矿井中冷水降温空调系统的研究及应用分析

张礼静， 常德化， 徐　越

（1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590）



矿井中冷水降温空调系统的研究及应用分析

张礼静1， 常德化2， 徐越2

（1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590）

摘要：针对传统冷水降温空调系统的3种布置方式存在的优缺点进行研究和分析，提出了新型冷水降温空调系统，该系统采用分散制冷，集中回热，能够有效回收和再次加以利用井下无用的热量，该技术应用于某一矿井中降低了1.4~1.8倍的冷量损失，提升了2.33倍热能综合利用率，整体上也节约了前期投资费用。

关键词：空调系统； 分散制冷； 集中回热； 热能综合利用

0　引言

随着矿井开采深度的增加以及综合机械开采能力的提高，矿井热害越来越严重，对井下作业人员的身体健康和生命安全造成很大影响[1]。由于非人工制冷技术的局限性，冷水降温空调制冷成为矿井热害治理的主要手段[2]。目前人们对空调系统做了大量的研究，取得了丰硕的成果。陈平[3]研制了压缩空气供冷的新型矿井空调系统；何其愚[4]为锡卡房1600平台深部开拓掘进巷道的高温问题提出了有效的空调降温方案；杨建荣[5]、端木琳[6]、龙惟定[7]、唐兴亮[8]、刘怀灿[9]等从节能和空气品质优化方面对冷水降温空调系统做了进一步的完善。但是，随着矿井深度的增加以及国家对节能减排要求的进一步提升，冷水降温空调系统在分散制冷减少冷损和集中供热增加热能综合回收利用效率方面有待进一步的提高。

1　传统冷水降温矿井空调系统

矿井空调系统是由制冷、输冷、传冷和排热四个环节所组成。目前有井上集中式空调系统、地面集中式空调系统、井上、下联合的混合空调系统。矿井空调系统的工作原理是利用制冷机制出冷水，通过管道输送到用冷地点，然后通过空冷器将冷量传给风流，达到制冷降温的目的。目前国内外常见的冷冻水供冷、空冷器冷却风流的矿井集中空调系统的基本结构模式如图1所示。

三种空调系统的降温特点如下：

（1）井上集中式

冷源：采用制冷机在地面制成低温冷水。

输冷：低温冷水通过保温管路沿井筒送到井下的高低压换热器，通过高低压换热器转化为低压冷冻水，输送到各用冷地点。

散冷：在采煤工作面的进风巷放置空冷器，降低进风温度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝热的排放：地面通过冷却塔排放。

（2）井下集中式

冷源：井下建制冷硐室，安装制冷机组，制成冷冻水。

输冷：冷冻水通过保温管路输送到各用冷地点。

散冷：在采煤工作面的进风巷放置空冷器，降低进风温度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝热的排放：通过井筒的两排管路到地面的冷却塔排放。

（3）井上、下混合式

冷源：地面、井下同时设置制冷站，制成冷冻水。

输冷：冷冻水通过保温管路输送到各用冷地点。

散冷：在采煤工作面的进风巷放置空冷器，降低进风温度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝热的排放：通过井筒的两排管路到地面的冷却塔集中排放。

三种传统冷水降温矿井空调系统的降温特征比较见表1。

2　新型冷水降温空调系统的研究

2.1新型冷水降温空调系统的提出

随着矿井开采深度的增加，矿井风流的温度越来越高，一方面给矿井的安全生产带来了重大的隐患；另一方面，由于矿井地下蕴含巨大的热能，可以通过一系列的措施，将能量提出，输送到井上，供淋浴、取暖等使用，综合考虑传统冷水降温空调系统的优缺点，结合以上两个方面，提出新型冷水降温空调及热能综合利用系统，如图2所示。

表1　三种传统冷水降温矿井空调系统的优缺点

2.2新型冷水降温空调系统的工作原理及特征

该系统采用井下分散降温，集中回热的方式，即在用冷的采煤工作面和掘进工作面，分别布置制冷机，制冷机制取低温冷水，送到工作面的换热器中，冷却水集中通过管路与井下的高低压换热器进行换热，高低压换热器与地面的冷却塔和板式换热器相连，排除热量。

夏季，通过该系统能制取低温冷水，供工作面使用，同时大量的热量，一部分通过冷却塔排掉，一部分可以通过换热器供工人洗澡等生活热水使用。冬季，把空冷器放置到回风巷中，利用该系统提取回风热量，通过高低压换热器为地面提供热水。当外界环境温度不是很低时，不需要开启热泵系统，当外界环境温度较低时，启动热泵系统，为井口及用户提供足够的热量。

