可再生能源在礦井中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張群濤

（山東兗礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

楊村煤礦職工浴室每天約2300 人洗浴，日洗浴用水量約500 m3?，F(xiàn)浴室采用外購(gòu)高壓蒸汽直接加熱的方式制取洗浴熱水，存在耗能高、運(yùn)行費(fèi)用高、噪音大且加熱不均勻等現(xiàn)象，亟需新的熱水制備方式加以替代。

1 礦井可利用的清潔能源種類和資源

1.1 空壓機(jī)余熱

楊村礦共設(shè)有3 臺(tái)250 kW 的空壓機(jī)，一用兩備?？諌簷C(jī)運(yùn)行時(shí)，約80%的輸入電能轉(zhuǎn)化成為熱量，通過風(fēng)冷或水冷的方式排放到空氣中。通過對(duì)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)的改造，可以將這部分余熱提取加以利用，余熱提取比例約為輸入電能的60%，提取的余熱量：Q1=250×60%=150 kW，每天可制備48 ℃熱水約80 m3。

1.2 礦井水余熱

礦井每天上井的礦井水量約為5000 m3，生產(chǎn)系統(tǒng)及井下回用約3500 m3，可用于提取熱量的礦井水量約為1500 m3/d，按提取溫差8 ℃計(jì)算，礦井水可提取的熱量為：

熱泵COP 按4.0 計(jì)，礦井水余熱每天可制備48℃熱水約440 m3。

1.3 太陽能

楊村煤礦地處山東西南部，平均年總太陽輻照量為4 895.39 MJ/m2a。根據(jù)直接太陽能系統(tǒng)集熱器面積公式，將1 m3的水從12 ℃加熱至48 ℃所需要的集熱器面積：

式中：qc為水量；C為水比熱，kJ/（kg℃）；tr為熱水溫度，℃；t為冷水溫度，℃；Jt為平均日太陽輻照量，kJ/m2d；f為太陽能保證率；bj為集熱器補(bǔ)償系數(shù)；ηj為集熱器的年平均集熱效率；η1為熱損失率。

浴室和六座宿舍樓的屋頂可用來布置太陽能集熱器，有效使用面積約4300 m2，夏季晴朗天氣下每天可制48 ℃熱水約420 m2。

2 實(shí)施方案[1-6]

2.1 設(shè)計(jì)原則

綜合三種可再生能源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用空壓機(jī)余熱+太陽能+水源熱泵共同制取洗浴熱水。設(shè)計(jì)原則如下：1）太陽能可以正常使用的時(shí)段內(nèi)，太陽能+空壓機(jī)余熱能滿足制備500 t 熱水的要求。2）陰天和冬季太陽能無法使用時(shí)，壓風(fēng)機(jī)余熱和水源熱泵能滿足制備500 t 熱水的要求。3）太陽能和空壓機(jī)余熱均無法使用的極端情況，僅水源熱泵短時(shí)也能滿足制備420 t 熱水的要求。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在礦井空壓機(jī)房設(shè)置空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)，在礦井水處理站建設(shè)礦井水余熱回收子系統(tǒng)，在礦井浴室附近建設(shè)太陽能集熱子系統(tǒng)。

2.2.1 空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)

空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)由熱水循環(huán)系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。運(yùn)行原理：空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，通過油水板換（一級(jí)換熱器）將熱量傳遞至一次水中，再通過二次水水板換（二級(jí)換熱器）將冷水加熱至50 ℃，儲(chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi)。系統(tǒng)原理圖如圖1，主要工藝設(shè)備見表1。

表1 空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)主要工藝設(shè)備表

圖1 空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)原理圖

2.2.2 礦井水余熱回收子系統(tǒng)

礦井水余熱回收系統(tǒng)由水源熱泵、板換、一次和二次側(cè)循環(huán)水泵、儲(chǔ)水箱、補(bǔ)水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)運(yùn)行原理：將礦井水通過板式換熱器換熱產(chǎn)生低溫循環(huán)水送入水源熱泵蒸發(fā)器提取熱量，冷凝器產(chǎn)生高溫循環(huán)水通過板換加熱中間儲(chǔ)熱水箱中的水。系統(tǒng)原理如圖2，主要設(shè)備見表2。

表2 礦井水余熱回收子系統(tǒng)主要工藝設(shè)備表

圖2 礦井水余熱回收子系統(tǒng)原理圖

2.2.3 太陽能子系統(tǒng)

太陽能子系統(tǒng)采用間接集熱系統(tǒng)，在浴室和宿舍樓樓頂布置太陽能集熱管，太陽能集熱機(jī)房布置儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵、板換等設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行原理：太陽能集熱管吸收太陽輻射熱加熱太陽能儲(chǔ)熱水箱中的水至53 ℃，二次側(cè)循環(huán)水泵運(yùn)行通過板式換熱器加熱洗浴水箱內(nèi)的冷水。系統(tǒng)原理圖如圖3，主要工藝設(shè)備見表3。

表3 太陽能子系統(tǒng)主要工藝設(shè)備表

圖3 太陽能子系統(tǒng)原理圖

2.2.4 聯(lián)合運(yùn)行

在礦井水余熱回收站設(shè)一個(gè)120 t 的中間儲(chǔ)熱水箱，在太陽能集熱機(jī)房設(shè)兩個(gè)120 t 的洗浴水箱兼作空壓機(jī)余熱回收和太陽能子系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱。兩處水箱通過管道連接，中間儲(chǔ)熱水箱水溫達(dá)到設(shè)定溫度，自動(dòng)開泵把熱水送至洗浴水箱內(nèi)。

空壓機(jī)余熱回收子系統(tǒng)全天運(yùn)行，太陽能子系統(tǒng)白天運(yùn)行，當(dāng)中間儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水溫低于45 ℃時(shí)，礦井水余熱回收子系統(tǒng)啟動(dòng)制熱，水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，礦井水余熱回收子系統(tǒng)停止運(yùn)行。

3 應(yīng)用效果

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，各子系統(tǒng)需結(jié)合工作特點(diǎn)和天氣、季節(jié)特征確定合理的系統(tǒng)運(yùn)行策略，見表4。

表4 系統(tǒng)運(yùn)行策略分析表

經(jīng)調(diào)試，三個(gè)可再生能源利用子系統(tǒng)均制熱良好，達(dá)到了預(yù)期效果。年運(yùn)行費(fèi)用分析見表5。

表5 系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用分析

4 結(jié)論

可再生能源利用是國(guó)家大力提倡的新興用能方式。礦井采用壓風(fēng)機(jī)余熱+太陽能+水源熱泵聯(lián)合運(yùn)行制取洗浴熱水，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的全年回收利用，年運(yùn)行費(fèi)用為161.64 萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。