熱泵技術在礦業生產中的應用

孫瑞科

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467000）

當前時期，社會經濟日新月異飛速發展，能源問題已經躍居為全世界共同關注的一個熱點問題，而我國又是一個能源消耗大國，節能減排和可再生能源利用刻不容緩節約能源技術成為人們重點研究內容。近年來，熱泵技術作為一種新能源技術深受世界各國的重視。熱泵利用水作為介質來提取能量用于制冷或制熱，主要是從地下水中提取不能直接利用的低品位熱能，通過消耗少量的高品位能源，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。因水源熱泵技術具有運行穩定、節水節地、高效節能等優勢，現階段，被廣泛應用于公共在建項目、工業生產等領域；在我國工業產業居多，為了減少污染，節約能源，一些城市逐漸開始應用熱泵系統進行制冷和供暖。

1 熱泵技術工藝原理

冬季主要利用熱泵技術吸收水源、空氣等中的能量，將吸收的熱量輸入建筑設施，一般來說，采用熱泵技術，用戶可以獲得比熱泵消耗高4倍的制冷量和制熱量，如應用熱泵時每消耗1kw能量，就會為礦企提供4kw的熱量或冷量。根據水泵對水源的利用情況，熱泵可分為閉式和開式兩種形式。水源作為熱泵的冷、熱介質，需要滿足下面條件：①需確保水源儲存數量。②確保將水溫控制在7℃～30℃間，作為一類較為理想的水源，礦井水不但有豐富的儲存量，且有較為穩定的水溫，同時水質也較佳。

（1）工藝流程。在此過程中形成的礦井水由水泵系統抽至地熱交換系統，根據熱泵原理由機組運行實現礦井水能量交換，通過管道運輸到礦山建設設施滿足冬、夏兩季所需的熱負荷和冷負荷，熱交換后的廢水可回用于工業用水，下圖1為水源熱泵系統。

（2）技術原理。①制冷。礦井水作為空調機組冷卻水先流入旋流除砂器除砂，再用電子水處理儀除去絮狀物，制冷劑向冷卻水（礦井水）中放出熱量，形成高溫高壓液體，并使冷卻水的水溫升高。②供暖。高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來進入冷凝器，制冷劑向供暖用水中放出熱量而冷卻成高壓液體，并使供熱水水溫升高。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，如此循環在冷凝器中獲得供熱水。為供熱設備提供熱量。

圖1 礦井總回風與礦井排放能量的熱泵系統

2 熱泵技術在礦業生產中應用的優勢

在井下開采過程中，經常會有大量礦井水從井底涌向地面。這部分礦井水溫變化不大，水量全年穩定，含有大量低溫熱能，是一種有效、穩定、有價值的冷熱源。從環境保護的角度去處理礦井水達到排放標準，既會浪費水資源，同時對礦井水中含有的余冷與余熱沒有進行有效的開發、利用，會嚴重的浪費能源。據此可知，在礦井中應用水熱泵技術有很大的優勢，礦井水可通過熱泵系統對能量進行釋放，進而產生冷量與熱量，甚至有可能完全取代當前的小型鍋爐。

熱泵除具備低運行成本，沒有污染優勢外，在礦業生產中應用還有如下優點：

（1）在應用水熱泵技術時，一般要先論證項目所處位置的水文狀況，在充分了解工程地區的水資源資料后，還要有效掌握地下水種類、含水層厚度、水溫、水位變化等，因同安全生產有直接關系，所以，在礦山開始建設時就應該先勘查地下水文地質狀況，因井水排放多伴隨有礦山的生產過程，能夠及時監測和掌握礦井水的溫度、水量等參數，從而使熱泵技術在礦業生產的應用擁有了更方便的條件。

（2）通常而言，抽取地下水后用在熱泵機組后需要應用回灌措施，避免過度抽排導致地面下沉，基于礦山采掘業特性，將水熱泵機組提取熱量后，礦井水可重復作為井下和工業場地的生產與生活用水，同時也可用作附近農田灌溉和村子供水，最終節省了回灌地下水步驟。

（3）熱泵機組在應用地下水之前，為保證其能夠滿足機組要求，應使用過濾與沉淀等措施進行處理。礦井涌水多是深層地下水，除了礦井開采的干擾外，水質良好，原有的水處理設施在地面工業場地也能起到預處理的作用，這在很大程度上為熱泵機組的正常運行提供了有效保障。

（4）礦企在礦井水處理和有相關人員培訓上經驗豐富，在熱泵技術的應用和管理上優勢顯著。

3 熱泵技術特點

（1）是再生能源利用技術。作為供暖空調系統，熱泵利用地表淺層能源為冷熱源進行能量轉換。地表淺層能源也是一種儲量豐富、清潔可再生資源。

（2）環境效益突出。熱泵制冷制熱系數超過空氣熱泵約40%，水源熱泵要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量并降低污染物排放量；與傳統空調裝置相比，該裝置的充注量減少了20%。供熱中，熱泵無污染物產生，占用空間小。

4 熱泵技術的效益分析

（1）經濟效益。將原礦井水處理站消防水池作為熱源池，可節省土建投資約300萬元；應用水源熱泵空調系統比使用礦物燃料燃燒的鍋爐，每年能節約約為85.6萬元的能源費用。熱泵整體配套工程開始時盡管會投入大量的資金，但該礦卻使用了能源管理模式，最終有效的解決了資金問題，因熱泵技術的優點是高利用率、高環保等，為此，想要保證能夠最大程度發揮出應用價值和推廣價值，只需要改進系統的相關技術。

（2）社會效益。①該技術完全符合了國家資源綜合利用扶持政策和循環經濟發展模式，可有效的保護礦產資源。②此技術應用后，改變了礦區將原有的燃燒能源為鍋爐供熱，有效的實現了制熱成本的降低，并且也有效的改善了礦區環境。③充分保證了礦井安全性的提升，同時也有效改善了井下工人工作環境；④在設備運行過程中，不存在燃燒、爆炸等隱患，對安全管理十分有利。⑤找到了礦井水利用的新方法。

5 結語

現階段隨著我國社會經濟日新月異的飛速發展，各行業也得到了顯著的進步，礦山生產行業也不例外也取得了巨大的進步。在礦井中，通過礦井水熱量交換，水熱泵技術可有效保證礦井施工冬、夏季的取暖與制冷，保證正常用水，具有十分顯著的社會與經濟效益，同國家相關能源發展以及環保有關精神相符合，由于熱泵技術有較高的適應性，所以可廣泛的應用在礦山生產中，助力礦企早日實現健康可持續發展。