排風流能量品位提升循環(huán)與熱回收系統(tǒng)運行優(yōu)化

鐘發(fā)清，張藝才，陳世強，蔣加川，吳 朋

（1.廣西人防工程設(shè)計咨詢有限公司，廣西 南寧 530000；2.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411100；3.中建三局集團有限公司 一公司，湖北 武漢 430000；4.桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林 541004）

為保障采礦生產(chǎn)的安全進行，礦井通風是必要的技術(shù)措施[1-2]。在井工開采中，通過進風井，將地面空氣輸送至井下，稀釋瓦斯和煤塵、帶走余熱與余濕而轉(zhuǎn)變?yōu)槲埏L，污風流經(jīng)回風井排出至地面，排風流通常可達200～400 m3/s。由于在井下吸收了熱能等，排風流溫度常年保持在20 ℃左右，相對濕度90%左右[3-5]。為了提取熱濕能量，提出了噴淋式礦井排風熱回收系統(tǒng)（簡稱“熱回收系統(tǒng)”），通過噴淋霧化水而提取排風流的低品位能量，進而利用熱泵循環(huán)而提升提取后的熱濕能量品位，用于建筑供暖和井筒防凍等[6-11]。借助空氣熱泵作為提取后礦井排風流熱濕能量的品位提升裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。Bi 等[13-15]基于有限時間熱力學，建立了不可逆布雷頓循環(huán)模型，導出了供熱率、供熱系數(shù)、效率與循環(huán)內(nèi)各種不可逆參數(shù)間的函數(shù)解析式，并將不同目標的優(yōu)化結(jié)果進行綜合比較，得到了不同優(yōu)化目標下的性能系數(shù)；張翼等[16-18]以利潤率作為目標函數(shù)，導出了利潤率的函數(shù)解析式，優(yōu)化了壓比、導熱率、熱容率的關(guān)系，并量化了其他重要參數(shù)對經(jīng)濟的影響。上述研究能指導空氣熱泵循環(huán)內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化，但是，尚未界定出循環(huán)外因素對空氣熱泵循環(huán)的影響。實際上，由于不同緯度、不同氣候地區(qū)的環(huán)境溫度差異，如何量化環(huán)境溫度對排風流熱濕能量提取與利用中空氣熱泵循環(huán)的影響，屬于亟待解決的前沿問題。

為此，基于有限時間熱力學，圍繞噴淋式礦井排風流熱濕能量品位提升中所涉及的空氣熱泵熱力循環(huán)及其優(yōu)化問題，以利潤率為目標函數(shù)，推導環(huán)境溫度為自變量的函數(shù)解析式；利用該式，導入國內(nèi)各氣候帶典型城市氣象數(shù)據(jù)，數(shù)值計算，對比典型城市的逐時、逐日和總利潤率，為熱回收系統(tǒng)安設(shè)預(yù)評價提供新的經(jīng)濟技術(shù)方法。

1 不可逆變溫熱源循環(huán)與無量綱利潤率

1.1 不可逆變溫熱源空氣熱泵循環(huán)

在提升排風流能量品位的布雷頓熱力學循環(huán)中（簡稱空氣熱泵循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)為無毒環(huán)保的空氣），對于噴淋循環(huán)端而言，吸收了排風熱濕能量的噴淋循環(huán)水，從集水池進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，將能量傳遞給循環(huán)工質(zhì)，放熱后的噴淋循環(huán)水，從蒸發(fā)器流出而泵入噴嘴管組，最終，流經(jīng)噴嘴而再次噴淋霧化，實現(xiàn)了噴淋水循環(huán)；在用戶端，用戶端循環(huán)水進入冷凝器，從循環(huán)工質(zhì)吸取熱量，升溫后的用戶端循環(huán)水經(jīng)二次處理而輸配至礦區(qū)各處，用于井筒防凍、洗浴熱水和礦區(qū)供熱等。借助空氣熱泵循環(huán)，提取溫度較低的噴淋循環(huán)水熱量，提高用戶端循環(huán)水溫度，提升了熱回收系統(tǒng)的能量品位。

實際上，上述空氣熱泵循環(huán)，尚有以下非理想約束條件：

1）熱源溫度非恒定。噴淋循環(huán)水作為低溫熱源放熱給工質(zhì)后，溫度從Tc，0降低至Tc，1；高溫熱源的用戶端循環(huán)水，從工質(zhì)中吸熱后，溫度從Tu，0提升至Tu，1。表明循環(huán)過程中熱源溫度發(fā)生改變，屬于變溫熱源循環(huán)[19]。

2）循環(huán)過程不可逆。用于熱回收系統(tǒng)能量品位提升的空氣熱泵循環(huán)，存在不可逆損失，主要有壓縮機和膨脹機的不可逆損失[20]。

基于上述約束條件，針對不可逆變溫熱源空氣熱泵循環(huán)構(gòu)建不可逆變溫熱源空氣熱泵循環(huán)模型。

1.2 熱泵循環(huán)利潤率

在周圍環(huán)境下，任一形式的能量中能夠最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠?，稱為。

