井下排水設備，以調配礦井水分配。

3.3.3 井口預熱及建筑采暖機組配置

由于地下涌水隨著巷道掘進逐漸增多，地下水源熱泵系統可用水量按照排水系統的正常排水能力考慮。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組熱源側水流量為243.67 m3/h。考慮到ZQ1100-595/7-2800/S型礦用潛水泵的正常排水能力(3 300 m3/h)，本研究選用13臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組在冬季為采選工業建筑供暖及井口預熱提供熱源。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組在熱源水溫18 ℃時的制熱量為2 511.75 kW，耗電功率為478.8 kW，因此，熱泵機組提供的總熱量為32 652.75 kW。

根據司家營鐵礦南區2012年11月—2017年3月近5 a供暖期內的歷史天氣資料，-10 ℃以下的天數總計為49 d，平均為12.25 d/a，且主要出現在夜晚，出現頻率較低。按照平均溫度-17.8 ℃考慮，地下水源熱泵可提供的總熱量可以滿足井口預熱要求。但當出現冬季極端天氣時，工業建筑及洗浴用熱供應量不滿足需求，可通過調配供熱量或采用其他取暖方式等輔助措施，確保建筑物及洗浴用熱滿足需求。冬季當室外溫度高于或等于-10 ℃時，熱負荷總需求量不超過26 808 kW，熱泵機組可以滿足供熱需求。此外，礦山可根據實際用熱需求調整機組的工作臺數和單機負荷。

3.3.4 洗浴熱水機組配置

經計算，礦山可利用的地下涌水剩余水量為321.29 m3/h。單臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組熱源側水流量為57.5 m3/h，本研究選用2臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組，用于浴室洗浴供熱。單臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組在熱源水溫18 ℃時的制熱量為603.23 kW，耗電功率為123.3 kW。提供洗浴供熱的熱量為3 016.15 kW(按2.5 h加熱計算)。

3.3.5 夏季建筑空調制冷機組配置

夏季建筑所需制冷量暫無具體參數，暫按2臺水源熱泵機組考慮。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組的制冷量為2 277.2 kW，耗電功率為348 kW，冷源側水流量為205.21 m3/h。2臺HE2450LF型機組可提供的空調冷量為4 554.4 kW。

3.3.6 機房布置

熱泵機房由熱泵機組和電氣室組成，控制系統集成于總控制室。根據配備的水源熱泵機組數量，總裝機容量約為6 741 kW，其他輔助設備包括循環泵、起重設備等裝機功率暫不考慮。

3.3.7 井口預熱設施

為防止冬季井口結冰，威脅提升系統的安全，在井口房內采用組合式空調機組加熱空氣，與冷空氣混合后進入井筒。熱源由熱泵機房提供的45 ℃的熱循環水提供。單臺ZK-60型組合式空調機組風機配電機功率為22 kW，1#、2#副井和大賈莊副井井口房各選用6臺ZK-60型組合式空調機組。單臺ZK-70型組合式空調機組的風機配電機功率為22 kW，1#斜坡道硐口段和2#斜坡道井口房各選用3臺ZK-70型組合式空調機組。

3.4 方案投資

司家營鐵礦南區水源熱泵系統建設主要包含工藝設備、電氣設備、自動化控制系統等，在排水系統建設的基礎上，減少了取水井及回水井的建設資金。地下水源熱泵系統各項建設投資總額為2 197.8萬元(表3)。

表3 司家營鐵礦南區地下水源熱泵系統建設投資

4 水源熱泵與傳統燃煤鍋爐供暖方案對比分析

4.1 傳統燃煤鍋爐供暖方案

(1)鍋爐配置。因冬季極端天氣出現概率極低，按照-10 ℃考慮時，司家營南區總需熱負荷為26 808 kW，相當于41.02 t蒸汽，裝機容量需3臺20 t 蒸汽鍋爐。夏季洗浴供熱量需2 t蒸汽，裝機容量需1臺2 t蒸汽鍋爐。

