關于水源熱泵技術在煤礦應用中的可行性分析

劉釗

摘 ? 要：針對目前先進的水源熱泵技術，在簡單介紹其基本原理和優勢特點的基礎上，結合某礦井實際情況，對水源熱泵技術和傳統電鍋爐系統的技術經濟性進行對比，最后通過計算與對比，得出水源熱泵技術在運行經濟性、維護便利性與環境保護方面均優于傳統電鍋爐系統，當礦井中有豐富礦井水資源存在時，應將水源熱泵技術作為首選的結論。

關鍵詞：水源熱泵技術 ?煤礦生產 ?可行性分析

中圖分類號：TD82 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0045-02

水源熱泵是一項高效環保的資源應用技術，它能最大限度發揮淺層巖體具有的儲冷及儲熱作用，對地表上的建筑或設施進行制冷與供熱，是現在先進的綠色節能技術。在煤礦生產中，會產生很多礦井水，對這些礦井水進行綜合利用，除了能節省能源，滿足生產實際要求，還能減輕對環境造成的污染與破壞，符合可持續發展實際要求。

1 ?水源熱泵基本原理

水源熱泵即以熱泵為原理，將高位電能輸入后，將高位熱能轉移至地表水。在夏季，地面溫度高，但水溫低，使用低溫水，能降低地面建筑溫度;而在冬季，可以從水中提取一定熱量，為建筑供暖[1]。

水源熱泵主要有制冷和制熱兩種模式：其一，制冷模式，在夏季，制冷劑從壓縮機中進入到冷凝器以后，對礦井水實施放熱，然后通過節流裝置形成液體，由蒸發器對供水予以制冷，當制冷劑變為氣體之后，由壓縮機壓縮，以此不斷循環，起到持續制冷作用;其二，制熱模式，在冬季，制冷劑從壓縮機中進入到冷凝器，對循環水進行吸熱，然后通過節流裝置形成液體，由蒸發器對供水予以制熱，當制冷劑變為氣體之后，由壓縮機壓縮，以此不斷循環，起到持續制熱作用。

水源熱泵技術主要具有以下幾方面優勢：其一，高效節能，水源熱泵有著極高的能效比，僅需少量電能即可獲取大量能量。它的實際運行效率可以達到空氣源熱泵120%～160%，而且運行費用還遠遠少于普通空調;其二，節水節地，基本無需消耗水資源，將礦井中的水視作冷熱源，通過熱量的吸收或放出來實現制冷或制熱;無需設置鍋爐等大型設備，相較于普通空調設備，能極大地縮減機房占地面積;其三，基本不會造成環境污染，這項技術是一種綠色，對環境保護有益的新產品，運行時基本沒有污染產生，能有效降低煤礦生產過程中的減排壓力;其四，系統運行安全穩定，一年中礦井水溫基本保持穩定，該特性除了能為系統的安全穩定運行創造有利條件，還能保證系統運行的有效性及可靠性;其五，實用功能多，僅一套水源熱泵即可實現至少兩套傳統系統的實用功能，既能降低系統運行成本，又能降低系統維護和管理難度;其六，由計算機系統控制，現場操作人員及維護人員均較少，能有效節省人力;最后，可對廢棄資源進行回收利用，對于礦井水，過去都是直接排至地面，但在引用水源熱泵后，對其進行適當處理即可作為冷源或熱源，同時采用機組即可轉換為空調，減少煤礦資源的開發和生產成本，并能避免地下水回灌等實際問題[2]。

2 ?煤礦生產中水源熱泵技術應用可行性

2.1 礦井概況

某礦井年產量約90萬t/a，深度為1000m左右，穩定狀態下的排水量約28224m3/d，實際排水量最大可以達到41784m3/d，礦井水的溫度始終為16℃。在礦井的工業廣場中，其總熱負荷為4251kW。

2.2 水源應用的可行性

設計水源熱泵的過程中，應對礦井水源能否達到系統要求進行充分考慮，要求達到以下標準：首先，水量應充足;其次，水溫保持恒定且適宜;最后，水質良好，供應能保持穩定。如前所述，該煤礦的水源溫度為16℃，水質狀況良好，可滿足技術應用要求。另外，可用水量在900m3/h以上，主要是冬季熱負荷，當以5℃溫差實施熱量提取時，對礦井水最高需求量在585m3/h左右。可見，該礦井的水量較為充足，能為水源熱泵的運行提供良好條件[3]。

