地下水源热泵空调系统在首钢杏山铁矿的应用

孟令民

(唐山首钢马兰庄铁矿有限责任公司)

地下水源热泵空调系统是一种从地下水资源中提取热量从而达到高效、节能、环保、再生的供热(冷)系统。该系统集成熟的热泵技术、暖通空调技术及地质勘察成井技术于一体，在相对稳定的水体温度下高效、稳定、经济地运行。杏山铁矿引进了意大利克莱门特公司的水源热泵机组，利用地采井下外排水为水源，解决了杏山铁矿生产生活系统冬季供暖和夏季制冷以及职工洗浴问题。该系统节能环保，运行和维修方便，取得了良好的效果。

1 水源热泵的工作原理

水源热泵的工作原理如图1所示，系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种制冷管道配件和电器控制系统等组成。

在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进入水/制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高。到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体后，进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收空气的(水)的热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。此时，制冷环境需要的冷冻水在蒸发器中获得。

在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进入冷凝器，同时排放热量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体，进入蒸发器器蒸发成低压蒸汽，蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。此时，供热环境需要的热水在冷凝器中获得。

2 杏山铁矿水源热泵空调系统构成

杏山铁矿位于河北省迁安市木厂口镇白龙港村村西约0.5 km处，其地理坐标为东经118°31'53″～118°32'56″，北纬39°55'51″～39°56'59″，属燕山支脉南麓，低山丘陵地貌，年平均温度10.10℃，极端最高温度38.9℃，极端最低温度－28.2℃。杏山地采平均涌水量为447.4 m3/h，且温度恒定(常年17℃左右)。

图1 水源热泵工作原理

杏山铁矿在极端温度下需提供热量总负荷为7 396.5 kW，其中厂区采暖需1 151.6 kW，副井井口通风需6 244.9 kW，故选择4台1 500 kW水源热泵用于厂区供暖和副井井口通风，不足部分采用1 500 kW电加热作为补充，利用旧试验机组390 kW热泵，常年供职工洗浴。4台1 500 kW热泵采用串并联模式布置，390 kW，热泵与上述机组并联。水源热泵流程如图2所示。

图2 水源热泵流程

杏山铁矿地下开采水源热泵工程分为井口防冻系统;生活办公建筑供暖、制冷系统和浴室洗浴热水加热系统。针对上述系统定制的监控系统，使得管理者和项目维护人员可以在线实时监控设备运行情况，处理现场的异常状况或进行工程维护，使维护工作变得及时、高效，并降低了工程维护成本。

3 自动控制系统

自动控制系统选用德国西门子品牌6ES7400系列 PLC，带以太网通讯处理器。过程站选用ET200及配套组件通过使用PROFIBUS总线与主PLC实现通讯。主机通过交换机与上位机连接(采用光纤连接)，可以在中控进行集中控制。实现了新增4台水源热泵机组及1台旧水源热泵机组、组合式空调机组、循环泵系统的集中控制功能，并有5台水泵的控制(启停)及4个模拟信号输入接口，在副井井口设置铂热电阻测温装置，能实现由井口混合后热风温度自动调整组合式空调机组、电加热、水源热泵机组的运行状况，循环水泵、组合式空调机组、水源热泵机组能实现机旁控制和集中控制功能。整个系统实现全流程自动控制，正常生产时采用主控室集中控制，机旁配操作箱，用于检修时现场操作，通过手自动转换开关进行转换。

杏山铁矿地下开采水源热泵工程自控系统可分为实时应用信息系统、硬件设备2个部分，其中硬件设备又可分为监控数据中心、数据采集、机电设备启停控制、压力/温度/液位传感器等。完成各种工艺设备启停控制与过程参数的检测、报警、联锁及PID调节回路的连续控制和逻辑控制。对各种参数进行实时、历史趋势记录。上位软件采用Wincc6.2，编程软件采用STEP7 V5.4。

(1)监控中心。机房内配备1台标准机柜，用于存放服务器、交换机和UPS电源等设备。主服务器负责现场采集数据的分析、存储及备份等，方便监控人员及相关人员进行历史数据查询。电力方面，配备UPS电源，保证在电力中断的情况下能正常工作4 h。布线:采用专用阻燃/屏蔽通用信号电缆由副井到热泵机房，再由热泵机房到控制中心。

(2)设备运行实时监控系统。通过BS结构的组态技术，将热泵机房5台热泵机组、4台组合式空调机组、5台水泵、管路的进出水温度、压力、阀门开闭状态的实时数据通过专用阻燃/屏蔽通用信号电缆传输到主服务器上，实时监测运行状态及工况、故障报警、维护提醒等全方位的运行生产信息，保障设备正常运行，将设备故障阻止在萌芽状态，节约设备维修养护费用。主机设备自带PLC控制系统并通过DP网与主PLC进行数据交换，以达到可以通过中空进行控制，各辅机设备均纳入主PLC控制系统内，方便管理操作。

(3)井口防冻实时监控系统。通过在副井井口及送风处(组合式空调机组)安装温度传感器，将井口的实时温度上传到监控中心的上位机，上位机经过实时应用信息系统分析温度数据，与室外气温变化，调节送风温度，保证井口温度控制在2℃以上，实现自动化控制应用。

(4)历史查询智能分析系统。通过对首钢矿业公司杏山铁矿地下开采水源热泵工程的热泵机组、组合式空调机组、水泵、管路的进出水温度、压力、阀门开闭状态实时数据的采集，利用实时应用信息系统进行相关的智能分析，以科学的数据分析手段对现场实时数据与历史数据进行分析比较，评估设备运行工况，制定出更优化的系统运行方案。

4 效益分析

按照地下总排水量300 m3/h考虑，390 kW热泵正常用水为25 m3/h(最低14 m3/h也可使用)，4台1 500 kW水源热泵总用水量为276 m3/h，单台用水情况及耗电情况见表1。

表1 单台耗水及耗电情况

井口进风温度必须保证2℃以上，避免出现井口结冰形成悬挂冰凌，威胁井下作业人员安全。室外温度变化与杏山铁矿水源热泵需水量关系计算如表2所示。气温－11℃以上时，1～2台1 500 kW热泵供热;气温－11～－15℃时，3～4台1 500 kW热泵;气温－15～－21.9℃时逐步投入1 500 kW电加热供热。

根据杏山铁矿实际情况，水源热泵共投资1 738.96万元，较传统的燃煤锅炉加太阳能热水器方式需投入1 631.59万元高107.37万元。但每年的运行费用仅127.95万元，比传统的方式少128.78万元，0.83 a收回多投入的资金。因此由水源热泵取代热风炉作为副井井口通风预热热源，同时作为其他点位供暖热源总体效益远高于传统方式。

表2 室外温度变化与杏山铁矿水源热泵需水量关系计算

5 结语

水源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统。水源热泵机组工况稳定，系统简单，运行可靠，维护费用低，环保，自动控制程度高，使用寿命长可达到15 a以上，在地采矿山的应用前景广阔。

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