空氣能配合太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用分析

陳文波

（山西高平科興平泉煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

平泉煤業(yè)有限公司針對(duì)公司現(xiàn)有燃煤、燃?xì)忮仩t運(yùn)行成本進(jìn)行核算對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)使用成本費(fèi)用較大，能源消耗嚴(yán)重，且人員操作使用上存在很大安全隱患，如何能利用現(xiàn)有資源，在保證安全的原則上，來(lái)降低成本，成為了高平科興平泉煤業(yè)一直研究的重點(diǎn)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，人們開(kāi)發(fā)出了空氣能配合太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)裝置來(lái)代替鍋爐，把空氣能應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，實(shí)現(xiàn)了綠色安全、低碳、環(huán)保。根據(jù)企業(yè)24h三班倒工作制特點(diǎn)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)制取一班員工足量的洗浴熱水，確保工人下班后洗個(gè)熱水澡，輕松舒適休息。

1 高平科興平泉煤業(yè)采暖洗浴系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題

高平科興平泉煤業(yè)2017年清潔能源改造中，煤改氣就占據(jù)了較大比例。突進(jìn)的“煤改氣”工程導(dǎo)致了天然氣荒、氣源緊張、基礎(chǔ)設(shè)施不完善等一系列問(wèn)題，這使得高平科興平泉煤業(yè)采暖洗浴得不到及時(shí)保障，天然氣的超常增長(zhǎng)打破了供需平衡，使天然氣價(jià)格上漲，后期燃?xì)赓M(fèi)用較高，負(fù)擔(dān)大。政策的限制、未統(tǒng)籌的天然氣總量、未規(guī)劃各地天然氣分配導(dǎo)致了在落實(shí)“宜電則電、宜氣則氣”政策時(shí)，不夠科學(xué)，不夠精準(zhǔn)。主要問(wèn)題如下：

（1）天然氣屬于化石能源，非可持續(xù)再生能源，天然氣的燃燒會(huì)產(chǎn)生氮氧化合物的排放，大量使用會(huì)導(dǎo)致霧霾治理達(dá)不到預(yù)期的效果。

（2）天然氣資源相對(duì)短缺，不能及時(shí)保證供暖需求。

（3）天然氣在使用過(guò)程中，人員操作存在安全隱患，容易造成燃?xì)庑孤⒈ǖ取?/p>

2 具體設(shè)計(jì)思路

高平科興平泉煤業(yè)春、夏、秋利用太陽(yáng)能來(lái)制造熱水滿(mǎn)足職工洗浴，冬季可利用空氣能制造熱水來(lái)滿(mǎn)足職工洗浴。在實(shí)際設(shè)計(jì)作業(yè)中，主要本著下列思路進(jìn)行：

（1）應(yīng)本著在盡量少占用永久性建筑空間的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、安全環(huán)保，進(jìn)行自動(dòng)化、智能化控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

（2）充分發(fā)揮空氣能配合太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，最大程度降低運(yùn)行費(fèi)用，保證終端使用到恒溫舒適的清潔熱水。

（3）可在建筑物頂層或相關(guān)室外平臺(tái)來(lái)安放熱泵熱水機(jī)組，省去設(shè)備專(zhuān)用鍋爐房，這樣可使設(shè)備結(jié)構(gòu)完全達(dá)到水電分離，更好地保障安全生產(chǎn)。

3 空氣能熱水泵工作原理

對(duì)于空氣能熱水泵而言，其主要以空氣加電這種清潔可再生原料為能源基礎(chǔ)，這樣不僅不會(huì)產(chǎn)生危害人體健康的氣體，而且有助于緩解溫室效應(yīng)及大氣污染。

熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理，熱泵所起的作用主要為從其四周環(huán)境中吸取空氣能、地?zé)嵋约疤?yáng)能等熱量，并把吸取的這些熱量順利傳至待加熱對(duì)象。圖1為熱泵實(shí)際工作原理示意圖。

圖1 熱泵工作原理示意圖

熱泵工作過(guò)程中，會(huì)借助蒸發(fā)器來(lái)吸收環(huán)境介質(zhì)中貯存的各種能量QA；同時(shí)熱泵自身工作也會(huì)消耗部分能量，在這些消耗的能量中有一些能量轉(zhuǎn)化為熱能QB；當(dāng)熱泵進(jìn)行循環(huán)作業(yè)時(shí)，釋放在冷凝器中的能量QC為QA與QB之和，對(duì)此，可知熱泵輸出的能量不僅包括機(jī)組做功產(chǎn)生的熱能QB，而且還包括熱泵在環(huán)境中實(shí)際吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術(shù)可起到大幅節(jié)約電能的效果。圖2為熱泵的實(shí)際節(jié)能原理圖。

