關(guān)于水源熱泵技術(shù)在煤礦應(yīng)用中的可行性分析

劉釗

摘 ? 要：針對(duì)目前先進(jìn)的水源熱泵技術(shù)，在簡單介紹其基本原理和優(yōu)勢特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合某礦井實(shí)際情況，對(duì)水源熱泵技術(shù)和傳統(tǒng)電鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，最后通過計(jì)算與對(duì)比，得出水源熱泵技術(shù)在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)便利性與環(huán)境保護(hù)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)電鍋爐系統(tǒng)，當(dāng)?shù)V井中有豐富礦井水資源存在時(shí)，應(yīng)將水源熱泵技術(shù)作為首選的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：水源熱泵技術(shù) ?煤礦生產(chǎn) ?可行性分析

中圖分類號(hào)：TD82 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0045-02

水源熱泵是一項(xiàng)高效環(huán)保的資源應(yīng)用技術(shù)，它能最大限度發(fā)揮淺層巖體具有的儲(chǔ)冷及儲(chǔ)熱作用，對(duì)地表上的建筑或設(shè)施進(jìn)行制冷與供熱，是現(xiàn)在先進(jìn)的綠色節(jié)能技術(shù)。在煤礦生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生很多礦井水，對(duì)這些礦井水進(jìn)行綜合利用，除了能節(jié)省能源，滿足生產(chǎn)實(shí)際要求，還能減輕對(duì)環(huán)境造成的污染與破壞，符合可持續(xù)發(fā)展實(shí)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(zhuǎn)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(jī)中進(jìn)入到冷凝器以后，對(duì)礦井水實(shí)施放熱，然后通過節(jié)流裝置形成液體，由蒸發(fā)器對(duì)供水予以制冷，當(dāng)制冷劑變?yōu)闅怏w之后，由壓縮機(jī)壓縮，以此不斷循環(huán)，起到持續(xù)制冷作用;其二，制熱模式，在冬季，制冷劑從壓縮機(jī)中進(jìn)入到冷凝器，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行吸熱，然后通過節(jié)流裝置形成液體，由蒸發(fā)器對(duì)供水予以制熱，當(dāng)制冷劑變?yōu)闅怏w之后，由壓縮機(jī)壓縮，以此不斷循環(huán)，起到持續(xù)制熱作用。

水源熱泵技術(shù)主要具有以下幾方面優(yōu)勢：其一，高效節(jié)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(shí)際運(yùn)行效率可以達(dá)到空氣源熱泵120%～160%，而且運(yùn)行費(fèi)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于普通空調(diào);其二，節(jié)水節(jié)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(shí)現(xiàn)制冷或制熱;無需設(shè)置鍋爐等大型設(shè)備，相較于普通空調(diào)設(shè)備，能極大地縮減機(jī)房占地面積;其三，基本不會(huì)造成環(huán)境污染，這項(xiàng)技術(shù)是一種綠色，對(duì)環(huán)境保護(hù)有益的新產(chǎn)品，運(yùn)行時(shí)基本沒有污染產(chǎn)生，能有效降低煤礦生產(chǎn)過程中的減排壓力;其四，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，一年中礦井水溫基本保持穩(wěn)定，該特性除了能為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造有利條件，還能保證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性及可靠性;其五，實(shí)用功能多，僅一套水源熱泵即可實(shí)現(xiàn)至少兩套傳統(tǒng)系統(tǒng)的實(shí)用功能，既能降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，又能降低系統(tǒng)維護(hù)和管理難度;其六，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，現(xiàn)場操作人員及維護(hù)人員均較少，能有效節(jié)省人力;最后，可對(duì)廢棄資源進(jìn)行回收利用，對(duì)于礦井水，過去都是直接排至地面，但在引用水源熱泵后，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理即可作為冷源或熱源，同時(shí)采用機(jī)組即可轉(zhuǎn)換為空調(diào)，減少煤礦資源的開發(fā)和生產(chǎn)成本，并能避免地下水回灌等實(shí)際問題[2]。

2 ?煤礦生產(chǎn)中水源熱泵技術(shù)應(yīng)用可行性

2.1 礦井概況

某礦井年產(chǎn)量約90萬t/a，深度為1000m左右，穩(wěn)定狀態(tài)下的排水量約28224m3/d，實(shí)際排水量最大可以達(dá)到41784m3/d，礦井水的溫度始終為16℃。在礦井的工業(yè)廣場中，其總熱負(fù)荷為4251kW。