式中：Eout為熱泵的輸出率，kW；P 為壓縮機的輸入功率，kW；ψout為熱泵的輸出率價格；ψin為熱泵的輸入功率價格。

式中：?u為空氣熱泵的供熱流率，kW；?c為空氣熱泵的吸熱流率，kW；T0為環(huán)境溫度，K；Sg為循環(huán)的熵產(chǎn)率，kW/K。

式中：Wc為噴淋循環(huán)水的熱容率，kW/K；Wu為用戶端循環(huán)水的熱容率，kW/K；Tu，0為用戶端循環(huán)水的進水溫度，K；Tu，1為用戶端循環(huán)水的出水溫度，K；Tc，0為噴淋循環(huán)水的進水溫度，K；Tc，1為噴淋循環(huán)水的出水溫度，K。

1.3 用于利潤率的熱流率

根據(jù)工程熱力學基礎(chǔ)理論，空氣熱泵的吸熱流率和供熱流率計算式為：

式中：Wf為工質(zhì)的熱容率，kW/K；T4為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的進口溫度，K；T1為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的出口溫度，K；T2為工質(zhì)在冷凝器中的進口溫度，K；T3為工質(zhì)在冷凝器中的出口溫度，K。

實踐中，基于換熱器效率與理論最大換熱流率之積而得出熱流率，即：

式中：ηc為蒸發(fā)換熱器效率；ηu為冷凝換熱器效率；?c,max為理論最大吸熱流率，kW；?u,max為理論最大供熱流率，kW；min｛｝為最小值函數(shù)，指區(qū)間｛｝內(nèi)的最小值。為簡化計算式，分別將min｛Wf，Wc｝和min｛Wf，Wu｝記為Wc，min和Wu，min。

顯然，換熱器效率的取值與流體熱容率、換熱系數(shù)以及換熱面積有關(guān)[21]。

1.4 內(nèi)不可逆因子與無量綱利潤率

考慮到空氣熱泵循環(huán)內(nèi)的不可逆性，用壓縮機效率ζc和膨脹機效率ζe表征，具體為：

式中：T2s為工質(zhì)在冷凝器中的理論進口溫度，K；T4s為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的理論進口溫度，K。

進一步，根據(jù)空氣壓縮式熱泵循環(huán)的特性，得到壓縮機壓比的計算式：

式中：x 為壓縮機內(nèi)工質(zhì)的等熵溫比；ε 為壓縮機的壓比；k 為工質(zhì)的絕熱指數(shù)，通常取1.4。

式中：Mdim為無因次利潤率；Y 為熱泵的輸入功率價格ψin和輸出率價格ψout之比，即Y=ψin/ψout；Wc，min為工質(zhì)熱容率Wf和噴淋循環(huán)水熱容率Wc中的較小值，即Wc，min=min｛Wf，Wc｝，kW/K；Wu，min為工質(zhì)熱容率Wf和用戶端循環(huán)水熱容率Wu中的較小值，即Wu，min＝min｛Wf，Wu｝，kW/K。

通過式（13）可知，吸熱流率還與熱泵內(nèi)循環(huán)工況（工質(zhì)熱容率Wf、壓縮機壓比ε、壓縮機效率ζc和膨脹機效率ζe）、空氣-水循環(huán)末端參數(shù)（噴淋循環(huán)水熱容率Wc和進水溫度Tc，0）、用戶端參數(shù)（用戶端循環(huán)水熱容率Wu和進水溫度Tu，0）以及價格比Y 有關(guān)。

其中，文獻［23］結(jié)合了多個目標函數(shù)，得出當內(nèi)循環(huán)參數(shù)Wf＝0.9 kW/K，ε=5，ζc=ζe=0.8 時，各目標函數(shù)均能達到較優(yōu)范圍；而文獻［24］在此基礎(chǔ)上，求得了空氣-水循環(huán)末端參數(shù)Wc=9.24 kg/s，Tc，0=296 K 時，綜合性能系數(shù)達到最大值。

鑒于此，在給定空氣熱泵循環(huán)內(nèi)部、用戶端以及空氣-水循環(huán)末端參數(shù)的基礎(chǔ)上，著重討論環(huán)境溫度對無量綱利潤率的影響。

2 氣候帶環(huán)境溫度與無量綱利潤率

2.1 最不利月無量綱利潤率的逐日變化

為了探究熱回收系統(tǒng)在國內(nèi)各地的運行收益，選取?？?、畢節(jié)、淮南、大同、烏魯木齊以及雞西作為國內(nèi)各氣候帶的特征城市，各城市月平均溫度見表1。

表1 各氣候特征城市月平均溫度Table 1 Monthly average temperature of cities with different climatic characteristics

由表1 可知，各城市平均溫度最低月均為1 月，此時用熱需求為全年最高，故將1 月作為最不利供給月著重分析。依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)集，將最不利供給月1 月的日均氣溫代入式（13），得到的各城市1月份的無因次利潤率Mdim變化情況如圖1。

