司家营铁矿南区地下开采水源热泵的应用实践

秦四龙 鲁爱辉 徐永坤

(河钢集团矿业公司司家营南区分公司)

地下水源热泵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、可再生的供热(冷)系统[1]。20世纪50年代，我国开始了水源热泵技术研究与开发，但主要应用于建筑领域，技术发展较为缓慢[2]。改革开放以来，随着政府环境保护、污染治理等政策的大力推行，大大促进了我国水源热泵技术的发展。近年来，水源热泵的市场化逐步成熟，但目前地下矿山应用较少。矿山地下水涌出量大且水量丰富，水温基本不受室外气温影响，一年四季均比较稳定，其中蕴含着丰富的低位能量。利用矿井地下涌水作为热源，应用水源热泵技术替代传统的燃煤锅炉，可以解决井口防冻及保温、工业场地主要建筑物冬季采暖和夏季制冷、洗浴热水等问题，既能实现矿山节能降耗，又符合我国发展清洁能源和绿色矿山建设的要求[3-4]。本研究以司家营铁矿南区为例，为有效利用该区地下水资源，采用水源热泵技术设计了供暖方案。

1 地下水源热泵概述

1948年第一台地下水源热泵系统在美国俄勒冈州运行，掀起了20世纪40—50年代欧洲和美国地源热泵技术研究的第一次高潮[5]。随着工业技术的发展，近数十年来，美国地源热泵系统在家庭和商业建筑中得到了广泛应用。自20世纪水源热泵系统概念被提出开始，随着材料及设备工艺水平逐步提升，经过30 a不断改进和发展，水源热泵已逐步推向市场，开始商品化推广[6]。自20世纪80年代以来，由于水源热泵的市场化趋势不断增强，水源热泵空调系统在我国开始兴起，但适用范围局限于商业建筑。近2 a来，水源热泵技术开始应用于矿山企业，如首钢杏山铁矿、冀中能源集团东庞矿、梧桐庄矿以及章村矿等。经过不断引进吸收国外技术，国内多家公司(如清华同方、北京矿大能源安全科技公司等)水源热泵技术的研发水平已经成熟。

2 水源热泵工作原理

地下水源热泵技术是利用矿井涌水温度常年变化不大的特性，将其作为天然的低温低热位热能资源，利用热泵机组，通过少量的高位电能输入，达到低位热能向高位热能转移的目的[7]。在夏季，将建筑物中的热量转移至循环的矿井涌水中，由于矿井涌水温度低，因此可以快速、高效地带走热量；在冬季，从矿井涌水中提取热量，通过将矿井涌水作为载体经过热泵机组升温后输送至建(筑)物、井口等位置。对于地下矿山而言，水源热泵系统即是利用矿井地下涌水作为冷、热源，从而实现能量转换的供热、制冷的空调系统(图1)[8]。该系统在矿山应用的关键在于是否有稳定的地下水源。

图1 地下水源热泵系统示意

冬季由于矿井水温度高于空气，通过水源热泵可以从水中“提取”热量，将矿井水中含有的热能输送至建(构)物、井口等位置，达到冬季采暖的目的(图2)。

图2 水源热泵冬季供暖原理

在夏季，利用水源热泵通过相关介质可将建(筑)物中的热量交换出来，释放至矿井水中去，由于矿井水温度比环境温度低，因此可以高效地带走热量，达到夏季给建(筑)物室内制冷的目的(图3)[9]。

图3 水源热泵制冷原理

3 司家营铁矿南区地下水供暖/降温方案

3.1 矿区概况

司家营铁矿南区地处河北省唐山市滦县、滦南两县，为河北钢铁集团矿业公司最大的在建现代化新型地下矿山。矿区水文地质条件复杂，矿山基建期及采矿期均面临着巨大压力。矿区附近地表河流属于滦河水系，主要有滦河、新河、狗尿河等。含水层主要由第四系孔隙含水层和基岩裂隙含水层(带)组成[10-14]。在南区基建期，随着巷道掘进，大量涌水出现且水量稳定。该类矿井水直接排至附近河流，造成了大量的水资源浪费。同时，南区大贾庄副井、北进风井等通风井面临着井口冬季保温及采暖问题，燃煤锅炉运行成本增加，并且面临着设备更新问题。南区具有稳定的地下涌水，具备了地下水源热泵应用的前提条件。

