信湖煤礦余熱資源與水源熱泵技術的綜合應用

王勇毅

(北京社會管理職業學院，北京 102628)

1 工程概況

淮北礦業集團信湖煤礦余熱資源綜合利用項目在安徽省渦陽縣信湖煤礦礦區內，信湖煤礦隸屬淮北礦業集團，位于渦陽縣境內，跨花溝、公吉寺、楚店、城西4個鄉鎮。礦井及選煤廠設計生產能力均為3.0 Mt/a，井深1 000 m，可采煤層7層。井田面積約131.5 km2。冬季歷年最低平均氣溫為-8 ℃。地面建筑面積約80 000 m2，現總設計職工為4 000人，每天3班。信湖煤礦礦井深，其礦井總回風、礦井總排水中蘊藏大量的低溫熱能，可以利用水源熱泵技術與氣水熱交換系統相結合的方式回收礦井回風、礦井排水中的余熱資源，代替鍋爐系統進行供暖和代替中央空調系統進行供冷，從而保證信湖煤礦辦公、生活、生產的需要。信湖煤礦由于礦井井深已達1 000 m，根據設計院的《信湖煤礦井田勘探報告》，本區恒溫帶深度為30 m，其溫度為17.1 ℃。本區地溫梯度1.7 ℃/hm～3.3 ℃/hm，平均為2.70 ℃/hm，屬于地溫正常區。-413 m～-538 m以下已進入一級高溫區(≥31 ℃)，-684 m～-765 m水平溫度已進入二級高溫區(≥37 ℃)，-967 m水平平均地溫為44 ℃。在建設及開采過程中,應該采取綜合的措施進行熱害防治,確保安全。信湖礦煤礦有大量可利用的礦井回風及礦井排水低溫熱源，礦井總回風溫度在23 ℃～28 ℃之間，相對濕度在90%～100%左右；礦井總排水量設計為490 m3/h，實際排水量較小，預計100 m3/h，溫度為28 ℃，礦井總回風及礦井排水中能量儲量大，完全可滿足信湖礦煤礦冬季熱源、夏季冷源需求。采用礦井回風、排水與水源熱泵技術相結合將礦井回風及礦井排水中熱能回收利用，冬季可以通過水源熱泵和供暖系統向辦公樓、生活區、井筒等提供能夠供辦公樓、宿舍等生活區及礦井井筒使用的供暖熱源，夏季可以通過水源熱泵及風機盤管系統向辦公樓、生活區等提供能夠供辦公樓、宿舍等生活區使用的供冷冷源，實現了現場沒有任何污染物體排放的目標。而且采用礦井回風與水源熱泵技術相結合的技術措施還可以大大降低風井回風的噪聲，有利于減小噪聲污染。礦井回風經氣水熱交換系統進行熱交換后，排氣中所含的粉塵等污染物會大大的降低，從而達到減少空氣污染物排放的目的，且有利于大氣的環保和符合政府倡導的金山銀山就是綠水青山的發展理念[1-3]。

2 水源熱泵技術+礦井回風及排水資源+氣水換熱系統技術

2.1 熱泵技術

熱泵技術利用低溫熱源轉化成能夠進行供暖和制冷的新型能源。熱泵技術應用最廣泛的是水源熱泵技術，水源熱泵技術就是冷卻水側循環系統由水源代替了傳統的冷卻塔，不僅僅可以利用地表水、地下水，還能利用煤礦、熱電廠、鋁廠、化肥廠等諸多廠礦企業的工業廢水，從中提取出能夠供熱泵機組使用的低溫熱源，實現把低品質熱能轉化為高品質熱能，達到能夠使用的條件，從而實現了對工業廢水的二次利用，同時還對節能減排和環境保護工作的推進具有重要的戰略意義。

