空氣能熱水器在煤礦的應用淺析

朱桂芝，趙 亮，趙杭一涵

(1.山西煤炭運銷集團 長治有限公司，山西 長治 046000；2.北京師范大學 珠海分校，廣東 珠海 519000)

供暖是北方冬季非常重要的一項工作，而對于煤礦這個特殊的行業則更是必不可少的，煤礦需要供熱的地方非常多，冬天到來時，必須為井上各分散的生產作業地點和辦公場所供暖；為了防止井口結冰，保障井下溫度，主、副井口也必須供熱；職工升井后要洗澡，所有澡堂必須時刻有熱水；礦工的衣服需要定期進行清洗，洗衣房的熱水也必不可少。因此，對于煤礦企業來說，只要有生產，就不能間斷供暖，而且還要保證全天候的供熱。

傳統的供暖主要是依靠鍋爐，而且基本上都是燃煤鍋爐。近年來，由于國家對環保和節能的標準和要求不斷提高，燃煤鍋爐逐步被取締，出現了各種形式的供暖設備，如燃氣鍋爐、電加熱鍋爐、太陽能熱水器和空氣能熱水器等，而使用最多最廣泛的是空氣能熱水器，它在各種供暖設施中占的比例越來越高，由于它具有很多優點，在煤礦的使用也非常多。通過幾年的推廣應用，取得了良好的效果，得到了人們的充分肯定。本文著重就空氣能熱水器和其他供暖設施進行分析比較。

1 空氣能熱水器的發展歷程和基本原理

1.1 空氣能熱水器的發展歷程

空氣能熱水器最初產生于英國、美國、瑞士等西方發達國家，在這些國家空氣能熱水器市場相當成熟，占熱水器市場的比例高達七成，其推廣使用率也很高，歐洲的使用率高達約70%,日本的使用率則更高，將近80%。我國從20世紀50年代開始研究，60年代進行應用。最早的而且較為成熟的空氣能熱水器是山東康特姆公司從澳大利亞引進的，接著廣東等多地開始進行大規模生產。2015年我國將空氣能熱泵列入了“國家重點節能低碳技術推廣目錄”，通過多年不斷推廣和發展，普及率在逐年提高，而且加工和生產工藝也越來越成熟，形成了完整的空氣能熱水器產業鏈，尤其是在廣東和江浙一帶，廣東省產量占全國生產量的70%以上，同時，我國也逐步成為世界上空氣能熱水器最大的生產國和出口國。

1.2 空氣能熱水器的基本原理

空氣能熱水器是通過電能或燃油機等，給空氣一定的動能，將其壓縮轉變為液體，從而釋放出熱量，也就是由電能或者化學能轉化為動能，然后再通過動能將其轉化為熱能。其工作過程正好與液體變成氣體需要吸收熱量相反，是按照“逆卡諾”原理工作的，通俗講就是依靠吸收空氣中的熱量來加熱水的。

2 空氣能熱水器的組成

空氣能熱水器的主要組成部分有：壓縮機、風機、水泵、冷凝器和熱交換裝置、儲液器、干燥過濾器、氣液分離器、油分離器、四通閥、毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥及其他閥類、高壓開關、低壓開關、水位開關、水流開關、電加熱器、熱敏電阻、增焓加熱電磁閥、多路控制電磁閥、控制主板、顯示面板等。

其中制冷四大件是指蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流裝置四個部件；穩定三大件是指儲液罐(壓縮機)、膨脹閥(毛細管)、干燥過濾器(過濾水分和雜質)；除霜一大件是指四通閥。

3 傳統取暖設施的優缺點分析

3.1 燃煤鍋爐的優缺點

1) 優點。燃煤鍋爐最大優點是可以燃用發熱量低、灰分大的劣質煤，可以為國家節約大量的優質燃料，對于煤炭生產企業來說，燃煤更不是問題；其次，燃煤鍋爐技術含量相對較低，便于維護，對維修人員的技術水平相對較低一些；再則，由于該種取暖設備推廣應用時間已經很長,制度和標準完善,管理起來相對較容易。

2) 缺點。燃煤鍋爐在使用過程中要消耗大量的煤炭，同時也會產生大量的廢渣和有毒有害的廢氣，會對空氣造成很大的污染，其中CO還會引起人員中毒，為了解決這些問題，需要增加煙氣監測、氮氧化物排放監測裝置等，并要考慮廢渣存放處理等，需要大量的資金和人員，基于上述原因，國家明確將其強行淘汰。另外，大型燃煤鍋爐多為壓力鍋爐，還存在缺水燒干等引發的爆炸事故的風險，給人民的生命財產帶來很大的威脅，需要人員時刻盯守，以防意外發生；燃煤鍋爐使用過程中還存在工作量較大的問題，比如原煤運進和廢渣拉出，需要付出很大的體力勞動；維護量也相對較大，每年甚至每日都必須進行專門的維護和修理；同時,作為一種特種設備每年還必須對鍋爐本體進行內外檢、對安全閥、壓力表等關鍵部件進行定期檢測；對于司爐工還有著更加嚴格的特殊要求，必須進行特殊工種的培訓，否則不得上崗；燃煤鍋爐的噸位相對都比較大，占用場地較大，基本上都是向所有場所集中供暖，開爐和停爐影響面較大，很難進行選擇性地供熱，供暖管路都比較長，難以對一些偏遠地點供熱，而且熱能損耗較大，效率較低。