3.2 热量需求

按冬季采暖室外温度-10 ℃(条件1)计算，采矿工业建筑采暖热负荷为3 505 kW，选矿工业建筑采暖热负荷为9 898 kW，井口预热总热负荷为13 405 kW(表1)。

表1 条件1对应的司家营铁矿南区各井口预热耗热量

按冬季极端最低平均温度-17.8 ℃(条件2)计算，井口预热总热负荷为24 204 kW(表2)，洗浴用热负荷为蒸汽量2 t/h，约为1 200 kW。

表2 条件2对应的司家营铁矿南区各井口预热耗热量

3.3 水源热泵供暖/制冷方案

司家营铁矿南区采用集中排水方式，井下排水系统配备6台MD1100-86×7型耐磨多级离心泵，正常涌水量时3台工作，2台备用，1台检修，最大涌水量时5台工作，1台备用。另考虑应急排水，水泵房内设2台ZQ1100-595/7-2800/S型矿用潜水泵，作为应急排水设备，正常排水能力为3 300 m3/h。排水管选用5条φ426 mm×13 mm无缝钢管，正常水量时3条工作，2条备用，最大水量时全部工作，沿竖井敷设出地表。地下涌水通过排水管路排至地表高位水池，经机械搅拌式澄清池过滤后供给水源热泵系统。根据水文预测及现场实际测量，矿井涌水平均水温为18 ℃，为良好的低温热源，符合地下水源热泵运行的条件。

3.3.1 热泵机房

地下水源热泵机房修建于地表高位水池附近，避免矿井水水温变化过大。地下水源热泵系统在冬季为采选工业建筑供暖以及为井口预热提供热源，夏季用于为采选部分建筑空调提供冷源，并为浴室洗浴提供热水。机房配置HE2450LF型螺杆水源热泵机组和HE600LF型螺杆水源热泵机组，以矿井工业场地高位水池中的地下涌水作为冷、热源。

3.3.2 控制系统

控制系统采用以太网通讯，主机通过交换机与上位机连接，可以在中控室集中控制，实现对热泵机组、空调机组、循环泵系统以及排水系统进行集中控制[15]，实现对井口、建筑物等需热点进行自动温度监控，并反馈给井下排水设备，以调配矿井水分配。

3.3.3 井口预热及建筑采暖机组配置

由于地下涌水随着巷道掘进逐渐增多，地下水源热泵系统可用水量按照排水系统的正常排水能力考虑。单台HE2450LF型螺杆水源热泵机组热源侧水流量为243.67 m3/h。考虑到ZQ1100-595/7-2800/S型矿用潜水泵的正常排水能力(3 300 m3/h)，本研究选用13台HE2450LF型螺杆水源热泵机组在冬季为采选工业建筑供暖及井口预热提供热源。单台HE2450LF型螺杆水源热泵机组在热源水温18 ℃时的制热量为2 511.75 kW，耗电功率为478.8 kW，因此，热泵机组提供的总热量为32 652.75 kW。

根据司家营铁矿南区2012年11月—2017年3月近5 a供暖期内的历史天气资料，-10 ℃以下的天数总计为49 d，平均为12.25 d/a，且主要出现在夜晚，出现频率较低。按照平均温度-17.8 ℃考虑，地下水源热泵可提供的总热量可以满足井口预热要求。但当出现冬季极端天气时，工业建筑及洗浴用热供应量不满足需求，可通过调配供热量或采用其他取暖方式等辅助措施，确保建筑物及洗浴用热满足需求。冬季当室外温度高于或等于-10 ℃时，热负荷总需求量不超过26 808 kW，热泵机组可以满足供热需求。此外，矿山可根据实际用热需求调整机组的工作台数和单机负荷。

3.3.4 洗浴热水机组配置

经计算，矿山可利用的地下涌水剩余水量为321.29 m3/h。单台HE600LF型螺杆水源热泵机组热源侧水流量为57.5 m3/h，本研究选用2台HE600LF型螺杆水源热泵机组，用于浴室洗浴供热。单台HE600LF型螺杆水源热泵机组在热源水温18 ℃时的制热量为603.23 kW，耗电功率为123.3 kW。提供洗浴供热的热量为3 016.15 kW(按2.5 h加热计算)。