2.2 水源應(yīng)用的可行性

設(shè)計(jì)水源熱泵的過程中，應(yīng)對(duì)礦井水源能否達(dá)到系統(tǒng)要求進(jìn)行充分考慮，要求達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：首先，水量應(yīng)充足;其次，水溫保持恒定且適宜;最后，水質(zhì)良好，供應(yīng)能保持穩(wěn)定。如前所述，該煤礦的水源溫度為16℃，水質(zhì)狀況良好，可滿足技術(shù)應(yīng)用要求。另外，可用水量在900m3/h以上，主要是冬季熱負(fù)荷，當(dāng)以5℃溫差實(shí)施熱量提取時(shí)，對(duì)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(yùn)行提供良好條件[3]。

2.3 主機(jī)設(shè)計(jì)

以現(xiàn)場的實(shí)際情況為依據(jù)，制冷或制熱區(qū)域的總負(fù)荷可以達(dá)到2851kW，對(duì)此為滿足要求，需配置兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的制熱量在1950kW左右，出水溫度可達(dá)50℃;在生活熱水方面，總熱負(fù)荷為1400kW，所設(shè)水箱的總?cè)莘e為80t，配置兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)796kW，使熱水的出水溫度不低于50℃。

2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

2.4.1 運(yùn)行電費(fèi)

為驗(yàn)證水源熱泵技術(shù)具有的優(yōu)越性，對(duì)其和傳統(tǒng)的電鍋爐進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)以實(shí)際情況為依據(jù)，提出下列幾條規(guī)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(fù)荷系數(shù)確定為每天0.6，電價(jià)取0.61元/kW·h。

（1）水源熱泵。

在制熱模式下，總功率可以達(dá)到1000kW以上，生活熱水方面的總功率可以達(dá)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(jīng)計(jì)算，水源熱泵的電費(fèi)總計(jì)為265.1萬元/a，而電鍋爐的電費(fèi)總計(jì)為624.4萬元/a，可見，采用水源熱泵技術(shù)后，每年都能減少359.3萬元的電費(fèi)。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)效果

以當(dāng)前的設(shè)備采購價(jià)格與安裝調(diào)整費(fèi)用計(jì)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(fèi)方面，水源熱泵與電鍋爐分別需要10萬元/a、15萬元/a。經(jīng)計(jì)算，水源熱泵的費(fèi)用現(xiàn)值為2742.06萬元/a，電鍋爐的費(fèi)用現(xiàn)值為4803.69萬元/a。由于水源熱泵的費(fèi)用現(xiàn)值遠(yuǎn)小于電鍋爐，所以有著很高經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在條件允許的情況下，應(yīng)將水源熱泵作為首選方案。除此之外，電鍋爐無法實(shí)現(xiàn)制冷，僅具有制熱的功能，當(dāng)夏季時(shí)，還要產(chǎn)生用于制冷的費(fèi)用。

2.5 環(huán)境效益

在礦井中借助水源熱泵系統(tǒng)對(duì)礦井水廢熱實(shí)施集中吸收，用于供暖與產(chǎn)生生活熱水，可以在持續(xù)提供能量的基礎(chǔ)上，減少對(duì)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(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在礦井水當(dāng)中提取的總余熱，經(jīng)換算等于標(biāo)準(zhǔn)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(duì)水源熱泵技術(shù)而言，不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)性，而且還具有顯著環(huán)境效益，在礦井這種復(fù)雜但礦井水十分豐富的情況下極為適用。

3 ?結(jié)語

綜上所述，水源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能、節(jié)水節(jié)地、無污染、運(yùn)行穩(wěn)定、功能豐富、自動(dòng)控制和可對(duì)資源進(jìn)行回收利用的新技術(shù)，它的引入應(yīng)用，和傳統(tǒng)的電鍋爐系統(tǒng)相比，不僅能充分利用礦井水資源來實(shí)現(xiàn)制冷與供暖，而且不會(huì)造成環(huán)境污染，清潔高效，雖然水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用初期需要投入比電鍋爐系統(tǒng)高的成本，但僅需一年左右的時(shí)間即可收回成本。因此，在有充足礦井水資源的礦井中，應(yīng)用水源熱泵技術(shù)是合理可行的，能為礦井生產(chǎn)真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和綠色環(huán)保提供可靠技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 袁方，洪杰南.基于熱泵技術(shù)南方電廠循環(huán)水余熱利用研究[J].發(fā)電設(shè)備，2018，32（6）：450-453.

[3] 杜麗娟.淺談熱泵技術(shù)在熱水供應(yīng)中節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（21）：175-176，188.

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