高寒地区超低温空气源热泵余热回收技术研究

王 晶， 曹 亮， 李争荣， 刘 韬， 刘明武

(1.云南迪庆有色金属有限公司， 云南 迪庆 674400； 2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

能源是21世纪人类发展的重大主题，能源的合理开发利用是人类处理好“能源、环境与发展”三者关系的重要一环，是人类可持续发展的重要保证[1-2]。采矿领域的高速发展一方面伴随着高效益，另一方面也不可避免的出现对环境的高污染、对能源的高消耗[3]。同时，因东部地区矿产资源逐步减少，在我国西部地区的矿山项目呈日渐增多的趋势。特别在地质构造复杂，矿产资源丰富的青藏高原，这一趋势更为明显。此类高原矿区，空气稀薄、终年低温，井口进风预热和生产生活供暖需求量大、能耗高；高原地区生态环境脆弱，交通运输不便，环保压力大，热源、燃料不易解决。

普朗矿毗邻三江并流自然保护区，环保要求高，且无煤、燃油等能源条件，供冬季供暖使用的能源仅有电能。而矿区处于高寒地区，供暖期长达176 d，漫长寒冷。经计算，矿井预热及采选工业场地、公辅设施供暖负荷合计达26 351 kW。若直接采用电加热设备制热、供暖，运行费用高，且配套的输配系统投资不大，而矿区水温较低，地下涌水量较小。根据现有的气象资料和现阶段的热泵技术，当地的相对湿度较小，空气是一个较为理想的热源，且矿井回风中带有较大的热量。热泵是实现低温余热利用的理想装置，通过热回收专用热泵机组，将回风中的余热加以回收，用于井口保温、供暖等多项用途，合理利用热能，高效节能[4-7]。

在此技术背景下，项目各参与方设想采用空气源热泵机组回收利用采矿回风平硐、回风竖井排风中的余热，供井口预热保温系统使用[8]；利用低温空气源热泵机组汲取冬季室外空气中的热量，供各生产、生活建筑物使用。该方案可有效降低能耗和运营成本。在高寒、高海拔地区采用此技术方案为国内首次。

2 余热回收方案

根据《金属非金属矿山安全规程》，为保障采矿生产安全，各通风平硐硐口进风温度须≥2 ℃，考虑到矿区冬季漫长严寒，进风必须加热。根据相关技术措施，采用香格里拉地区的冬季供暖室外计算温度与极端低温的平均值-12 ℃作为冬季平硐进风计算温度，加热至2 ℃送入井下。具体各平硐口风量及热负荷详见表1。

表1 各个平硐风量及进风热负荷

将辅助设备装机功率考虑在内，若依靠电能直接加热平硐进风，2个进风平硐总装机功率达7 065 kW，能耗及运行成本较高。经调查，我国各有色矿山的矿井回风的温度终年稳定在7～20 ℃，回风中含有大量的余热，通过热回收专用热泵机组，将回风中的余热加以回收，用于井口保温、供暖等多项用途，合理利用热能，高效节能，无污染，符合环保要求。

普朗矿区共有3850 m平硐、3600 m平硐2个主要进风平硐，南回风井、3700 m平硐、3540 m平硐，3个回风平硐(鉴于3 540 m胶带运输平硐回风量过小且场地局促，不考虑回风热回收)。根据现场各平硐相对位置的实际情况进行合理分配，共设计2组系统满足余热回收需要。经模拟计算，预计回风温度8 ℃，相对湿度60%，具备余热利用条件。

表2 3850 m平硐和南回风井风量

图1 南回风井矿井回风余热供井口保温工艺示意图

3850 m平硐送风预热，需将-12 ℃的室外空气加热至2 ℃送入平硐，热负荷3 057 kW。南回风井风温8 ℃，汲取7 ℃温差使回风降至1 ℃，可回收余热2 504 kW，余热回收不能满足进风余热的时段开启电加热补足。回风热回收热泵机组设在南回风井旁的专用机房内，配置5台MAS130 HA型和1台MAS090 HA型热泵机组，制备出50 ℃/45 ℃热水，经室外管网输配至3850 m平硐口部机房内的加热器。加热器送风温度36 ℃。选用EKDM1315H31型井口加热器4台，出风温度36 ℃，风量63 000 m3/h·台及BDFR- 380/500型电加热器1台，加热功率500 kW，风量40 600 m3/h·台。经核算，在室外温度≥-10 ℃的情况下，完全依靠回收南回风井回风余热即可满足3850 m平硐进风预热负荷要求。当室外温度低于-10 ℃时依靠电加热器补充不足部分热负荷。