2.3 主機設計

以現場的實際情況為依據，制冷或制熱區域的總負荷可以達到2851kW，對此為滿足要求，需配置兩臺機組，每臺機組的制熱量在1950kW左右，出水溫度可達50℃;在生活熱水方面，總熱負荷為1400kW，所設水箱的總容積為80t，配置兩臺機組，每臺796kW，使熱水的出水溫度不低于50℃。

2.4 技術經濟性

2.4.1 運行電費

為驗證水源熱泵技術具有的優越性，對其和傳統的電鍋爐進行對比，同時以實際情況為依據，提出下列幾條規定：采暖期為本年的11月中旬至次年的3月中旬;制冷期為本年的8月至10月;全年每天均提供熱水，將供暖負荷系數確定為每天0.6，電價取0.61元/kW·h。

（1）水源熱泵。

在制熱模式下，總功率可以達到1000kW以上，生活熱水方面的總功率可以達到431.6kW[4]。

（2）電鍋爐。

在制熱模式下，總功率為2850kW，而生活熱水方面的總功率為1400kW。

經計算，水源熱泵的電費總計為265.1萬元/a，而電鍋爐的電費總計為624.4萬元/a，可見，采用水源熱泵技術后，每年都能減少359.3萬元的電費。

2.4.2 經濟效果

以當前的設備采購價格與安裝調整費用計算，水源熱泵總投資為896萬元左右，但電鍋爐僅需513萬元左右。在人工費方面，水源熱泵與電鍋爐分別需要10萬元/a、15萬元/a。經計算，水源熱泵的費用現值為2742.06萬元/a，電鍋爐的費用現值為4803.69萬元/a。由于水源熱泵的費用現值遠小于電鍋爐，所以有著很高經濟優勢，在條件允許的情況下，應將水源熱泵作為首選方案。除此之外，電鍋爐無法實現制冷，僅具有制熱的功能，當夏季時，還要產生用于制冷的費用。

2.5 環境效益

在礦井中借助水源熱泵系統對礦井水廢熱實施集中吸收，用于供暖與產生生活熱水，可以在持續提供能量的基礎上，減少對其它能源的使用和消耗，而且基本沒有二氧化碳、二氧化硫、煙塵及灰渣等產生。據統計，每年在礦井水當中提取的總余熱，經換算等于標準煤3124t，能減少二氧化碳排放近81224t，二氧化硫排放近60t和粉塵排放近34t。由此可見，對水源熱泵技術而言，不僅具有良好的經濟性，而且還具有顯著環境效益，在礦井這種復雜但礦井水十分豐富的情況下極為適用。

3 ?結語

綜上所述，水源熱泵是一項高效節能、節水節地、無污染、運行穩定、功能豐富、自動控制和可對資源進行回收利用的新技術，它的引入應用，和傳統的電鍋爐系統相比，不僅能充分利用礦井水資源來實現制冷與供暖，而且不會造成環境污染，清潔高效，雖然水源熱泵系統應用初期需要投入比電鍋爐系統高的成本，但僅需一年左右的時間即可收回成本。因此，在有充足礦井水資源的礦井中，應用水源熱泵技術是合理可行的，能為礦井生產真正實現節能減排和綠色環保提供可靠技術支撐。

參考文獻

[1] 胥曉瑜.關于在水廠和污水廠中使用水源熱泵技術的新思路[J].凈水技術，2018，37（S2）：121-124.

[2] 袁方，洪杰南.基于熱泵技術南方電廠循環水余熱利用研究[J].發電設備，2018，32（6）：450-453.

[3] 杜麗娟.淺談熱泵技術在熱水供應中節能環保的應用[J].內燃機與配件，2018（21）：175-176，188.

[4] 王家政，白莉，武思彤.長春市熱泵技術的對比研究與適應性分析[J].北方建筑，2018，3（5）：44-46，64.