空气源热泵热水器在露天煤矿热水供应工程中的应用

杨静

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

空气源热泵热水器在露天煤矿热水供应工程中的应用

杨静

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

结合工程实例，对空气源热泵热水器及电加热热水锅炉进行经济比选，体现空气源热泵热水器在矿区热水供应工程中的优越性和适用性。

新能源技术；空气源热泵热水器；技术原理；环保节能；经济性

0 引言

露天煤矿行政福利区热水供应一般由区域燃煤锅炉房解决，矿区热水供应负荷具有全年间歇运行的特点。现由于加大了环保执法力度[1-2]，燃煤锅炉房纷纷改造，因燃油、燃气及直接用电加热制取热水的成本过高，对于矿区燃煤锅炉，不是可持续发展的长久之计。近年来，随着可再生能源的推广及利用，以太阳能为热源的热水器产业发展迅速，但由于我国太阳能资源在地区上分布存在较大差异，南方大部分地区全年的日照率不足50%，这就意味着全年利用太阳能热水器的时候，有很大一部分热量是来源于电加热或其它辅助加热，故利用太阳能来制取热水具有一定的局限性。空气源热泵热水器作为先进、成熟的新能源技术[3-5]，利用少量电力驱动做功，能从自然界的空气中获取低品位热能，输出高品位热能，既环保又节能，在矿区非采暖季的热水供应工程中广泛应用。

1 空气源热泵热水器

1.1 技术简介

空气源热泵热水器由压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流装置）、蒸发器等热力设备组成。制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器中依次进行压缩、放热冷凝、节流和吸热蒸发4个主要热力过程，从而完成制热循环，实现对供热介质的加热效果[6]。

热泵的性能一般用能效比（COP）来评价。能效比是热泵系统所能实现的制热量和输入功率的比值。通常空气源热泵的能效比2.8～4.5，热泵机组运行能效由其实际运行工况决定。

1.2 工艺流程

空气源热泵热水机组通过压缩机做功，使工质产生相变，在往复循环相变的过程中，通过蒸发器不断从室外空气中吸收热量，通过冷凝器不间断地释放热量，使冷水逐渐升温，制取的热水经保温水箱贮存，通过管网系统供给末端用户。当保温水箱内水温达到设定值时，空气源热泵热水机组停止工作，水泵停止，制热循环结束；当保温水箱内水温低于设定值时，水泵启动，空气源热泵热水机组启动，制热循环开始工作；当保温水箱内水位低于设定值时，自动开启水阀，通过自来水自动补给；回水管温度低于设定值时，电动阀自动开启，当回水管温度高于设定值时，电动阀常闭，不予回水。

1.3 优点

1）环保节能。机组从空气中获得大量的热能，所耗电能仅为压缩机用于搬运空气、阳光能源时所需的能量，因此制取等量的热水，其用电量是传统电热水器的25%左右，可节省大量的运行费用。

2）安全可靠。机组使用电力但并不利用电力直接加热的供热设备。因为不使用电力直接加热，电流和淋浴用水完全隔离，安全系数进一步提高，不存在电热水器、燃气热水器使用中所存在的易触电、易燃、易爆、易中毒等安全问题。

3）全天候使用。机组运行不受阴、雨、雪等恶劣天气的影响，24 h全天候使用。

4）长久耐用。机组安全性高，压缩机具有欠电压保护，过电流、过热保护，高低压力保护，压缩机能长期在制热工况下工作，机组寿命长达10年以上，远远高于其它类型的热水器使用寿命。

5）全自动智能化控制。机组可采用微电脑智能化控制，全自动智能运行，无须人工管理，面板可调温度和时间，各项参数可以在面板上直接操作和实现，真正实现全方位管理和能量可调控制。

6）应用广泛。广泛应用于家庭、工厂、学校、宾馆、酒楼、医院、美容院、洗衣店、洗浴中心及热水需求的较大单位，提供源源不断的生活生产热水。

2 工程案例

2.1 工程概况

内蒙古东胜区兴旺露天矿矿区热水供应工程的热源，因环保发文对燃煤锅炉吨位的限制，新建燃煤热水锅炉无法实现；经调查在当地采用太阳能热水供应系统可靠、稳定性较差；对空气源热泵热水系统和传统电加热热水锅炉系统进行经济分析比较，并与业主沟通，确定采用空气源热泵热水器+辅助电加热系统的热水供应方式。

2.2 工程设计技术参数

该工程主要设备选型计算原则是根据用户当地最低月平均气温、用水情况及热水用途等进行计算。

2.2.1 矿区气象参数

兴旺露天矿所在地东胜属于半干旱、半沙漠的高原大陆性气候，四季分明。夏季高温炎热，最高温度35.3℃，冬季最低温度为-28.4℃；夏季日平均温度24.6℃，采暖季节（当年10月—次年4月）平均气温为6.2℃，符合空气源热泵应用条件[7]。

冬季当室外空气侧换热盘管低于露点温度时，换热翅片上会结霜，大大降低机组运行效率，严重时无法运行。故为保证空气源热水器安全运行且热水供应的可靠性，当环境温度低于-5℃，空气源热水器停用，启动辅助电加热设备，从安全角度考虑，辅助电加热设备必须具有抗干烧和防漏电的性能。

2.2.2 热水供应量计算

供应热水量按下式计算：

式中：V为热水供应量，m3；qh为淋浴器热水的用水定额，L/h；n0为淋浴器数量；Ty为用水时间，h；k为小时变化系数。

矿区公共浴室内设40个喷头，每个喷头用水定额为540 L/h。按照最大班次淋浴用水量确定，用水时间按1 h计，小时变化系数取1。

按式（1）进行计算，供应热水量V=21.6 m3。考虑损耗，最大班次热水供应量为25 m3。

2.2.3 设计小时耗热量

设计小时耗热量[8]按下式计算：

式中：Qh为设计小时耗热量，kW；C为水的比热，4.187 kJ（/kg·℃）；tr为热水温度，℃；tl为冷水温度，℃，取4℃；ρr为热水密度，kg/L；b为淋浴器同时使用百分数；T为加热时间，s。

