污水源熱泵在礦井供暖系統中的應用

孫彬強，梁則虎，艾敬國，劉會彬

（彬縣煤炭有限責任公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

彬長礦區是陜西省第二大煤田，該礦井位于彬長礦區北部。礦井正常涌水量為600 m3/h。雖然煤炭目前仍然占據我國能源消費的主導地位，但煤炭燃燒后產生的氮氧化物、粉塵、二氧化碳等會嚴重污染環境［1-3］。按照國家環保政策要求，為確保礦井達到節能減排的環保要求，同時解決礦井原有采暖需求，該礦井充分利用充足的礦井水資源，引進水源熱泵，對原有燃煤蒸汽鍋爐供暖系統進行改造。

1 改造背景及方案依據

1.1 改造背景

根據國家環保政策要求，為確保礦井達到節能減排的環保要求，徹底淘汰燃煤鍋爐，同時解決礦井原有采暖需求，引進水源熱泵。根據現有圖紙結合現場實際情況，實現原有的區域供熱、制冷、洗浴熱水供應功能。本項目方案是依據現場調研數據、對項目用能情況分析和項目所在地資源情況進行設計的，本方案設計過程中針對項目用戶用能特點、系統的用能規律和后期運行過程的維護和調節進行的。結合礦井實際供暖要求，設置4臺熱泵機組，其中3臺高壓離心式熱泵機組為生活區和工業廠房建筑采暖提供熱源和冷源及井筒保溫提供熱源，1臺雙機頭螺桿式熱泵機組用于全年洗浴熱水制備。

1.2 方案依據和預期目標

依據礦井相關基礎資料和國家頒發的有關規范、標準，具體如下：《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2016）；《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019—2015）；《煤炭工業礦井設計規范》（GB 50215—2015）；《建筑給水排水設計規范》（GB 50015—2009）；《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366—2005）［4-8］。

項目需要達到的目標是使用水源熱泵供暖，徹底淘汰燃煤鍋爐。此外，要求辦公建筑、宿舍、食堂采暖室內溫度達到18℃以上；洗浴熱水溫度達到50℃以上；主副井井筒防凍溫度6℃以上。

2 負荷計算

2.1 冬季采暖負荷

該礦區冬季采暖負荷主要由生活區建筑采暖、工業車間（包含洗煤廠）采暖、井口保溫熱負荷3部分構成，根據調研情況并結合項目所在地氣候條件，估算各部分熱負荷情況如下。

生活區建筑采暖負荷匯總：生活區建筑冬季采暖室內溫度要求18℃以上，生活區建筑包括辦公樓10 752 m2，宿舍樓52 292 m2，職工食堂15 000 m2，聯合建筑15 788 m2，建筑面積合計為93 832 m2，熱負荷指標50 W/m2，合計采暖負荷為4 691.6 kW。

工業車間采暖負荷匯總：工業車間冬季主要以防凍為主，室內溫度要求為10℃以上［9-13］，包括洗煤廠、壓縮空氣站、修理車間、庫房、配電間等，合計建筑面積為28 000 m2，熱負荷指標為40 W/m2，合計采暖負荷為1 120 kW。

井口保溫熱負荷：根據現場調研數據，主、副井進風量為10 000 m3/min，根據《煤炭工業礦井設計規范》（GB 50215—2015）的要求，礦井工業場地各進風井均應設置井筒防凍裝置，冷、熱空氣在井筒內混合，混合溫度取6℃，井筒防凍室外計算溫度取當地歷年極端最低溫度值為-15℃，井筒防凍熱負荷計算如下

式中：a—熱量損失系數，井口房不封閉取1.1；M—井筒進風量，kg/s，本項目為215.5 kg/s；CP—空氣比熱，1.01 kJ/（kg·℃）；t1—冷熱風混合溫度，6℃；t2—室外冷風溫度，取當地歷年極端最低溫度值為-15℃。井筒防凍熱負荷為5 028 kW。主井和副井合計防凍熱負荷為5 028 kW。

綜上，該礦冬季采暖熱負荷為10 839.6 kW，其中生活區建筑采暖負荷為4 691.6 kW，占總負荷43%；工業車間采暖負荷1 120 kW，占總負荷10%；井筒防凍熱負荷5 028 kW，占總負荷47%。

