回风源热泵技术在煤矿的应用与实践研究

刘丽娟，王吉明，任丕清

（ 1.山西大学工程学院，太原 030013;2.山西省环境保护厅 太原 030024;3.山西焦煤集团环境保护部 太原 030024）

0 引言

随着经济的发展，能源问题已成为举世关注的焦点。中国能源主要为煤炭、石油，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，并且其比重在不断增长。随着近年环保理念的推广，替代能源和无污染能源也得到了一定的开发和使用。热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。

《中华人民共和国节约能源法》第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展。山西是煤炭大省，省内的各大煤矿结合各矿井的实际情况，重视资源的综合利用，积极采取措施推进企业的节能减排。山西焦煤集团的各矿纷纷采用热泵技术，利用风源热泵系统和水源热泵系统为建筑物供暖、空调、职工洗浴热水提供冷热源，经济效益和环境效益显著。相信随着科技的发展和人们对生活环境重视的提升，新能源定会呈出不穷，给人们生活带来巨大改变。

1 回风源热泵技术

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵技术是以浅层低温热能(浅层地下水、生活污水、工业废水、矿井水、矿井总回风等蕴藏的低品位热能)为热源，通过冷凝装置制取温度较高的介质，获得更多的高品位能量，使低品位热能得到充分利用(采暖、洗浴等)的新型、节能环保技术［1］。目前，我国主要利用的热泵技术，按低位热源分:水源(海水、污水、地下水、地表水等)热泵，地源(包括土壤、地下水)热泵，以及空气源热泵。回风源热泵技术属于热泵技术的一个分支，是热泵技术在使用推广中产生的新技术。原理是通过热泵技术回收矿井总回风中蕴藏的低温热能，与循环水进行换热，制取高品位热能以供使用。其原理如图1［2］所示。

图1 矿井回风热能回收原理示意图

2 回风源热泵技术在某煤矿的应用实践［3－8］

2.1 工程概况

某矿井年产煤能力为300万吨。这个矿风井冬季历年最低平均气温为－25℃，结冻期10月～3月中，主导风向西风。现有建筑维修车间与设备库需要冬季采暖。每天3班，下井最大班人数200人。现拟用热泵技术为该矿建筑供暖、职工洗浴热水提供冷热源。

经调研，这个矿井回风温度基本不受室外气温影响，并且全年都比较恒定:矿井通风风量为6500 m。3/min，即 108 m3/s，全年回风温度为15℃ ～17℃，相对湿度为90% ～95%。这个矿井地面广场的采暖面积约5700 m2，急需解决冬季热源。原有热源为燃煤锅炉和电加热，能耗和运行费用很高。

2.2 夏季、冬季可提取的热能计算

矿井回风可提取热能的计算公式为:

式中:Q表示回风换热能(kW);Δi表示回风中湿空气的焓差(kJ/kg);ρ表示回风平均空气密度(kg/m3);v表示回风量(m3/s)。

2.2.1 冬季提取的热量

为计算留有余量，冬季的回风温度按14℃，相对湿度为90%，提取热量后的回风温度为8℃，相对湿度为96%，此时的焓差为(36.72－24.11)J/kg，平均空气密度为1.23 kg/m3，则可以从回风中提取的热能为:

按照热泵机组的综合能效比COP为4.5计算，则可产生的热能为:

式中:Qs表示热泵机组提供的热能;Qqd表示热泵机组从热源里提取的热能。

2.2.2 夏季提取的冷量

为计算留有余量，夏季的回风温度为17℃，相对湿度为95%，吸收热能后的回风温度为30℃，相对湿度为100%，此时的焓差为(99.69－46.24)J/kg，平均空气密度为 1.18 kg/m3，则可以向回风中释放的热能为:

按照热泵机组的综合能效比COP为5.0计算，则可提供的制冷量为:

式中:Qls表示热泵机组产生的制冷量;Qqx表示热泵机组向回风中散出的热量。

通过以上计算，可以得出回风源热泵系统可提供的冷热资源，见表1。

表1 冷热资源统计表

2.3 冷热负荷计算

2.3.1 采暖热负荷

这个矿地面广场现有采暖建筑为4551 m2维修车间与1100 m2设备库。不考虑夏季制冷。因为工业厂房空间较大，因此采暖负荷较大，一般大空间厂房负荷按150～200 W/m2考虑。最不利情况下室内工作温度≥5℃。

则采暖热负荷为(4551+1100)×200=1130 kW

2.3.2 洗浴热负荷

该矿洗浴只采用淋浴方式，每班洗浴人数为200人，每班洗浴水量为60 m3。洗浴水采用深井水作为水源，初始水温最低为18℃，4小时加热至42℃。

则洗浴热负荷为:

通过相关计算，对热负荷与热源进行对比，结果如表2所示。

表2 负荷与热源统计表

从表2，可以看出，利用矿井回风的热量可以满足建筑物的冬季供暖与职工洗浴的需求。

2.4 工程设计与实施

根据负荷计算，洗浴热水热负荷419 kW，配备某公司1台HE－B480(高温型)涡旋热泵机组;采暖负荷为1130 kW，配备2台HE－700(普通型)涡旋热泵机组。热泵性能参数见表3、表4。

表3 HE－B480热泵基本技术参数

表4 HE－700热泵基本技术参数

3 投资及效益分析

投资包括系统工程投资及运行费用，其中工程总投资1515万元，年总运行费用为69万元。根据该矿负荷，冬季总热负荷为1130 kW，最少需要设计1台4t和1台1t锅炉，冬季两台运行;春、夏、秋季一台1t锅炉运行。空调建筑夏季冷负荷为1500 kW，分体空调能效比COP值最大为2.5，装机容量600 kW。传统锅炉房及分体空调初投资估计总价884万元，年总运行费(包括燃煤锅炉运行费、锅炉耗电费、分体空调运行费、设备维修维护、排污费等)合计247万元。采用热泵技术每年节约运行费用178万元，投资回收期为4年;年节约煤炭约2500 t，减排 CO26365 t，减排SO249 t。

4 结论

回风热能利用技术的推广是煤炭行业低碳发展的一种有效途径，对建设现代化新型矿山有重要意义。热泵项目具有废弃资源再利用的特点，推广回风热能利用技术符合国家循环经济、节能减排产业政策;实质性减轻全局环保压力，节约煤炭资源。矿区取消了锅炉房，没有了烟囱，彻底根除了污染源，矿井回风热能提取装置，兼有净化回风流粉尘，降低通风机噪音等功能。煤矿利用热泵技术符合国家环境保护与能源节约的政策，同时还符合申请政府发改委、经信委、环保主管等部门最高达30%的项目政策奖励条件。该矿区通过一个年度的实际使用，达到了预期的效果，解决了整个地面广场的冬季保暖、职工洗浴的问题，节约了大量的能源，年节约煤炭约2500 t，减排CO26365 t，减排SO249 t，经济效益和环境效益显著。

［1］刘永强，马晗.回风源热泵技术在回收热能中的应用研究［J］.河南城建学院学报，2012(3):51－53.

［2］姬询，孙潇，权犇等.利用水源热泵全面回收矿井排风中的余热资源［J］.建筑节能，2010(12):8－9.

［3］孙中文，陈夫科，颜景玉等.矿井回风热源回收技术及应用［J］.山东煤炭科技，2010(5):30－31.

［4］徐国领.矿井回风热能利用技术及其应用［J］.中州煤炭，2011(7):87 －89.

［5］GB50366－2005.地源热泵系统工程技术规范［S］.

［6］GB50019－2003.采暖通风与空气调节设计规范［S］.

［7］MT/T5013－96.煤炭工业采暖通风及供热设计规范［S］.

［8］GB50015－2003.建筑给水排水设计规范［S］.