3.3.5 夏季建筑空调制冷机组配置

夏季建筑所需制冷量暂无具体参数，暂按2台水源热泵机组考虑。单台HE2450LF型螺杆水源热泵机组的制冷量为2 277.2 kW，耗电功率为348 kW，冷源侧水流量为205.21 m3/h。2台HE2450LF型机组可提供的空调冷量为4 554.4 kW。

3.3.6 机房布置

热泵机房由热泵机组和电气室组成，控制系统集成于总控制室。根据配备的水源热泵机组数量，总装机容量约为6 741 kW，其他辅助设备包括循环泵、起重设备等装机功率暂不考虑。

3.3.7 井口预热设施

为防止冬季井口结冰，威胁提升系统的安全，在井口房内采用组合式空调机组加热空气，与冷空气混合后进入井筒。热源由热泵机房提供的45 ℃的热循环水提供。单台ZK-60型组合式空调机组风机配电机功率为22 kW，1#、2#副井和大贾庄副井井口房各选用6台ZK-60型组合式空调机组。单台ZK-70型组合式空调机组的风机配电机功率为22 kW，1#斜坡道硐口段和2#斜坡道井口房各选用3台ZK-70型组合式空调机组。

3.4 方案投资

司家营铁矿南区水源热泵系统建设主要包含工艺设备、电气设备、自动化控制系统等，在排水系统建设的基础上，减少了取水井及回水井的建设资金。地下水源热泵系统各项建设投资总额为2 197.8万元(表3)。

表3 司家营铁矿南区地下水源热泵系统建设投资

4 水源热泵与传统燃煤锅炉供暖方案对比分析

4.1 传统燃煤锅炉供暖方案

(1)锅炉配置。因冬季极端天气出现概率极低，按照-10 ℃考虑时，司家营南区总需热负荷为26 808 kW，相当于41.02 t蒸汽，装机容量需3台20 t 蒸汽锅炉。夏季洗浴供热量需2 t蒸汽，装机容量需1台2 t蒸汽锅炉。

(2)锅炉房投资。装机容量为3台20 t蒸汽锅炉和1台2 t蒸汽锅炉的锅炉房，投资约为2 470万元。

(3)锅炉房设备用电量及用煤量。3台20 t蒸汽锅炉及其附属设备用电量约为615 kW，采暖期消耗煤(折合标煤)量为18 947.52 t(按每台锅炉每小时消耗 2.04 t煤(折合标煤)考虑)。1台2 t蒸汽锅炉及其附属设备用电量约为150 kW，年消耗煤(折合标煤)约1 888 t(按每台锅炉每小时消耗0.4 t煤(折合标煤)考虑)。

4.2 方案经济对比分析

井口预热、建筑物供暖期按129 d/a考虑。地下水源热泵建设、燃煤锅炉建设投资及15 a的运营费用对比如表4所示。

表4 供暖系统建设及运营成本对比 万元

供暖方案投资合计投资现值经营费合计经营费现值投资经营费合计投资经营费现值合计地下水源热泵21982035124286566146258601燃煤锅炉24702287142257516166959803

由表4可知：水源热泵供暖方案的投资现值为2 035万元，燃煤锅炉供暖方案的投资现值为2 287万元；水源热泵供暖方案的经营费现值为6 566万元，燃煤锅炉供暖方案的经营费现值为7 516万元，可见水源热泵供暖方案的经济效益较显著。

水源热泵技术经过多年不断改进和发展，技术日趋成熟，目前国内水源热泵技术成熟可靠[16-17]。水源热泵供暖方案每年可少消耗标准煤20 835.52t，极大减少CO2和SO2的排放量，有助于大幅改善矿区周边生活环境，符合我国环境保护与能源节约的政策。

5 结 语

水源热泵系统具有效率高、节能、环保等优点，现阶段国内水源热泵系统技术成熟，已经实现了市场化、商品化，在各领域的应用逐步增多。司家营铁矿南区应用水源热泵具备了相关条件，详细分析了该矿区水源热泵供暖系统设计方案，并与传统燃煤锅炉供暖方案进行了详细的对比分析，认为水源热泵供暖方案不仅有助于降低矿山生产运营成本，而且对于改善矿区周边生态环境，实现矿山节能减排也大有裨益。

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