该系统具有以下三个方面的优点

（1）分散式制冷，制冷机与工作地点较近，输送过程的冷损小，能提高其利用率。

（2）冷却水集中回水，管路不需要保温。

（3）冬季能用该系统提取矿井回风的热量，同时井筒中的两条管路能均匀加热井筒的空气，防止井筒结冰。

3　工程实践

某矿平均地温梯度为1.9℃/100m，属地温梯度正常区。煤矿的开采水平为-1100m，由于开采深度过大，加上设备容量大（面内装机容量为2330 kW），导致夏季井下热害问题特别突出。该矿西轨运输大巷的通风距离达到1300m以上，巷道断面积22.6m2，平均温度33.5℃，围岩温度34℃，个别地点接近35℃，湿度系数0.25（迎头底板有积水，湿度系数取0.3）；选用800mm的单层风筒进行通风，需风量约350m3/min，其中风筒百米漏风率取1.5%，风筒传热系数为6.73W/m2·℃。风流进风干球温度为31℃，湿球温度29.6℃，相对湿度为92%，风机功率为120kW，每班工作人数18人。

仅靠原有的通风机进行通风降温已经不能满足矿井安全生产的需求，因此必须采用机械降温技术对该矿井进行降温。经专家勘测和核算，结合格拉索冷冻系统（上海）有限公司提供的降温设备资料对该矿井拟采用的4种降温方式，即井上集中式空调系统、地面集中式空调系统、井上、下联合的混合空调系统及新型冷水降温空调系统进行了初步估算分析。分别从装机功率的选择、工程投资、年运行费用、输送线路长度、冷损比例、热能的综合利用、系统的可靠性、承压性、排热效果、扩容性、负荷的调节性能、井底车场占用的空间、采掘影响13个指标进行了比较，得到相应的指标值，见表2。

表2　四种冷水降温空调系统的指标

通过表2可以看出，在满足同等情况的降温效果作用下，采用新型冷水降温空调系统，对降温设备功率的要求上、投资费用方面有一定程度的降低，对冷量的损失方面有1.4~1.8倍的降低，热能的综合利用方面提升至原来的2.33倍。

4　结语

针对冷水降温空调系统在矿井降温过程中存在冷损大、热能回收利用低、经济效益不够理想等缺点和不足，新型冷水降温空调系统既继承了其降温、热能回收于一体的优良特点，还改进了其不足。为验证其热能回收效果和经济效益，从理论上对某一矿井分别应用该新型冷水降温空调系统与传统的3种冷水降温空调系统，结合矿井降温和热能利用技术的13个指标，得出了相应的指标值，其结果在满足相同降温效果的前提下，新型冷水降温空调系统降低冷损，提升了热能有效回收率，节约了运行成本。

参考文献：

[1]苗德俊，常德化，曹毅，等.新型矿用降温除湿设备的研发及应用[J].煤炭技术，2016，35（3）：238，239.

[2]吴丽丽，罗新荣，李浪.高温矿井空调制冷技术概况及发展 [J].制冷与空调，2012，26（1）：97~100.

[3]陈平.采用压气供冷的新型矿井集中空调系统 [J].矿业安全与环保，2004，31（3）：1~3.

[4]何其愚，余庆华，王文科等.金属矿井深部开拓空调通风降温的研究[J].有色金属（矿山部分），2009，61（1）：65，66.

[5]杨建荣，李先庭，彦启森，等.个性化送风波动对热感觉和室内空气品质的影响[J].清华大学学报（自然科学版），2003，43（10），1405~1407.

[6]端木琳，舒海文.工位空调送风气流微环境评价[J].暖通空调，2004，34（12），7~9.

[7]龙惟定.建立适应建筑节能的暖通空调设计机制[J].暖通空调，2008，38（10），48~52.

[8]唐兴亮，唐中华.空调系统节能运行自动控制的应用研究[J].制冷与空调，2015，29（6），725~728.

[9]刘怀灿，张龙爱.全热回收型空气源热泵冷（热）水机组系统设计[J].制冷与空调，2016，16（1），21~24.

修回日期：2016-04-14

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.018

中图分类号：TD727

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0079-03

作者简介：张礼静（1994-），女，山东枣庄人，本科，工学学士，主要从事制冷空调相关技术研究工作。

收稿日期：2016-03-22

Study of Cold Water Cooling Air Conditioning System of Mine and Application Analysis

ZHANG Li-jing1， CHANG De-hua2， XU Yue2
（1.College of Civil Engineering and Building，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：Research and analysis on the advantages and disadvantages of 3 kinds of arrangement modes of the traditional cold water cooling air conditioning system.This paper presents a new type of cold water cooling air conditioning system. The system uses distributed refrigeration，centralized heat recovery to be able to effectively recycle and recycle the unused heat in the mine.The technology is applied in a mine to reduce the loss of 1.4~1.8 times of the cold and increase the comprehensive utilization of heat energy 2.33 times.In addition，the overall savings of the upfront investment costs.

Key words：air conditioning system； dispersion refrigeration； concentration regenerative； heat integration