圖1 1 月逐日無因次利潤率與典型城市對比Fig.1 Daily dimensionless exergic profit rates in January

由圖1 可知：在?？?，熱回收系統(tǒng)整月產(chǎn)生的經(jīng)濟收益均為負，由此可見，以?？跒榇淼牡途暥葻釒Ъ撅L氣候帶地區(qū)不適合使用該系統(tǒng)；而在雞西、烏魯木齊和大同，整月產(chǎn)生的經(jīng)濟收益均為正。因此，雞西和大同為代表的中高緯度寒溫帶季風氣候帶城市，烏魯木齊為代表的溫帶大陸性氣候帶城市，為該系統(tǒng)適用的首選；至于中緯度的亞熱帶季風氣候帶，如畢節(jié)和淮南，熱回收系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的收益正負波動。因此，該帶下的城市，應(yīng)該控制啟停時機，避免持續(xù)運行而產(chǎn)生虧損。

2.2 最不利日無量綱利潤率的逐時變化

隨著晝夜更替，1 d 內(nèi)的環(huán)境溫度也存在差異，尤其是，以烏魯木齊為代表的溫帶大陸性氣候帶，晝夜溫差可達20 ℃，此時熱回收系統(tǒng)的利潤率也會有較大的波動。

圖2 逐時無因次利潤率與典型城市對比Fig.2 Dimensionless exergic profit rates of time-by-time

那么，針對熱回收系統(tǒng)，應(yīng)當如何啟停，亟待明確控制方法。

3 啟?？刂茦O化無量綱 利潤率

3.1 啟停控制流程與總利潤率

圖3 控制子系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of control subsystem

根據(jù)上述原理，選取中國氣象數(shù)據(jù)集中的氣象參數(shù)作為溫度傳感器所測得的環(huán)境溫度，分別代入式（13），將所得的實時無因次利潤率相加，作為有限時間段內(nèi)的利潤總量方法如下。

若使用控制子系統(tǒng)，則熱回收系統(tǒng)會在Mdim，i>0的情況下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)的利潤率總量M2約為大于0 的實時無因次利潤率Mdim，i之和，即：

利用式（14）～式（16），可以計算出不同氣候帶典型城市的利潤率增量。

3.2 總利潤率極大化與氣候帶適應(yīng)性

圍繞3 個氣候帶下5 個典型城市的熱回收系統(tǒng)“常開模式”和“實時模式”，利用式（14）～式（16），不妨選取圖3 中數(shù)據(jù)傳輸間隔為1 h，逐時計算供暖季中（10—12 月、1—3 月）的利潤率總量及其增量，各氣候特征城市年度利潤率總量及其增量如圖4。

圖4 各氣候特征城市年度利潤率總量及其增量Fig.4 The addition and total profit rates by each city in one year

由圖4 可以看出，各氣候特征城市“實時模式”下系統(tǒng)產(chǎn)生的利潤率均高于“常開模式”。表明使用控制子系統(tǒng)，能顯著提高系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的利潤率；溫帶大陸性氣候地區(qū)系統(tǒng)可啟用“常開模式”。在各氣候帶地區(qū)，熱回收系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的利潤率總量，有明顯差異；其中，在溫帶大陸性氣候區(qū)域，系統(tǒng)利潤率總量最高，其次為溫帶季風性氣候區(qū)域，最低的是亞熱帶季風性氣候區(qū)域，并且，亞熱帶季風性氣候區(qū)域在“常開模式”下會引起負收益；“實時模式”能夠?qū)崿F(xiàn)亞熱帶季風性氣候地區(qū)的利潤率增量極大化。在“實時模式”下，熱回收系統(tǒng)運行產(chǎn)生的利潤率增量，各氣候特征城市數(shù)值有所不同；其中，通過控制子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，“常開模式”下利潤率增量越低的城市，實施調(diào)節(jié)后的利潤率增量，反而更高，最顯著的是，運行于亞熱帶季風性氣候地區(qū)的啟?？刂普{(diào)節(jié)下礦井排風流熱回收系統(tǒng)，例如，安徽淮南從-0.33 提高至0.02，增量達到0.35。

4 結(jié) 語

針對礦井排風流熱回收系統(tǒng)的熱工收益問題，應(yīng)用不可逆非恒溫熱源空氣熱泵循環(huán)與有限時間經(jīng)濟方法，推導出系統(tǒng)利潤率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系式，數(shù)值計算而得出，隨著環(huán)境溫度的增大，無因次利潤率減少，環(huán)境溫度與利潤率呈線性關(guān)系；熱回收系統(tǒng)的適用地域，具有氣候分區(qū)特征，特別適宜于溫帶大陸性氣候區(qū)；提出一種用于礦井排風熱回收系統(tǒng)的啟?？刂屏鞒碳捌渌惴ǎ乖撓到y(tǒng)能適用于亞熱帶季風氣候地區(qū)。