第二组：3600 m进风平硐和3700 m回风平硐风量见表3，余热回收及进风预热如图2所示。

表3 3600 m进风平硐和3700 m回风平硐风量

图2 3600 m进风平硐、3700 m回风平硐余热回收及进风预热示意图

3600 m平硐送风预热，需将-12 ℃的室外空气加热至2 ℃送入平硐，热负荷3 302 kW。3700 m回风平硐风温8 ℃，汲取7 ℃温差使回风降至1 ℃，可回收余热1 647 kW。回风热回收热泵机组设在南回风井旁的专用机房内，配置3台MAS130 HA型和1台MAS090 HA热泵机组，制备出50 ℃/45 ℃热水，经室外管网输配至3600 m平硐口机房内的加热器，加热器送风温度36 ℃。选用EKDM1315H31型井口加热器4台，出风温度36 ℃，风量63 000 m3/h·台，4台BDFR- 380/500型电加热器，加热功率500 kW，风量40 600 m3/h·台。因3700 m平硐回风量少，回收热量有限，经核算，在室外温度≥-6 ℃的情况下，完全依靠回收3700 m平硐的余热可满足3600 m平硐进风预热需求。当室外温度在-6 ℃以下时首先开启电加热器，补充不足部分热负荷。

3 余热回收方案分析

普朗铜矿回风余热回收及进风预热系统在2018年9月竣工，10月开始调试、试运行。现初步分析最冷月(2019年1月)的现有数据，3700 m回风平硐回风温度与设计预估值基本一致，稳定在8.4～8.8 ℃，回收热量在1 100～1 300 kW，制热量1 780～1 980 kW，能效比2.62～2.92。能效比计算结果不甚理想的原因是因为热泵机组、循环泵在相当一部分时间未满负荷运转，但因无电计量表，此次数据统计设备功率均安额定负荷计算，故能效比偏低。3600 m进风平硐在进风预热系统正常运行时，硐内基本无结冰现象。南回风井，回风温度较设计预估值偏低，稳定在4.5～5.5 ℃，回收热量1 440～1 500 kW，制热量2 480～2 540 kW，能效比2.38～2.43。3850 m进风平硐在进风预热系统正常运行时，硐内基本无结冰现象。

图3所示为各个机组的总制热量与热回收量，其中除了南回风井6号机组制热量偏小，其他几个机组相差不大。3700 m平硐2号机组的制热量和热回收量是最大的，因为其进风温度在几个机组中是较高的。对比南回风井和3700 m回风井各个机组制热量及热回收量，3700 m平硐要高于南回风井。因为3700 m回风平硐，回风温度稳定为8.4～8.8 ℃，而南回风井的回风温度为4.5～5.5 ℃。

图3 各个机组在记录时间内的总制热量与热回收量

图4、图5所示为各个机组进出口水温差对热回收量与制热量的影响。机组的进出口水温差虽然与热回收量没有直接的线性关系，但总体来看，机组的进出水温差越大，热回收量也就越大。从现场反馈过来的数据，由图15可知，机组的进出水温差与制热量有着明显的线型关系，与热力理论计算相符，从侧面反映出设备运行是处于稳定状态。也可以发现，南回风井6号机组在同样的进出水温下，制热量和热回收量均偏低，这与制冷剂的充注量有关。

（1）预算单位自行评价。对经目标审核后的预算单位申报的部门整体支出项目和资金、专项支出项目和资金，要求各预算单位根据全市统一设置的指标体系开展绩效自评，自行跟踪项目实施和资金使用进展，形成绩效评价报告。

图4 各个机组进出口水温差与热回收量

图5 各个机组进出口水温差与制热量

图6、图7所示为各个机组进风回风温差与制热量和热回收量之间的关系。机组进风回风温差越大，制热量和热回收量也越大。机组进风回风温差与制热量虽然不呈现线性增长的关系，但是符合二次曲线增长的关系。机组进风回风温差与制热量则呈现了明显的线性关系，同样的，南回风井6号机组，在同一风回风温差下，制冷量和热回收量要偏小。