该矿区工作班制为3班制，每班次间隔时间为8 h。热水供应属于集中定时热水供应系统，设计热水温度按48℃计算，加热时间按3 h计算。

按已知数据按照式（2）进行计算，洗浴供热小时耗热量为Qh=368.4 kW。

2.3 设备选型

2.3.1 热泵主机选型

根据以上计算所得空气源热泵制热量需368.4 kW。选用4套PASHW250S-V型空气源热泵机组。单台机组在室外干球温度为20℃、热水出水温度55℃工况下的额定制热量为95 kW，额定输入功率19.8 kW，机组COP达4.79，4台机组总额定制热量约380 kW。

2.3.2 保温水箱选型

由于空气源热泵热水系统为储热式热水系统，且本系统采用恒温直供热水系统（37℃～48℃可调），避免冷热水混水存在的温度不稳定问题，故系统的恒温水箱需满足最大班组淋浴的温水（37℃～48℃）用量，即有效容积不小于25 m3。该系统选用成品不锈钢模压水箱。

2.3.3 水泵选型

热水循环泵、热水供水泵均采用进口品牌“德国威乐”不锈钢管道循环泵。

1）主机加热循环泵。额定流量Q=17 m3/h，扬程H=15 m，功率P=1.1 kW，共5台，4用1备。

2）热水供水泵。额定流量Q=50 m3/h，H=32 m，功率P=7.5 kW，共2台，1用1备。

热水供水泵宜采用变频恒压供水，选用集成化一体泵组，泵组自带膨胀罐和变频控制柜。

2.3.4 控制系统

根据工程用水情况，选用空气源热泵系统专用控制器。

2.4 热水系统经济分析

2.4.1 空气源热泵热水系统主要设备功率

热泵机组输入功率W1=79.2 kW，主机循环泵总功率W2=4.4 kW，热水供水泵总功率W3=7.5 kW。用于热泵热水系统设备输入功率为：

W=W1+W2+W3=91.1 kW

2.4.2 传统电加热热水锅炉系统主要设备功率

采用1台380 kW的电加热热水锅炉代替空气源热泵热水器。运行工况同空气源热泵热水器。热水供水泵额定流量Q=50 m3/h，H=32 m，功率P= 7.5 kW，共2台，1用1备。热水供水泵宜采用变频恒压供水，选用集成化一体泵组，泵组自带膨胀罐和变频控制柜。热泵机组输入功率W′1为380 kW，热水供水泵总功率W′3为7.5 kW。用于电加热热水锅炉系统设备输入功率为：

W=W′1+W′3=387.5 kW

2.4.3 运行耗电量及每年运行电费

空气源热泵热水系统及电加热热水锅炉经济比选结果见表1。

表1 热水供应系统技术、经济比选

与电加热热水锅炉系统相比，空气源热泵热水系统年节约运行成本33.13万元。

2.5 项目投资回收期及效益评价

空气源热泵热水系统总造价为120.4万元，电加热洗浴热水锅炉系统总造价为49.2万元。空气源热泵热水系统年运行成本为10.57万元，电加热洗浴热水锅炉年运行成本43.7万元，年节约运行成本33.13万元。初投资回收期为2.15年。虽空气源热泵系统的初投资大，但运行期间由于其节能环保效果显著，一般2年左右可将成本回收，且热泵主机的使用寿命可达15年，总体经济效益较好。

3 结语

针对矿区热水供应系统本身的特点，燃煤锅炉吨位的限制、燃煤锅炉烟气脱硫脱硝等高额的环保投资费用、电锅炉的高额运行费用及燃油燃气锅炉在矿区应用的局限性使得空气源热泵热水器在经济、节能、环保上有很大优势，应大力推广矿区可再生能源技术的应用。

［1］GB13271—2014.锅炉大气污染物排放标准［S］．

［2］国务院办公厅．大气污染防治行动计划［EB/OL］．（2013－09－12）［2016－6－16］．http://www.gov.cn．

［3］周峰，马国远．空气源热泵热水器的现状及展望［J］．节能，2006（7）：13－16．

［4］倪德良，俞善庆．新型节能热水器－空气源热泵热水器（机组）［J］．上海节能，2004（4）：29－31．

［5］黄胜文，罗清海，汤广发．热水器未来发展的一个主题与两个方向［J］．建筑热能通风空调，2004，23（6）：35 39．

［6］廉乐明，李力能．工程热力学［M］．北京：中国建筑工业出版社，1999：208－209．

［7］GB 50019—2015．工业建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］．

［8］GB 50015—2003．建筑给水排水设计规范［S］．

【责任编辑：陈毓】

Application of air source heat pump water heater in hot water supply project of Open-pit Coal Mine

YANG Jing
（China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the engineering example,the article carried out the economic comparison on air source heat pump water heater and electric heating hot water boiler,which reflected the advantages and applicability of air source heat pump water heater in the hot water supply project of the open-pit coal mine.

new energy technology;air source heat pump water heater;technical principle;energy-saving;economics

TK123

B

1671－9816（2017）01－0080－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.022

杨静.空气源热泵热水器在露天煤矿热水供应工程中的应用［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：80-82.

2016-08-02

杨静（1985—），女，陕西西安人，工程师，硕士，毕业于哈尔滨工业大学供热、供燃气、通风及空调工程专业，现就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司。