(2)鍋爐房投資。裝機容量為3臺20 t蒸汽鍋爐和1臺2 t蒸汽鍋爐的鍋爐房，投資約為2 470萬元。

(3)鍋爐房設備用電量及用煤量。3臺20 t蒸汽鍋爐及其附屬設備用電量約為615 kW，采暖期消耗煤(折合標煤)量為18 947.52 t(按每臺鍋爐每小時消耗 2.04 t煤(折合標煤)考慮)。1臺2 t蒸汽鍋爐及其附屬設備用電量約為150 kW，年消耗煤(折合標煤)約1 888 t(按每臺鍋爐每小時消耗0.4 t煤(折合標煤)考慮)。

4.2 方案經濟對比分析

井口預熱、建筑物供暖期按129 d/a考慮。地下水源熱泵建設、燃煤鍋爐建設投資及15 a的運營費用對比如表4所示。

表4 供暖系統建設及運營成本對比 萬元

供暖方案投資合計投資現值經營費合計經營費現值投資經營費合計投資經營費現值合計地下水源熱泵21982035124286566146258601燃煤鍋爐24702287142257516166959803

由表4可知：水源熱泵供暖方案的投資現值為2 035萬元，燃煤鍋爐供暖方案的投資現值為2 287萬元；水源熱泵供暖方案的經營費現值為6 566萬元，燃煤鍋爐供暖方案的經營費現值為7 516萬元，可見水源熱泵供暖方案的經濟效益較顯著。

水源熱泵技術經過多年不斷改進和發展，技術日趨成熟，目前國內水源熱泵技術成熟可靠[16-17]。水源熱泵供暖方案每年可少消耗標準煤20 835.52t，極大減少CO2和SO2的排放量，有助于大幅改善礦區周邊生活環境，符合我國環境保護與能源節約的政策。

5 結 語

水源熱泵系統具有效率高、節能、環保等優點，現階段國內水源熱泵系統技術成熟，已經實現了市場化、商品化，在各領域的應用逐步增多。司家營鐵礦南區應用水源熱泵具備了相關條件，詳細分析了該礦區水源熱泵供暖系統設計方案，并與傳統燃煤鍋爐供暖方案進行了詳細的對比分析，認為水源熱泵供暖方案不僅有助于降低礦山生產運營成本，而且對于改善礦區周邊生態環境，實現礦山節能減排也大有裨益。

[1] 孟令民.地下水源熱泵空調系統在首鋼杏山鐵礦的應用[J].金屬礦山，2003(3):145-147.

[2] 潘 曉.地下水源熱泵系統的應用及技術經濟分析[D].西安：西安建筑科技大學，2013.

[3] 劉振利，程立娜，董 覃.陳臺溝鐵礦的礦井排水利用[J].礦業工程，2015(3)：48-49.

[4] 李 萌.礦井水水源熱泵技術在煤礦中的應用[J].中州煤炭，2012(12)：73-74.

[5] 王生軟.水源熱泵應用現狀及技術分析[J].河南科技，2016(15)：57-58.

[6] 楊 剛.江水源熱泵在長沙地區應用研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[7] 宋國軍.水源熱泵機組水源側串聯運行特性研究[D].天津：天津大學，2005.

[8] 劉 偉.礦井水源熱泵系統的研究與應用[D].青島：山東科技大學，2009.

[9] 李鳳山，高 靜，馬甜甜.水源熱泵技術在濟寧三號煤礦的研究與應用[J].煤炭工程，2012(9)：62-63.

[10] 翟會超，閆滿志.淺談田興鐵礦礦石資源合理開發利用[J].采礦技術，2014(3)：113-115.

[11] 邢翔宇，宋愛東，陳彥亭.司家營鐵礦南區水文地質問題及解決對策[J].現代礦業，2016(3)：182-185.

[12] 李 剛，高 謙，王 君，等.司家營鐵礦南區水文地質條件分析[J].現代礦業，2013(9)：45-47.

[13] 馬 耀，高 謙，李 剛，等.司家營鐵礦南區礦床水文地質條件建模探究[J].中國礦山工程，2014，43(3)：35-37.

[14] 左文喆，王斌海，程紫華，等.基于地下水動態監測的司家營鐵礦南區防治水措施[J].中國礦業，2016，25(4)：91-97.

[15] 李 磊，劉日良，張承瑞.基于工業以太網冗余舞臺控制系統研究[J].計算機測量與控制，2012(9)：2396-2398

[16] 孫 強.淺談水源熱泵技術的國內外發展現狀及趨勢[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2007(3)：433-434.

[17] 陸 肖.基于滿意PID控制的水源熱泵系統節能應用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.