淺談水源熱泵技術在煤礦中的綜合應用

【摘要】煤炭企業(yè)每年都需要花費大量人力和物力治理礦井水，針對這一現(xiàn)狀，本文以亭南煤礦為例，介紹和研究了水源熱泵技術，它不僅能有效利用礦井水來供熱或制冷，而且能將使用后的水源充當工業(yè)用水回收利用，即節(jié)約了企業(yè)成本又合理開發(fā)利用了資源，符合國家關于能源發(fā)展和環(huán)境保護的相關精神，是一種值得推廣的新型技術。

【關鍵詞】礦井水；水源熱泵技術；技術原理；工藝流程；技術應用

1、地下水水源熱泵技術的發(fā)展現(xiàn)狀

作為熱源熱泵技術的一個分支，地下水水源熱泵技術最早發(fā)源于歐洲。20世紀初期，瑞士專家首次提出關于“熱泵技術利用地熱源”的思想，此后，隨著首臺地下水源熱泵系統(tǒng)在美國試驗成功，地下水源熱泵技術正式登上歷史的舞臺。該技術的發(fā)展在我國起步相對較晚，主要是受到當時國內經(jīng)濟形勢與政治環(huán)境的影響。改革開放后，一些專家和企業(yè)家開始重視地下水源熱泵技術的應用，于1997年從歐洲開始學習和引進熱泵技術，截止于2000年我國共引進地下水源熱泵供熱或制冷系統(tǒng)100余套，并與美國能源部簽署了一份關于發(fā)展地源熱泵項目的合作協(xié)議，確立了將北京、寧波、廣州三地作為地源熱泵合作示范基地的發(fā)展戰(zhàn)略，這三地分別用于研究處于寒冷、冬夏溫差大、溫暖環(huán)境下的熱源熱泵技術。

2、水源熱泵技術工藝原理

實際上礦井水熱能利用是通過熱量交換的原理來實現(xiàn)的。具體的講，在夏季煤礦地面建筑物溫度高，而使用的水源溫度低，通過相應的技術手段可以將建筑物中的熱量轉移到水源中，從而將過高的熱量帶走，達到給建筑物降溫的目的；在冬季，則是利用熱泵技術從水源中汲取能量，通過水或空氣作為煤質將汲取的熱量輸送到建筑設施中。一般來說，通過熱泵技術用戶可以得到高于4倍熱泵（或水泵）消耗能量的熱量（或冷量），例如使用熱泵時每消耗1KW的能量，可供建筑物用熱4KW左右。水源熱泵可分為開式和閉式兩種，其分類依據(jù)是泵對水源的利用方式。作為熱泵供熱和制冷的介質，水源也應滿足兩個條件：一是要保證水源存儲量，二是要保證水溫控制在7℃～30℃之間。礦井水可作為一種理想水源，它不僅儲量豐富，而且水溫基本恒定，水質也比較好。

2.1工藝流程

過程中所形成的礦井水通過水泵系統(tǒng)抽至地熱交換系統(tǒng)，依據(jù)熱泵原理機組運轉并交換礦井水中的能量，然后通過管道輸送至礦井建筑設施等，實現(xiàn)冬季和夏季的供暖、供熱，從建筑設施交換能量過后的廢水可做工業(yè)用水再次回收利用。圖1為利用礦井水制熱工藝流程。

2.2技術原理

1）夏季制冷。礦井水首先進入旋流除沙器除沙，再經(jīng)過電子水處理儀除掉絮狀物，然后進入水源熱泵空調機組冷凝發(fā)器與氟利昂R22制冷劑進行熱交換，通過氟利昂的形態(tài)液化，向礦井水釋放熱量，利用壓縮機做功，再通過蒸發(fā)器中氟利昂與空調系統(tǒng)的循環(huán)水進行熱交換，氟利昂吸收循環(huán)水中的部分熱量，制出7℃的冷媒水，為井口送風設備提供冷量。

2）冬季供暖。與夏季制冷不同的是，當?shù)V井水與氟利昂R22制冷劑進行熱交換時，氟利昂是汽化的狀態(tài)來吸收礦井水中的部分熱量，此后利用壓縮機做功將汽態(tài)氟利昂變?yōu)橐簯B(tài)，釋放熱量后，再通過冷凝器與空調系統(tǒng)的循環(huán)水進行熱交換，制出45℃～50℃的空調熱水，為井口送風設備提供熱量。

