某礦區生活洗浴熱水熱源選擇

崔 高 峰

(中鐵十七局集團勘察設計院，山西 太原　030032)

1　問題的引出

工程現有狀況生活洗浴熱水的熱源由礦區燃煤鍋爐房供給，在鍋爐的運行過程中，由于除塵、脫硫等設備的欠缺及設備的效率等問題造成了大氣污染，部分研究認為是霧霾產生的主要原因[1-3]。在環境持續惡化的前提下，相關部門相繼出臺了《關于京津冀及周邊地區大氣污染防治工作方案》等一系列的政策方案，要求取締不達標的小型燃煤鍋爐，采用清潔能源(如燃氣、電力、太陽能等)取代，該工程位于取締范圍之內，需重新考慮生活洗浴熱水的熱源。

2　工程生活洗浴熱水熱源分析

項目為某礦區職工浴室熱水供應，該礦區職工實行三班制工作制度，浴室的熱負荷特點隨井下職工下班每天出現三次高峰期，開始時間分別為8：00，16：00，24：00，此時間節點之前必須儲存足夠量的熱水供井下職工洗浴使用。工程現狀周圍無可供利用的廢熱和工業余熱，因此需要重新考慮生活洗浴熱水的熱源。本文從以下幾種熱源進行分析。

2.1　采用太陽能作為熱源

太陽能是利用集熱器將太陽的輻射熱量收集并儲存于水中供人們使用。太陽能是一種可再生能源且無污染等眾多優點受到人們的大量使用，但同時也存在著一些缺點，如：1)對于夜間出現峰值負荷的系統需要白天儲存足夠的熱量；2)陰雨天時不能保證收集足夠的熱量供洗浴使用；3)為保證集熱器的收集效率，需要保證集熱器表面不能被異物覆蓋，而該工程位于礦區，粉塵作業較多等原因，運行過程中為保證其清潔，需要人工沖洗集熱器表面，造成水資源浪費以及人工成本的增加；4)部分地區的年日照數、極端最低氣溫低、太陽輻射量小，不滿足太陽能作為熱水的熱源。根據以上分析及該工程的實際情況，16：00以后太陽輻射強度下降，8：00及24：00的洗浴熱水的熱量需要儲存于熱水水箱中，這樣會造成儲熱水箱容積偏大，占地面積大，造價偏高等問題[4]，同時，該項目的熱源具有不間斷性，采用太陽能時還需要配備必要的備用熱源供不時之需，因此不建議使用太陽能作為該項目洗浴熱水的熱源。

2.2　采用燃氣鍋爐作為熱源

燃氣鍋爐是將燃氣的化學能通過在爐內燃燒的方式轉化為熱能，鍋內的水吸收其熱量成為熱水供用戶使用。燃氣鍋爐具有清潔環保、運行效率高、占地面積小等優點[5]，但也存在運行費用高、高峰期氣源不穩定、需市政配套(市政燃氣管道)等缺點；大多數礦區位于偏遠地區，距離城市氣源較遠，需要建設長距離輸送管道或者新建儲氣站等不利因素，故在此類工程中不推薦采用燃氣鍋爐作為洗浴熱水的熱源。對于高瓦斯礦井，由于可對礦井的瓦斯(其主要成分為甲烷)進行回收利用，減少了很多不利因素，可以考慮采用燃氣(瓦斯)鍋爐作為熱源使用。

2.3　采用電熱鍋爐作為熱源

電鍋爐是將電能轉化為熱能儲存于水中。電能為清潔能源，不會對大氣環境等造成污染，作為洗浴熱源其優點有熱效率高、安裝方便、占地面積小、運行控制方便[6]，缺點是運行成本非常高，適合有峰谷電價地區；對于改造工程，其電力容量的預留量也是需要考慮的因素；根據以上分析，該項目不適合采用電熱鍋爐作為熱源。

