电辅助和空气热源泵+太阳能联合供暖系统在矿山的应用

文_马新 西部黄金克拉玛依哈图金矿有限责任公司

1 项目实施自然条件

新疆某矿山位于自治区西北部，距离克拉玛依市65km，属于标准大陆性气侯，一般在9月底降雪，10月底结冻，翌年4月中旬解冻，冰冻期为11月至次年4月。

矿区太阳能光照资源具备太阳能采暖系统运用的条件。新疆克拉玛依地区全年日照时间数达3000h左右，光照年辐射总量达5430～6670MJ/m2， 属于光照资源丰富的地区。根据当地气象局资料，矿区全年温度曲线图和克拉玛依地区太阳总辐射量和直接辐射量（MJ/m2）如图1和表1所示。

图1

表1 克拉玛依地区太阳总辐射量和直接辐射量（MJ/m2·月）

2 系统方案及运行方式

系统以充分太阳能为主，空气热源泵和电加热为辅助措施的联合供热模式，太阳能管、水箱、电辅助和空气源热泵机组连接到矿区原供暖系统中。主能量来源为太阳能，配备空气源热泵机组，为保证供暖质量，需考虑极寒天气夜间温度低、热泵能效受影响因素，配备电加热设施。空气热源泵是当前流行的热泵技术之一，利用空气压缩制冷原理，以空气中的热量作为低温热源，经过冷凝器进行热交换释放热能。系统中空气热源泵和太阳能采取混合式互补结构，提高进入蒸发器的空气温度，提高了热泵制冷剂系统的蒸发温度，有利于保持较高的换热效率，使热泵机组制热系数得以提高。太阳能是公认的清洁能源，2015年我国把空气能也纳入可再生能源范畴，整套系统以太阳能为主要能源，以空气热源泵和安装在储热水箱内部的电加热管为辅助能源设施，使用了太阳能、空气能和电能三种能源形式，兼顾了清洁能源的使用和保障供暖质量的需要，相比燃煤可实现零排放，更加节能环保。同时，北方矿山冬季存在极寒时间段、昼夜温差大，因此联合供暖模式比单一能源供暖模式更具有可靠性优势，实现三种能源的优势互补，弥补了太阳能系统冬季集热效率相对较低、不能24h连续运行的缺点。空气热源泵和电加热辅助措施的联合使用也有助于减少太阳能集热器的使用数量和储热水箱的体积，可以减少太阳能系统的初期建设投资。

系统由太阳能集热器、空气源热泵机组、储热水箱、换热循环系统、自动控制等部分组成，详见图2。采用60组3000根高硼硅真空集热管做为集热元件，集热器布置倾角约20°。采用两级换热方式运行，集热器与储热水箱之间使用高温导热油进行热量传输，经泵循环后，通过板式换热器与储热水箱内的水进行热量交换；系统运行控制参数均为自行优化设置，现场设置水箱温度超过55℃时，辅助系统停止运行，当水箱温度低于45℃时空气源热泵和电加热辅助系统开启，以保证持续供热。辅助系统启停参数均可根据需要自行调整，也具备手动干预强制启停功能。

图2

水是一种廉价且性能理想的蓄热材料，现场配置保温储热水箱，白天利用光照辐射充分蓄热，阴雨天气和夜间释热供暖，减少电辅助系统耗能，保持系统以经济节能方式运行，储热水箱需要安置在封闭室内并采取完善的保温措施，减少蓄热过程中的热量损失。

3 系统运行成本

利用太阳能、空气能等清洁能源的供暖系统在北方地区已经推广应用，对于落实煤改电政策、减少烟尘排放具有积极意义，对于农村等偏远分散地区的冬季供暖可以灵活布置，针对性强，在民用建筑供暖领域有较多应用。但是在工业企业如矿山的应用目前很少，这和矿山企业还不了解系统运行的成本效益、对供暖电耗成本存在疑虑、初期建设投资较大等因素有一定关系。新技术的应用不仅要响应国家政策方向，也要符合企业降低生产成本的需求，投资效益、运行成本等经济性分析是企业管理者在技术推广阶段无法回避的问题。

该系统采用60组太阳能+水蓄热+空气源热泵+电辅热，每日太阳能供暖时间按8h计，太阳能每日产生的热量：60组×11.5m2/组×17MJ/m2×0.6=7038MJ，相当于1955kWh，详见表2。

表2

系统采取自动控制、远程监控报警模式运行，除电耗和零星维修外，无其他运营费用。2021年11月下旬至2022年4月底试点供暖，供暖面积1629m2，实际供暖天数169d，从试点电耗明细看，12月和1月电耗较高，这两个月是气温最低、光照强度相对不足的时期，空气热源泵和电加热辅助措施的保障作用主要体现在这两个月，光照强度保证率越高，太阳能的使用率就越高，电能消耗越低。试点供暖区室内白天温度可保持18至20℃之间,期间电耗总计123828kWh，试点采暖期（169d）每平方米电耗约为76kWh，现场实际优惠电价单价0.3元/kWh，试点采暖期电费合计37148元，电耗费用远低于同等供暖面积的燃煤消耗费用，详见表3。

表3

4 项目环保减排效益

碳达峰和碳中和是我国“十四五”时期着手推进的重点工作。“十四五”规划建议制定2030年前碳达峰行动方案，要求单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别降低13.5%和18%。北方地区的冬季供暖仍然高度依赖于传统的燃煤锅炉，实现碳减排需要改变传统供暖方式，主动调整能源供给结构，推广清洁能源应用、探索新的冬季供暖方式是时代所需，矿山企业应当在工业模式创新方面体现主动性，追求绿色发展的长期效益，避免被动应对减排指标的格局。

矿区原用2台15t/h燃煤锅炉供热全区，小时平均耗煤量1.9t/h，小时平均产渣量0.275t/h，最近一个采暖季耗煤量7200t,根据燃煤锅炉排放监测数据，最近一个采暖季二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、炉渣排放量分别为：942.5kg、4873.7kg、856.8kg、1042t。试点区域一个采暖季经核算节煤140多t，减少碳排放340t以上，太阳能和空气热能使用在试点系统能源结构中的占比约75%，减少二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、炉渣排放量分别为：18.33kg、97.47kg、17.14kg、20.84t，对于实现矿山能源结构调整，减少污染物排放，具有环保减排示范效益。

5 结语

矿山试点的供暖效果、运行成本和环保效益符合预期，能够保证冬季生产供暖需要，没有产生过大电能消耗，降低冬季供暖的费用，具有积极的减排效益。电辅助和空气热源泵+太阳能联合的模式能够适用于矿山分散片区的冬季供暖，具有推广价值。

室内取暖效果与建筑物密封性直接相关，需要提前完善房屋保暖封闭措施。太阳能集热管比较脆弱易损，场地需要选择相对避风且开阔、日照不受影响的区域。

系统初期投资大，夜间和极寒天气电耗较明显，成本效益受电价影响大，应争取地方供电电网夜间谷电优惠电价，防止投资回报周期过长，建设初期需要做好市场调研，实现供需双赢。目前系统仅试点应用于冬季供暖，在太阳能资源最丰富的夏季闲置，下一步计划应用于生产生活热水供应和光伏发电开发方向，实现清洁能源的充分开发利用。