3.2 燃氣鍋爐的優缺點

1) 優點。燃氣鍋爐使用時清潔環保，無爐渣，少煙霧，對環境污染相對較小，可有效改善使用單位現場環境，而且人工及水電消耗量很低；氣源可以利用液態儲氣罐和管道輸送等方式；使用的是清潔能源，燃燒時不會在爐膛內產生煙灰和積塵，因此，其運行壽命比燃煤鍋爐要長；具有結構緊湊、體積相對較小，使用安全可靠、操作簡便、安裝迅速、效率高等特點；尾部煙氣回收再燃燒和冷凝技術的推廣，使其熱效率大幅度提升，當排煙溫度降低到80 ℃以下時，其效率可達95%以上；配置技術性能良好的工業燃燒器，采用了燃燒自動比例調節，給水自動調節，程序啟停，全自動運行等先進技術，并具有高低水位報警和極低水位、超高汽壓、熄火等自動保護功能。

2) 缺點。燃氣鍋爐用氣量較大，價格不菲，成本較高；供氣管路、儲氣罐、鍋爐本體存在燃氣泄漏引發有害氣體中毒和爆炸的風險；部分燃氣鍋爐出廠產品不具備設備防爆功能，存在一定的安全隱患；當供水水壓不足時容易過熱保護；適用范圍有所限制，不適合高寒地區和風大場所的使用；由于技術較為先進，多采用自動化控制，一旦出現故障難以自行處理，需專業技術人員進行維修處理；燃氣燃燒會產生二氧化碳等溫室氣體，對氣候和環境有一定的影響；由于氣源供應相對緊張，局部地區存在氣源短缺或季節性短缺的情況，存在影響正常使用的因素。

3.3 電加熱鍋爐的優缺點

1) 優點。電鍋爐使用的是電力，所以在操作過程中非常簡單；電鍋爐在運行時非常安靜，沒有噪音污染；電鍋爐安裝方便，占地面積相對較小，沒有煙囪和燃料的儲存堆放；電鍋爐所使用的燃料是電能，它具有超清潔環保的特點，不存在環境污染，是目前所有鍋爐產品中最為環保的；電鍋爐的熱效率是最高的，不存在燃料的過度浪費；電鍋爐具有高智能化的電腦控制柜，從鍋爐啟停、運行等一系列的操作都可實現智能化。

2) 缺點。電鍋爐的電耗非常大，運行成本較高，新增時，有的需要對供電線路和變壓器、開關等設備進行改造，還必須向電力部門申請增容才能滿足要求，而增容又是一件牽涉好多企業的事情，做起來困難重重；電鍋爐使用電能，它的供電和控制線路相對較長較多，如果維護保養不及時，極易出現線路和部件老化，產生漏電、短路等現象，甚至發生火災和觸電傷人事故。

3.4 太陽能熱水器的優缺點

1) 優點。太陽能熱水器不需要其他能源，節能高效而且還省錢，使用時不會對環境造成污染；由于不使用電能或者燃氣，就沒有觸電或者中毒、爆炸等危險，所以太陽能熱水器的安全性非常高；太陽能熱水器的使用壽命很長，若使用合理，其壽命可長達15 a之久；太陽能熱水器的溫度穩定性較好。

2) 缺點。太陽能熱水器受天氣和季節變化的影響較大，雨、雪和陰天使用效果差；目前太陽能熱水器能夠服務供暖面積相對較小，而且太陽能板安裝位置和空間的限制因素也很多，嚴重制約了它的推廣應用。

4 空氣能熱水器的優缺點分析

1) 優點。空氣能熱水器是通過介質換熱進行工作的，它可以克服其他取暖設施上述大部分缺陷和不足，它的電加熱元件與水是隔離的，可以有效避免漏電現象，也可以防止泄漏有害氣體的中毒和爆炸危險，非常安全，消除了鍋爐帶來的風險，而且還可以有效地避免燃煤、燃氣鍋爐對空氣和環境的污染；空氣能熱水器是以空氣為主體，其最大的優點就是節能，和電熱水器相比，使用成本只有電熱水器的1/4，和傳統的燃氣熱水器相比，無須耗用任何燃料，使用成本只是燃氣熱水器的1/3；空氣能熱水器不需要煤炭、不需要燃氣、也不需要陽光，僅僅需要很少的電能，安放位置也沒有非常嚴格的要求，放在戶內戶外都可以，可以非常方便地根據需要進行集中布置和零散布置，它還不需要專門的廠房，而且使用非常方便，可就地取材，就地產生熱量，只要有空氣，就可以不受天氣陰晴雨雪的的影響而正常工作；空氣能熱水器的使用壽命可以達到15～20 a，日常維護簡單，勿須專人值守，依靠日常巡檢即可，可以大大減少人工投入，降低成本。

2) 缺點。空氣能熱水器受環境溫度的影響比較大，當今市場上大部分的空氣能熱水器設計正常工作溫度在0～40 ℃，因此在環境溫度比較高的南方，使用效果會很好；而在冬季氣溫只有-10 ℃的北方地區，很難達到設計效果；當氣溫為-20 ℃及其以下時，機組甚至無法啟動。

5 結 語

在我國，煤炭在一次能源生產結構中長期占比約75%，據2019《BP世界能源統計年鑒》數據顯示,2018年世界煤炭產量為80.13億t,其中我國生產煤炭36.8億t，約占世界的46%；由此可見，煤礦在我國國民經濟的地位還是非常重要的，而且它數量眾多，是我國的熱能利用大戶。

煤礦既是能源生產基地，又是能源消耗大戶，同時又是環保檢查的重點單位，在煤礦既有超大容量的供電系統，又有非常嚴格的供電要求，同時又有最嚴格的安全管理標準；既有非常大的工業場地，又有星羅棋布的供熱需求點，因此在燃煤鍋爐淘汰退出后，替代供暖設施的選擇就非常重要。基于對上述各供暖設施的優缺點分析,結合煤礦生產實際，從安全、環保、節能、經濟、實用等方面進行綜合考慮，空氣能熱水器是最優選擇。