2.2 洗浴熱水及夏季空調負荷

現階段洗浴熱水為300人/班，每天3班倒，每天人數在1 000人左右，按人均用水定額為300 L進行計算，每班次用水量為90 m3，用水較為集中。熱水加熱時間按6 h計算，設置儲熱水箱為100 m3，可利用現有浮動盤管換熱器進行存儲，自來水原水溫度為10℃，熱水供熱溫度為50℃，洗浴熱水加熱負荷計算如下

式中：G—為每班次洗浴用水量，100 m3（考慮10 m3余量）；tg—熱水供水溫度，50℃；tz—自來水原水溫度，10℃；τ—每班次熱水加熱時間，6 h。則洗浴熱水加熱負荷為775 kW。

夏季需空調建筑面積78 000 m2。其中宿舍樓和辦公樓空調負荷指標為70 W/m2，職工食堂空調負荷指標為120 W/m2，合計總冷負荷為6 213 kW。

2.3 現場可利用資源情況

經現場調研，礦區平均每小時的排水量為600 m3，夏季排水溫度為26～28℃，冬季排水最低溫度為20℃，冬季利用水源熱泵機組可供給熱量由下式計算

式中：G—礦井排水量，600 m3/h；tg—礦井冬季排水最低溫度，20℃；tz—熱泵提取熱量后礦井水排水溫度，2℃；COP—熱泵機組制熱性能系數，4.0。經計算得到，冬季利用熱泵機組回收礦井排水中的熱量后可供給用戶的熱量為16 747.2 kW。

夏季可利用的冷量可由下式計算

式中：G—礦井排水量，600 m3/h；tg—熱泵提取冷量后礦井水排水溫度，37℃；tz—礦井夏季排水溫度，26℃；EER—熱泵機組制冷性能系數，5.0以上。經計算得到，夏季利用熱泵機組回收礦井排水中的冷量后可供給用戶的冷量為6 396.5 kW。

3 系統方案設計及應用效果

3.1 整體方案設計

根據對現場提取的礦井水的化驗結果，該礦井水內懸浮物、堿度、硬度超標，不能直接進入機組內，否則機組換熱效率降低，運行費用增加30%以上，嚴重時可導致機組凍裂停機無法提供熱水。為確保機組正常運行，在整個系統中增加中介水循環系統。冬季采暖系統流程如圖1，夏季制冷系統流程如圖2所示，洗浴熱水制備系統流程如圖3所示。

圖1 冬季采暖系統流程圖

圖2 夏季制冷系統流程圖

圖3 熱水制備系統流程圖

3.2 主要設備選型及系統配電量

根據現有熱負荷10 839.6 kW、冷負荷6 213 kW、熱水負荷775 kW選擇熱泵機組共計4臺，其中3臺離心式熱泵機組單臺制熱量為4 000 kW，單獨設置1臺制熱量為800 kW的熱泵機組全年制備生活熱水。設備選型表見表1。

表1 主要設備選型表

末端循環泵和定壓補水系統使用原有的設備，經過校核均能滿足使用要求。該系統低壓配電量見表2。

表2 熱泵系統低壓配電量

3.3 應用效果分析

改造后，整個能源站機房內設有可編程控制器（PLC）、組態軟件開發的能源站監測與控制系統，可對能源站所有動力設備（熱泵、水泵）和實時運行數據進行監測、控制，實現無人值守，降低系統的運行成本和管理成本。增加中介循環系統，避免不達標的礦井水進入熱泵機組內部，減少了水質處理流程，延長了設備使用壽命。系統自安裝調試運行至今已有6個月時間，運行平穩可靠，滿足礦井生產、生活要求。年燃煤消耗量減少7 180 t，減少二氧化硫排放13.77 t，減少氮氧化物排放34.46 t，減少煙（粉）塵排放量3.45 t。

4 結語

隨著節能環保工作的深入開展，傳統燃煤鍋爐終將會被清潔能源設備所替代。該項目的實施為天然氣供應短缺、集中供暖難以實現的廠礦節能改造提供了新思路，也使得礦井“水害”得到有效利用。