2.4　采用空氣源熱泵機組作為熱源

空氣源熱泵機組的工作原理是制冷劑從低溫空氣中吸收熱量，通過電力等對壓縮機做功，將空氣中這部分熱量由低溫傳向高溫，高溫的制冷劑加熱水之后成為低溫高壓的液體，通過節流閥等設備后成為低溫低壓的氣液混合流(其溫度低于室外空氣的溫度)，再從空氣中吸收熱量，完成一個熱泵循環[7]。根據空氣源熱泵的工作原理可知其優點為環保(采用環保型的制冷劑)、節能、運行費用低等，近年來這些優點普遍受到人們的關注，越來越多的人們選擇使用它作為小型洗浴熱水的熱源或用它作為太陽能等生活熱水系統的輔助熱源。同時，從其工作原理中也可看出它的缺點：1)室外環境溫度對其能效(性能系數COP)影響較大；環境溫度越低，其能效系數越低；對于常用的制冷劑，其蒸發溫度一定，正常工作環境溫度在-10 ℃～40 ℃之間，低于-10 ℃時，可采用低溫空氣源熱泵機組。當室外溫度進一步更低時，有可能造成機組無法啟動；2)在北方地區，機組冬季運行過程中會出現結霜，這就需要機組具有可靠的融霜技術，融霜過程中熱泵機組逆向運行，產生的熱量用于融霜，這部分熱量不可以利用，相比華東、華南等長江以南地區減少了機組輸出的熱量；3)機組的壓縮機易燒壞。空氣源熱泵機組大多采用循環式加熱系統，該系統在高溫高壓工況下運行，容易使壓縮機老化、碳化，同時系統的潤滑效果不好，導致壓縮機易被燒壞。該工程位于北方寒冷地區，其冬季室外計算干球溫度為-13 ℃，為生活熱水提供熱源時，經過經濟技術比較該工程的熱源不適用空氣源熱泵機組。

2.5　采用污水源熱泵機組作為熱源

污水源熱泵機組的工作原理是以經過簡單處理后的洗浴廢水作為熱源，通過電驅動壓縮機把廢水中的低溫熱能轉變為高品位的熱能來加熱自來水，制備洗浴所需的熱水[8,9]。其工作原理與空氣源熱泵相似，其低溫端熱源不同；與空氣源熱泵機組相比，污水源熱泵機組的低溫端熱源為洗浴廢水，排水溫度約為32 ℃～35 ℃，基本不受氣候的影響，排水溫度穩定。與其他系統相比，該系統有以下優點：1)系統的能效比高[10,11]。在整個過程中機組的性能系數COP可達到4～6，即輸入1 kW的電能，可得到4 kW～6 kW的熱能；與空氣源熱泵機組相比，污水源熱泵機組解決了冬季室外溫度低時，停機以及融霜頻繁的技術難題。由于洗浴廢水排水溫度恒定，使得污水源熱泵機組工作性能穩定，其性能系數約高出冬季北方地區空氣源熱泵機組40%；與電鍋爐相比，可節省60%的電能，與燃氣鍋爐相比，其運行成本可降低30%；2)具有較高的環保效益[8,9]。通過污水源熱泵機組回收洗浴廢水中儲存的低溫熱能，為全年洗浴熱水提供熱源，實現了廢熱的回收利用，屬于可再生能源范圍；3)利用洗浴廢水的污水源熱泵系統初投資適中。與地下水源熱泵相比，污水源熱泵系統利用的是洗浴廢水，不必抽取地下水，同時也不用回灌，節省了打井的基礎建設費用，同時節省了運行費用[9]。與電熱鍋爐、燃氣鍋爐及太陽能等系統相比，污水源熱泵系統設備集成度及自動化程度高，占地面積小，從而可以節省土建費用。同時，該系統也存在一定的缺陷:1)系統首次運行時無洗浴廢水可利用，建議首次運行時選擇在夏季運行或申請利用城市污水等；2)系統需要不間斷運行，即污水排出后，不能降溫幅度過大，或者制出的熱水應盡快利用，限制了污水源熱泵系統的應用。若有城市污水管網可利用則不受限制，但其初投資較高。對于本項目，洗浴人數較多，水質、水溫、水量變化較為規律，系統常年運行，經過技術及經濟分析，此類工程推薦采用污水源熱泵機組為生活洗浴提供熱源。

3　結語

隨著環保政策的實施，國家及地方政策要求取締小型燃煤鍋爐，本文針對礦浴室熱源提出五種選擇，逐一分析其優缺點，結合工程實際情況，認為此類項目采用污水源熱泵機組作為熱源比較合理。

參考文獻：

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