图6 各个机组进风回风温差与制热量

图7 各个机组进风回风温差与热回收量

图8、图9所示为各个机组进出口水温差与制热量、各个机组进风回风温差与热回收量之间的关系。从图中可以看出，目前各个机组总体的运行状态比较平稳，未出明显的现异常情况。所以空气源热泵在高原矿山的余热回收方案是可行的。

图8 1月份各个机组进出口水温差与制热量

图9 1月份各个机组进风回风温差与热回收量

4 节能与经济性分析

在实施方案之前，若依靠电能直接加热3850 m、3600 m平硐进风，总装机功率达7 065 kW，其中3850 m平硐为3 396 kW，3600 m平硐为3 669 kW，能耗及运行成本较高，也不符合国家节能环保政策。

经计算，在温度高于-6 ℃时，3600 m平硐的热负荷可以3700 m平硐处的热泵机组全部承担，此时余热回收系统的装机功率为638 kW，而若使用直接电加热方案，装机功率为2 101.5 kW。具体装机功率比值如图10所示。

图10 温度高于-6 ℃时，3600 m平硐余热回收系统装机功率与电加热方案装机功率比值

对于南回风井和3850 m平硐，由于南回风井的回风量较大，余热利用价值更高，在环境温度高于-10 ℃时，热负荷可全部由南回风井处的热泵机组承担，装机功率为948 kW，而若采用直接电加热的装机功率为2 918.9 kW。具体装机功率比值如图11所示。

图11 温度高于-10 ℃时，3850 m平硐余热回收系统装机功率与电加热方案装机功率比值

设备的运行成本可由式(1)计算

运行成本=电价×装机功率×同时使用系数×运行时间

(1)

普朗矿区电价0.54元/度，若机组每天平均运行12 h，同时使用系数为0.7，则3600 m平硐采用电加热方案一天的运行成本为：运行成本=0.54×2 101.5×0.7×12=9 532.4元。

使用余热回收方案一天的运行成本为：运行成本=0.54×638×0.7×12=2 893.9元。

根据式(1)可以得出，3850 m平硐采用电加热方案一天的运行成本为：运行成本=0.54×2 918.9×0.7×12=13 240.1元。

使用余热回收方案一天的运行成本为：运行成本=0.54×948×0.7×12=4 300.1元。

若平硐入口的一个供暖周期为4个月，温度高于-6 ℃时，3600 m平硐采用电加热方案的耗电量为：2 101.5×0.7×12×120≈2.12×106kW·h。

采用余热回收系统的耗电量为：638×0.7×12×120≈6.43×105kW·h。

节电量约2.12×106-6.43×105≈1.48×106kW·h。

温度高于-10 ℃时，3850 m平硐采用电加热方案的耗电量为：2 918.9×0.7×12×120≈2.94×106kW·h。

采用余热回收系统的耗电量为：948×0.7×12×120≈9.56×105kW·h。

节电量约为2.94×106-9.56×105≈1.97×106kW·h，合计总节电量约为3.45×106kW·h。

从图10、图11明显可以看出余热回收系统的装机功远远小于电加热方案装机功率。由于南回风井的风量大，可以用余热较多，所以南回风井机房的装机功率略大于3700 m平硐。虽然上述内容只分析了使用空气源热泵机组就能满足热负荷的情况，通过计算结果，无论3600 m平硐还是3850 m平硐，空气源热泵方案相较直接电加热方案，极大的减少了耗电量及运行成本，节能减排效果显著，存在着巨大的推广潜力。

5 结论

通过初步的数据分析可知，将空气源热泵技术应用于高原矿山的回风余热回收后，进风预热的电耗较之直接电加热方案，大幅降低，节能效果明显，拥有巨大的推广潜力。

以普朗铜矿为实验基地根据数据分析结果，3600 m平硐与3700 m回风井的机组的进出水温差与制热量有着明显的线型关系，与热力理论计算相符，余热回收设备运行正常。以一个供暖周期为限，与电加热方案相比，采用余热回收系统之后，节电量约为1.48×106kW·h。节约电费79.92万元/年。

南回风井的回风量比较大，余热利用价值更高。数据与计算结果表明3850 m平硐与南回风井的设备运行正常，无异常情况。采用余热回收系统之后，一个供暖周期的节电量约为1.97×106kW·h，节约电费106.38万元/年。从设备的运行情况和节能效果来看，空气源热泵技术应用于高原矿山的回风余热回风是成功的。综合整个余热回收系统，总节电量约为3.45×106 kW·h，合计节约电费186.3万元/年。