圖2 熱泵實(shí)際節(jié)能原理圖

如TFS-SKR840（S）機(jī)組，在熱泵系統(tǒng)實(shí)際輸入功率為8.25kW，熱泵四周環(huán)境溫度20℃左右的情況下，實(shí)際輸出的制熱功率可達(dá)到36kW左右，表明熱泵在工作過(guò)程中有很多熱能都是從四周環(huán)境中吸收的，這部分熱能都為免費(fèi)熱能。在此過(guò)程中，系統(tǒng)僅僅只消耗了8.25kW的電能，卻等同于采用傳統(tǒng)加熱方式36kW/0.95=38kW的輸入功率熱水器實(shí)際完成的工作，這樣以來(lái)，系統(tǒng)的能效系數(shù)則為COP=36/8.25=436%，能效效果較好。

4 設(shè)備選型計(jì)算

根據(jù)平泉煤業(yè)實(shí)際洗浴情況：設(shè)計(jì)淋浴用熱水40m3/d，設(shè)計(jì)蓄熱水箱容量30t+10t，利用太陽(yáng)能制取淋浴用熱水20m3，淋浴每天熱水總量40t，按照春夏秋設(shè)計(jì)，生活熱水設(shè)計(jì)溫度50℃，自來(lái)水溫度：冬季8℃，春秋10℃，夏季15℃，熱泵工作時(shí)間12～20h，冬季室外計(jì)算溫度-15℃。

4.1 熱水熱負(fù)荷

若自來(lái)水溫度按照10℃計(jì)算，熱水按照50℃，則可用下式來(lái)計(jì)算每天的實(shí)際熱水熱負(fù)荷情況：

式中：

Q-實(shí)際熱負(fù)荷量，kW·h；

V-熱水量，L；

c-水的比熱，可取為1kcal/(L·℃)；

tr-熱水溫度，℃；

tl-冷水溫度，也就是普通的自來(lái)水溫度，℃。

4.2 機(jī)組選型，臺(tái)數(shù)的計(jì)算

選用空氣源熱泵熱水機(jī)組DKS-1800-(S)D，該機(jī)組在名義工況下，可制得78kW的熱量。若讓該機(jī)組在名義工況下連續(xù)工作10h（機(jī)組每天實(shí)際工作時(shí)間應(yīng)小于等于20h），則應(yīng)需要的機(jī)組數(shù)量為：

式中：

N-機(jī)組數(shù)量，單位為臺(tái)；

Q-熱負(fù)荷量，kW·h；

T-名義工況下機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，h；

W-名義工況下，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)際制熱量，kW。

4.3 工作時(shí)間的校訂

式中：

Ts-名義工況下機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，h；

Q-熱負(fù)荷量，kW·h；

N-機(jī)組數(shù)量，臺(tái)；

W-名義工況下機(jī)組實(shí)際制熱量，kW。

用3臺(tái)DKS-1800-(S)D空氣源熱泵熱水機(jī)組，完全可滿(mǎn)足使用熱水的要求。

5 加熱系統(tǒng)配置說(shuō)明

圖3 加熱系統(tǒng)水路示意圖

該系統(tǒng)采用機(jī)組直接對(duì)蓄熱水箱循環(huán)加熱的方式進(jìn)行加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后機(jī)組停止運(yùn)行。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的高低水位繼電器配合溫控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定溫定量補(bǔ)水（見(jiàn)圖3）。在水箱底部溫度比50℃高時(shí)（此溫度可調(diào)節(jié)），也就是在水箱液位系統(tǒng)存在較大的存水空間的情況下,自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水泵，開(kāi)始進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)；當(dāng)水箱底部溫度比45℃低時(shí)，補(bǔ)水泵停止工作，不再進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，以確保供水系統(tǒng)水溫始終恒定，保證24h全天候、多點(diǎn)、同時(shí)即開(kāi)即用。

6 結(jié)語(yǔ)

改造后的熱水系統(tǒng)，不僅能節(jié)約大量電能，而且能實(shí)時(shí)提供更充足的熱水，在為企業(yè)降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，能更好地保障職工的安全舒適洗浴，此項(xiàng)設(shè)計(jì)值得推廣與應(yīng)用。