雙碳目標(biāo)下礦井水源熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性分析

摘要：水源熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的節(jié)能空調(diào)技術(shù)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。主要討論水源熱泵系統(tǒng)在礦區(qū)應(yīng)用的可行性，介紹以礦井水作為水源熱泵系統(tǒng)的熱源，為礦區(qū)建筑物供暖的原理，并以某寒冷地區(qū)礦區(qū)建筑為例進(jìn)行節(jié)能效果分析。通過(guò)與傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了礦井水源熱泵供熱的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；礦井水；節(jié)能；供暖

中圖分類號(hào)：TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）08-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.064

Economy Analysis of Mine Water Source Heat Pump for Heating in the Context of Carbon Peaking and Carbon Neutrality Targets

CHEN Yanxia1， BAO Qiang2

（1. Gansu Vocational College of Architecture， Lanzhou 730050， China;

2. Gansu Civil Engineering Research Institute， Lanzhou 730020， China）

Abstract： Water source heat pump technology， as a mature energy-saving air conditioning technology， has been widely used in China in recent years. This article mainly discusses the feasibility of applying water source heat pump systems in mining areas， introduces the principle of using mine water as the heat source of water source heat pump systems to provide heating for buildings in mining areas， and analyzes the energy-saving effect of buildings in a cold mining area as an example. By comparing with traditional coal-fired boiler heating schemes， the economic benefits of mine water source heat pump heating have been verified.

Keywords： water source heat pump; mine drainage; energy saving; heating

礦井水中懸浮物、有機(jī)物和離子含量高[1]，處理困難，但礦井水含有大量可利用的低品位熱能，是水源熱泵系統(tǒng)的理想熱源。如果能夠充分利用礦井水的熱能，就可以替代傳統(tǒng)煤炭供暖方式，滿足煤礦企業(yè)和周邊設(shè)施的供暖需求。根據(jù)顧大釗院士團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)每年礦井水產(chǎn)生量將穩(wěn)定在60億m3以上，而2020年礦井水平均利用率僅為35%[2]。排放量大且相對(duì)穩(wěn)定的礦井排水，作為水源熱泵的熱源完全可行[3-4]。

1 水源熱泵系統(tǒng)在礦區(qū)應(yīng)用的可行性

由于水資源的南北差異較大，水源熱泵系統(tǒng)的推廣主要集中在南方水資源較為豐富的地區(qū)，而在北方水資源較為匱乏，不利于水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)，北方地區(qū)的水資源只占全國(guó)的19%[5]，煤炭資源占比卻高達(dá)75%，這些區(qū)域也是我國(guó)采暖季耗熱最為集中的區(qū)域。總體來(lái)看，北方地區(qū)不利于發(fā)展水源熱泵技術(shù)。

目前，煤礦企業(yè)對(duì)礦井水的處理主要包括兩個(gè)方面。一方面，從礦井下抽上來(lái)的水不經(jīng)過(guò)任何處理，就近排放到河流、湖泊等，不僅大面積污染地表水系，而且浪費(fèi)大量的地下水資源。隨著我國(guó)政策法規(guī)的不斷完善，這種情況已經(jīng)逐步得到遏制。另一方面，從礦井下抽上來(lái)的水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，用于工業(yè)生產(chǎn)和市政綠化。通常情況下，礦井水經(jīng)過(guò)處理，一部分直接用于工廠生產(chǎn)，包括煤礦自用或者周邊廠區(qū)工業(yè)用水；另一部分經(jīng)過(guò)凈化后，用于礦區(qū)及周邊區(qū)域的綠化等。

目前，我國(guó)的礦井水資源利用仍有很大潛力，礦井水源熱泵系統(tǒng)通過(guò)間接換熱的方式提取其中的低品位熱能，不影響礦井水的再利用，在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)下，是一項(xiàng)推廣價(jià)值很高的技術(shù)。