2.2 礦井回風低溫熱能回收與水氣熱交換系統技術的綜合應用

礦井回風一年四季源源不斷，風量大，溫度相對穩定，蘊藏著巨大的熱能和冷量，是熱泵系統理想的低溫冷熱資源。冬季可以作為熱泵系統的熱源水，從中提取熱能，制取50 ℃以上的高溫熱水，為井口防凍、工業廣場的地面建筑供暖，為加熱浴室洗浴熱水提供熱量。夏季可作為熱泵系統的冷卻水，向其排放熱量，制取熱泵系統負荷側能夠使用的7 ℃以下的冷凍水，為工業廣場的地面建筑的夏季空調系統提供冷量。氣水熱交換系統通風阻力小，增加阻力小于100 Pa，對風機影響極小。具有明顯的降噪效果，可降低風井回風噪聲30 dB(A)。氣水熱交換系統通過水噴霧與礦井中含有余熱的風資源進行充分接觸，從而達到充分熱交換的目的，實現熱量的傳遞。并通過充分的氣體與水噴霧之間的熱交換，使噴出的水霧能夠從礦井回風中吸收大量的顯熱和潛熱，然后進入匯水池，經沉淀處理后進入全自動水處理裝置進行二次處理，經二次處理后的可供使用的水資源進入水源熱泵冷卻水側的蓄水池，產生能夠供水源熱泵系統使用的可靠水源。

2.3 礦井排水與水源熱泵技術的綜合應用

礦井排水中含有大量的低品位熱能資源，在煤礦排水中往往經過處理后進行排放，不僅浪費了礦井排水中的余熱資源，而且所排放的水中含有的熱量排放到空氣中還造成了環境溫度的升高，形成了一定的熱污染，通過水源熱泵系統利用排放的礦井排水中余熱資源不僅能夠提取其中的低品質熱能，還能降低排水的水溫，對環境保護有一定的效果，同時實現了余熱資源的二次利用，間接的節約了一些能源。在利用礦井排水水資源時，通過全自動水處理裝置對礦井排水進行水處理，達到符合水源熱泵使用要求后進入水源熱泵冷卻水側的蓄水池供水源熱泵使用。

3 水源熱泵系統綜合分析

3.1 信湖煤礦冷熱負荷統計

根據淮北礦業集團提供的與之有關的信湖煤礦各類建筑面積及其冷熱負荷等數據進行歸類統計，匯總整理統計如表1所示。

表1 信湖煤礦冷熱負荷統計表

3.2 信湖煤礦熱源情況

根據淮北礦業集團提供的關于信湖煤礦各種信息如下：信湖煤礦礦井回風溫度23 ℃～28 ℃，濕度90%～100%，冬季按23 ℃考慮，夏季按28 ℃考慮，相對濕度全年按95%考慮，生產中期風量388 m3/s礦井。礦井排水量初步設計為490 m3/h，根據目前礦井水出水量，對比周圍同類礦井，按70 m3/h考慮，水溫按25 ℃計算。信湖礦礦井總回風和礦井排水蘊含熱能非常豐富，礦井通風系統總回風量達到388 m3/s時完全可以滿足全礦用熱需求。

3.3 水源熱泵系統與水氣熱交換系統相結合的技術性分析

根據負荷情況配置3臺HE700熱泵機組和11臺HE1400熱泵機組。

熱泵機組型號:HE-700;具體參數如下：名義制熱量:706.9 kW;名義制冷量:609.2 kW;名義耗電功率(制熱):146.76 kW; 名義耗電功率(制冷):106.3 kW;最小水源水流量:65.8 m3/h;制熱熱水流量:116.1 m3/h;名義工況:冬季制熱出水溫度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水溫度5 ℃～15 ℃;外形尺寸(長×寬×高): 4.5 m×1.48 m×2.05 m;質量:3 800 kg。

熱泵機組型號:HE-1400;具體參數如下：名義制熱量:1 413 kW;名義制冷量:1 218 kW; 名義耗電功率(制熱): 294 kW; 名義耗電功率(制冷):213 kW;最小水源水流量:132 m3/h;制熱熱水流量:233 m3/h;制冷水源水流量:112 m3/h;制冷冷水水流量:210 m3/h;名義工況:冬季制熱出水溫度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水溫度7 ℃～12 ℃;外形尺寸(長×寬×高):4.8 m×2.2 m×2.25 m;質量:7 500 kg。

夏季：最熱季節8臺HE1400熱泵機組和2臺HE700臺熱泵機組工作，提供建筑空調，同時提供洗浴熱水。

冬季：最冷季節11臺HE1400及3臺HE700熱泵機組提供建筑采暖和井筒防凍熱源及洗浴熱水。

過渡季：2臺HE700臺熱泵機組工作提供洗浴熱水。礦井回風通過氣熱交換系統把礦井回風中的余熱轉化為可供水源熱泵使用的余熱水資源。礦井排水利用主要從污水處理廠引水(由于礦井設計涌水達到490 m3/h,據此從污水處理廠建設設計能取水300 m3/h的管路到蓄水池)。通過礦井回風余熱和礦井排水余熱形成的余熱水資源最終供水源熱泵系統使用[4-6]。

