空氣能配合太陽能熱水系統在煤礦的應用分析

陳文波

（山西高平科興平泉煤業有限公司，山西 晉城 048400）

平泉煤業有限公司針對公司現有燃煤、燃氣鍋爐運行成本進行核算對比后，發現使用成本費用較大，能源消耗嚴重，且人員操作使用上存在很大安全隱患，如何能利用現有資源，在保證安全的原則上，來降低成本，成為了高平科興平泉煤業一直研究的重點問題。經過長期研究，人們開發出了空氣能配合太陽能熱水系統裝置來代替鍋爐，把空氣能應用到生產生活中，實現了綠色安全、低碳、環保。根據企業24h三班倒工作制特點，在規定時間內制取一班員工足量的洗浴熱水，確保工人下班后洗個熱水澡，輕松舒適休息。

1 高平科興平泉煤業采暖洗浴系統現狀及問題

高平科興平泉煤業2017年清潔能源改造中，煤改氣就占據了較大比例。突進的“煤改氣”工程導致了天然氣荒、氣源緊張、基礎設施不完善等一系列問題，這使得高平科興平泉煤業采暖洗浴得不到及時保障，天然氣的超常增長打破了供需平衡，使天然氣價格上漲，后期燃氣費用較高，負擔大。政策的限制、未統籌的天然氣總量、未規劃各地天然氣分配導致了在落實“宜電則電、宜氣則氣”政策時，不夠科學，不夠精準。主要問題如下：

（1）天然氣屬于化石能源，非可持續再生能源，天然氣的燃燒會產生氮氧化合物的排放，大量使用會導致霧霾治理達不到預期的效果。

（2）天然氣資源相對短缺，不能及時保證供暖需求。

（3）天然氣在使用過程中，人員操作存在安全隱患，容易造成燃氣泄漏、爆炸等。

2 具體設計思路

高平科興平泉煤業春、夏、秋利用太陽能來制造熱水滿足職工洗浴，冬季可利用空氣能制造熱水來滿足職工洗浴。在實際設計作業中，主要本著下列思路進行：

（1）應本著在盡量少占用永久性建筑空間的基礎上，實現高效節能、安全環保，進行自動化、智能化控制，實現無人值守。

（2）充分發揮空氣能配合太陽能熱泵系統優勢，最大程度降低運行費用，保證終端使用到恒溫舒適的清潔熱水。

（3）可在建筑物頂層或相關室外平臺來安放熱泵熱水機組，省去設備專用鍋爐房，這樣可使設備結構完全達到水電分離，更好地保障安全生產。

3 空氣能熱水泵工作原理

對于空氣能熱水泵而言，其主要以空氣加電這種清潔可再生原料為能源基礎，這樣不僅不會產生危害人體健康的氣體，而且有助于緩解溫室效應及大氣污染。

熱泵技術是基于逆卡諾循環原理，熱泵所起的作用主要為從其四周環境中吸取空氣能、地熱以及太陽能等熱量，并把吸取的這些熱量順利傳至待加熱對象。圖1為熱泵實際工作原理示意圖。

圖1 熱泵工作原理示意圖

熱泵工作過程中，會借助蒸發器來吸收環境介質中貯存的各種能量QA；同時熱泵自身工作也會消耗部分能量，在這些消耗的能量中有一些能量轉化為熱能QB；當熱泵進行循環作業時，釋放在冷凝器中的能量QC為QA與QB之和，對此，可知熱泵輸出的能量不僅包括機組做功產生的熱能QB，而且還包括熱泵在環境中實際吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術可起到大幅節約電能的效果。圖2為熱泵的實際節能原理圖。

圖2 熱泵實際節能原理圖

如TFS-SKR840（S）機組，在熱泵系統實際輸入功率為8.25kW，熱泵四周環境溫度20℃左右的情況下，實際輸出的制熱功率可達到36kW左右，表明熱泵在工作過程中有很多熱能都是從四周環境中吸收的，這部分熱能都為免費熱能。在此過程中，系統僅僅只消耗了8.25kW的電能，卻等同于采用傳統加熱方式36kW/0.95=38kW的輸入功率熱水器實際完成的工作，這樣以來，系統的能效系數則為COP=36/8.25=436%，能效效果較好。

4 設備選型計算

根據平泉煤業實際洗浴情況：設計淋浴用熱水40m3/d，設計蓄熱水箱容量30t+10t，利用太陽能制取淋浴用熱水20m3，淋浴每天熱水總量40t，按照春夏秋設計，生活熱水設計溫度50℃，自來水溫度：冬季8℃，春秋10℃，夏季15℃，熱泵工作時間12～20h，冬季室外計算溫度-15℃。

4.1 熱水熱負荷

若自來水溫度按照10℃計算，熱水按照50℃，則可用下式來計算每天的實際熱水熱負荷情況：

式中：

Q-實際熱負荷量，kW·h；

V-熱水量，L；

c-水的比熱，可取為1kcal/(L·℃)；

tr-熱水溫度，℃；

tl-冷水溫度，也就是普通的自來水溫度，℃。

4.2 機組選型，臺數的計算

選用空氣源熱泵熱水機組DKS-1800-(S)D，該機組在名義工況下，可制得78kW的熱量。若讓該機組在名義工況下連續工作10h（機組每天實際工作時間應小于等于20h），則應需要的機組數量為：

式中：

N-機組數量，單位為臺；

Q-熱負荷量，kW·h；

T-名義工況下機組的實際運行時間，h；

W-名義工況下，機組正常運行時的實際制熱量，kW。

4.3 工作時間的校訂

式中：

Ts-名義工況下機組實際運行時間，h；

Q-熱負荷量，kW·h；

N-機組數量，臺；

W-名義工況下機組實際制熱量，kW。

用3臺DKS-1800-(S)D空氣源熱泵熱水機組，完全可滿足使用熱水的要求。

5 加熱系統配置說明

圖3 加熱系統水路示意圖

該系統采用機組直接對蓄熱水箱循環加熱的方式進行加熱，達到設定溫度后機組停止運行。系統采用了先進的高低水位繼電器配合溫控系統來進行定溫定量補水（見圖3）。在水箱底部溫度比50℃高時（此溫度可調節），也就是在水箱液位系統存在較大的存水空間的情況下,自動啟動補水泵，開始進行補水作業；當水箱底部溫度比45℃低時，補水泵停止工作，不再進行補水作業，以確保供水系統水溫始終恒定，保證24h全天候、多點、同時即開即用。

6 結語

改造后的熱水系統，不僅能節約大量電能，而且能實時提供更充足的熱水，在為企業降低生產成本的同時，能更好地保障職工的安全舒適洗浴，此項設計值得推廣與應用。