2 礦井水源熱泵的工作原理

礦井水溫度較為恒定的特點(diǎn)使其成為水源熱泵系統(tǒng)最合適的冷熱源。礦井水雜質(zhì)和污染物多，直接與水源熱壓縮機(jī)系統(tǒng)換熱會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效果快速衰退，造成維護(hù)費(fèi)用過(guò)高，因此在利用礦井水時(shí)，需要采用增加中間換熱器的間接接觸式水源熱泵系統(tǒng)，或者采用對(duì)礦井水進(jìn)行處理后直接送入機(jī)組的直接接觸式水源熱泵系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)形式的能源利用形式相同，冬季從礦井水中提取低品位熱能，獲得高溫?zé)崴?；夏季從辦公場(chǎng)所或采礦工作面吸收熱量，并向礦井水中放熱，從而提供生產(chǎn)或生活所需熱量或冷量。

直接接觸式水源熱泵系統(tǒng)，是將經(jīng)過(guò)濾和化學(xué)處理后水質(zhì)達(dá)標(biāo)的礦井水直接送入熱泵機(jī)組內(nèi)部的熱交換器中進(jìn)行熱交換。該系統(tǒng)的制冷劑與礦井水之間的傳熱溫差大，性能系數(shù)較大，產(chǎn)生相同的能量時(shí)的運(yùn)行功耗小，節(jié)能效果更好。但是，處理后礦井水的水質(zhì)仍然較差，換熱器易發(fā)生結(jié)垢、堵塞等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)換熱器材料的性能要求高，運(yùn)行過(guò)程中需要定期清洗除垢。直接接觸式水源熱泵系統(tǒng)的原理如圖1所示。

間接接觸式水源熱泵系統(tǒng)免去了水處理的環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中增加一套中間換熱裝置，裝置中的循環(huán)介質(zhì)與礦井水進(jìn)行間接熱交換后再與熱泵系統(tǒng)進(jìn)行換熱，運(yùn)行過(guò)程中礦井水不與熱泵系統(tǒng)直接接觸，不會(huì)對(duì)熱泵機(jī)組造成破壞，因此系統(tǒng)的維護(hù)較為簡(jiǎn)單。但是，該系統(tǒng)增加了設(shè)備，造價(jià)比直接接觸式系統(tǒng)高，且制冷劑與換熱介質(zhì)的溫差小于直接接觸式的系統(tǒng)形式，其制冷系數(shù)也低于直接接觸式系統(tǒng)，運(yùn)行費(fèi)用高。間接接觸式系統(tǒng)的原理如圖2所示。

3 礦井水源熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 項(xiàng)目基本情況

由于目前煤炭企業(yè)供熱均為燃煤鍋爐供熱，鍋爐年燃料用量統(tǒng)計(jì)不足，針對(duì)特定的項(xiàng)目進(jìn)行能耗分析意義不大。因此，以某寒冷地區(qū)礦區(qū)建筑為例進(jìn)行節(jié)能效果分析。

該地區(qū)冬季采暖時(shí)長(zhǎng)為120 d，冬季采暖室外計(jì)算溫度為-9 ℃。建筑占地面積為1 667 m2，共6層，層高為3 m，建筑面積為10 000 m2。選用礦區(qū)典型建筑的參數(shù)進(jìn)行研究分析，體型系數(shù)取0.4，窗墻比取0.3。建筑外墻為厚度為370 mm 的燒結(jié)黏土磚，墻體內(nèi)外均為厚度為35 mm的水泥砂漿抹面層，傳熱系數(shù)為1.45 W/（m2·K）；建筑外窗采用推拉式雙層玻璃窗，窗的傳熱系數(shù)為3.6 W/（m2·K），氣密性等級(jí)為1級(jí)甚至更低，每小時(shí)換氣次數(shù)取0.8次。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.8 W/（m2·K），其構(gòu)造自下向上依次為厚度為20 mm的水泥砂漿內(nèi)抹灰、厚度為120 mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層、厚度為20 mm的水泥砂漿找平層、厚度為4 mm的改性瀝青防水卷材、平均厚度為60 mm的水泥焦砟找坡層。計(jì)算地面耗熱量時(shí)，建筑地面面積按建筑占地面積計(jì)算，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按平均值0.52 W/（m2·K）計(jì)算。