水源熱泵系統是利用水資源中的低品質熱能轉換成能夠使用的高品質熱能，但它有局限性，它的局限性在于只能利用可利用的水源，而不能直接從礦井回風中吸取可利用的低品質熱能。采用水源熱泵冷卻水系統中的循環水與信湖煤礦礦井回風中含有的余熱通過水氣熱交換系統進行水氣熱交換，取得能夠供水源熱泵直接使用的低品質熱能。水氣熱交換系統含水噴霧系統、水收集裝置、沉淀池、全自動水處理裝置、循環水泵、補水裝置、相應管線等輸送至能夠供水源熱泵機組使用的水源熱泵集水池。并結合礦井排水中經全自動水處理后輸送，如水源熱泵集水池的低品質熱水形成可供水源熱泵系統使用的低品質熱能。水氣熱交換系統中的水噴霧熱交換系統采用鍍鋅鋼管加水噴霧裝置并互相連接，最終形成水噴霧網絡，從而通過水氣熱交換系統中的水噴霧網絡與礦井回風中帶有低品質熱能的回風進行水氣熱交換。通過水氣熱交換系統中的水噴霧網絡與礦井回風中攜帶的熱能進行充分接觸，使水霧能夠吸收到礦井回風中攜帶的低品質熱能，并且通過熱交換吸收到礦井回風中的顯熱和潛熱，從而提高了熱交換效率。同時還能減少礦井回風中含有的污染物的排放，保護了大氣環境，減少了大氣污染(見圖1)。

3.4 水源熱泵系統經濟型分析

根據以上水源熱泵系統設備配備情況及以下水源熱泵系統運行情況進行綜合性經濟分析。

水源熱泵系統中采暖、空調及井筒防凍系統運行基本參數如下:制冷周期:90 d/a;供暖周期:120 d/a;日開機時間:10 h/d(夏季),24 h/d(冬季);平均電價:0.6元/度(見表2)。

表2 采暖、空調及井筒防凍系統運行情況

水源熱泵系統中洗浴熱水系統運行基本參數如下:運行周期:270 d/a;日開機時間:12 h/d;平均電價:0.6元/度(見表3)。

表3 洗浴熱水系統運行情況

綜上所述運行費用加上每年運行人員工作8萬元及維修費用1萬元后，每年水源熱泵系統運行總費用為471.312 5萬元，約為471萬元。

根據傳統運行模式運行情況每年運行費用約為1 743萬元，較水源熱泵系統每年的運行費用高出很多，通過水源熱泵系統不僅僅利用了礦井回風余熱資源和礦井排水余熱資源，而且每年還節約了大量的運行費用。避免了能源的浪費，提高了節能率，并符合國家節能環保的大政方針，使得水源熱泵得到了更廣泛的應用，并取得了良好的收益。同時證實了水源熱泵系統在礦井回風余熱回收中的技術可行性和經濟可行性。

4 結論

通過使用水源熱泵系統技術既保障了信湖煤礦礦區井筒供暖、浴室洗浴熱水、生產生活建筑供暖，還為空調系統提供了冷源供給，并從經濟角度證實了水源熱泵技術在礦井回風和礦井排水中的經濟可行性，同時達到了節約能源與環境保護的目的。

通過水源熱泵技術與礦井回風資源及水氣熱交換系統的結合使用，利用礦井回風中含有的低品質余熱資源，實現了低品位熱源向高品質熱量的轉化。并且規避了水源熱泵只用于水資源的局限性，拓展了水源熱泵的使用范圍，為水源熱泵使用環境的多樣化提供了方向。

礦井回風經水氣熱交換系統后，降低了礦井回風中所含的粉塵等污染物的排放量，同時有利于提高空氣品質，使空氣品質更環保、更利于健康，達到了保護環境的目的。

通過水源熱泵技術與礦井排水余熱資源的綜合利用，實現了從礦井排水中提取低溫余熱等低品位熱源向高品位熱源的轉化，實現了對礦井排水的二次利用，同時減少了礦井排水對空氣的余熱排放，響應了節能與環保要求。