3、熱泵技術特點

1）屬再生能源利用技術。水源熱泵是利用地球表面淺層地熱資源（通常為小于100m的地下水）作為冷熱源進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。地表淺層地熱資源又稱地能，該種資源儲量豐富，是一種清潔的可再生資源。

2）環(huán)境效益顯著。與空氣熱泵相比，水源熱泵所排放污染物排相當于減少了40%以上，與電供暖相比，相當于減少30%以上，而且制冷劑比常規(guī)空調裝置減少25%的充注量。熱泵供應熱量過程中不會產生任何污染物，且占用空間小，無需遠距離傳輸從而減少了熱量損耗。

4、技術應用案例分析

以陜西亭南煤礦為例，根據(jù)地下水資源評估報告，該礦礦井水的水溫夏季維持在22℃左右，冬季維持在15℃左右，涌水量為1000m3/h，符合熱泵技術對水源選擇的規(guī)定。該礦采用水源熱泵技術，將礦井水作為水源熱泵機組熱源，供冬季主副井井筒保溫、四季職工洗浴和18層公寓樓夏季制冷。

4.1應用效果

該技術在亭南煤礦應用兩年多來，所取得成效非常顯著。水源熱泵技術所汲取的熱量主要用于以下幾個方面：①18層公寓樓夏季制冷，使室內溫度維持在25℃左右；②井口保溫，保證井口以下的空氣溫度在2℃以上，整個冬季不結冰；③洗浴熱水，每天供應1000人次的洗澡熱水，按60kg/人來算，每天共需60噸45℃的熱水保證，實際也基本滿足。同時，結合亭南煤礦建立瓦斯發(fā)電站，發(fā)電機組循環(huán)冷卻水高溫段360m3/h，溫度達到48℃的特點，將瓦斯發(fā)電循環(huán)冷卻水高溫段的水作為熱源，僅通過板式換熱器后，出水直接用于洗浴。

4.2效益分析

1）經(jīng)濟效益。利用原有礦井水處理站消防水池作熱源池、井口房兩側作立柜式空調機房，節(jié)省土建工程投資300萬元；應用水源熱泵空調系統(tǒng)比應用燃煤鍋爐每年節(jié)約能源費85.6萬元；每年節(jié)約蒸汽鍋爐水處理成本費1.4萬元；每年節(jié)約設備維護費15萬元；每年節(jié)約排污費4萬元，每年節(jié)約人工費10萬元。合計每年取得經(jīng)濟效益416萬元。雖然熱泵整體配套工程初期投資稍多些，亭南煤礦采用BOT合同能源管理模式，有效解決了資金問題。水源熱泵技術具有能量利用率高、環(huán)保等特點，只要完善系統(tǒng)相關技術的配套，就具有很好的推廣應用價值。

2）社會效益。①該技術符合國家資源綜合利用扶持政策及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟模式，保護了煤炭資源；②該技術應用后使礦區(qū)擺脫了燃煤鍋爐供暖，節(jié)約了供暖成本，改善了礦區(qū)環(huán)境；③保證了礦井的提升安全，改善了井下工人的作業(yè)環(huán)境；④設備運行中不存在爆炸、燃燒等安全隱患，有利于安全管理；⑤開辟了礦井水利用的新途徑。

5、結語

水源熱泵技術能通過礦井水熱量交換實現(xiàn)礦井建筑設施的冬季供暖和夏季制冷，基本可保證井口保溫、洗浴熱水、職工公寓空調恒溫等項目的熱量/冷量供應，經(jīng)濟和社會效益顯著，符合國家關于能源發(fā)展和環(huán)境保護的相關精神。水源熱泵技術適應性強，可在煤礦中廣泛推廣應用。

參考文獻

[1]姜子剛，趙旭東.節(jié)能技術（下）[M].北京：中國標準出版社，2010.

[2]王煥忠，王偉，劉善勇.煤炭企業(yè)水源熱泵技術規(guī)模化應用[J].山東煤炭科技，2013（06）.

作者簡介

劉紅麗，出生于1982年5月，女，2004年畢業(yè)于西安工程科技學院機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)在就職于陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司機電科，助理工程師，主要從事環(huán)保節(jié)能技術工作。