3.2 能耗計(jì)算

建筑體積為30 000 m3，建筑表面積為12 000 m2，去除建筑屋面面積后，建筑外墻面積（含窗）為10 333 m2。根據(jù)窗強(qiáng)面積比為0.3，確定建筑外窗面積為3 100 m2，建筑外墻面積為7 233 m2。計(jì)算得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量如表1所示。經(jīng)計(jì)算，總耗熱量為676 844.7 W。

計(jì)算得到冷風(fēng)滲透耗熱量如表2所示。計(jì)算得到建筑總耗熱量（Q）為923.8 kW。

3.3 采用燃煤鍋爐耗能

在理論分析過(guò)程中，根據(jù)燃煤鍋爐的供熱量和鍋爐效率，可以采用式（1）計(jì)算燃煤鍋爐的燃煤消耗量。

（1）

式中：Egl為鍋爐燃煤量，t；η為負(fù)荷季節(jié)調(diào)整系數(shù)，取0.6；h1為燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)間；hm為燃煤低位發(fā)熱量，kJ/kg；η1為鍋爐熱效率，取65%[6]。

標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值（hm）為29 307.6 kJ/kg，采用式（1）計(jì)算燃煤鍋爐供熱耗煤量，結(jié)果為301.7 t。

3.4 改造為礦井水水源熱泵后的耗能

水源熱泵機(jī)組的耗電量計(jì)算如式（2）所示。

（2）

式中：Erb為水源熱泵機(jī)組耗電量，kW·h；ηc為水源熱泵機(jī)組能效比；h2為水源熱泵運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)不同的負(fù)荷情況，可以自由搭配不同型號(hào)的水源熱泵機(jī)組，當(dāng)?shù)V井水源的溫度為15 ℃時(shí)，水源熱泵供熱ηc可達(dá)到5.0以上。供暖負(fù)荷為5 000 kW時(shí)，采用水源熱泵機(jī)組消耗電量為31.9萬(wàn)kW·h。電的折標(biāo)煤系數(shù)為0.122 9，考慮煤炭發(fā)電的實(shí)際效率等因素，按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，每度電的耗煤量為0.404 kg。因此，系統(tǒng)耗電量折算為129 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

水源熱泵機(jī)組采用全智能化自動(dòng)控制，根據(jù)設(shè)定參數(shù)及系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋的負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和工作頻率，因此水源熱泵機(jī)組的能耗較低。

3.5 采用礦井水水源熱泵的節(jié)能效果

采用礦井水水源熱泵系統(tǒng)后，模型建筑的采暖能耗由301.7 t標(biāo)準(zhǔn)煤降低為129 t標(biāo)準(zhǔn)煤，年節(jié)約量為172.7 t標(biāo)準(zhǔn)煤。采用礦井水水源熱泵系統(tǒng)替代燃煤鍋爐后，系統(tǒng)節(jié)能率為57.2%。按2024年煤炭?jī)r(jià)格1 100元/t計(jì)算，每年可節(jié)約采暖費(fèi)用19萬(wàn)元。

4 結(jié)論

礦井水源熱泵充分利用礦井水的低品位熱能，對(duì)于寒冷地區(qū)的礦區(qū)建筑，采用礦井水源熱泵系統(tǒng)替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。經(jīng)分析，系統(tǒng)節(jié)能率高達(dá)57.2%，10 000 m2建筑面積年節(jié)約量為172.7 t標(biāo)準(zhǔn)煤，年節(jié)約采暖費(fèi)用19萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)的應(yīng)用符合生態(tài)發(fā)展的政策要求，是實(shí)現(xiàn)綠色礦區(qū)的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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