水源热泵技术在煤矿中的应用.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 随着国家节能减排的推进，各行业对环境保护指 标的要求越来越高，全国各地的燃煤锅炉房受到了限 制，煤矿行业也不例外。为了在满足环保政策要求的 同时使经济效益最大化，煤矿企业引入了一系列的节 能设施来进行煤矿工作场所的制冷和供热，其中，水 源热泵技术在煤矿行业中应用的巨大优势使其成为了 代表性技术，这主要在于矿井水是一个良好的热源， 而且容易获得。矿井水冬暖夏凉，可以通过与其进行 热交换来供热和制冷[1-2]。因此，采用水源热泵技术来 替代煤矿的传统燃煤锅炉房是一种理想的方式，有助 于实现煤矿的节能减排，使环保指标达标。本文分析 了传统燃煤锅炉房供热的缺陷，探讨了水源热泵技术 的工作原理及其优势，并展望了其未来的发展趋势。 下面，将围绕着这些内容展开论述。 1传统煤矿锅炉供暖存在的问题 煤矿开设锅炉房的原因是a 燃煤锅炉房所需的 煤炭可就地取材且价格相对廉价；b 煤矿能源消耗量 较大，可实现统一集中供暖供热。 煤矿锅炉房对煤矿生产有重要的作用，但是，这 种供热方式存在一些问题，主要表现在以下几个方面 a 近年来，环保政策逐渐严格，按照 山西省打赢蓝 天保卫战 2020 年决战计划 的相关要求，笔者工作所 在地山西省忻州市需要全域淘汰 10 蒸吨 /h及以下燃煤 锅炉，即使允许保留燃煤锅炉，排放标准也大幅提高， 很难达到环保标准；b 现在大型煤矿井田面积大，楼 堂馆舍多，供暖区域较多，供暖面积较大，如果受地理 条件限制造成楼宇、车间等无法集中，将导致供暖线路 延长，势必会造成沿途热量损耗大，难以实现热量均衡 供应，不利于节能，也会造成生产生活的条件不适； c 锅炉房的供热只能在冬季应用，春夏秋三季锅炉房 只用来提供洗浴用的热水，资源利用率低，存在严重的 热量富余问题，导致煤炭资源被大量浪费。 2水源热泵技术的工作原理以及优势 煤矿采用的水源热泵技术主要是通过矿井水与建 筑物之间进行热交换来实现制冷和供热的。在实际工 作过程中，这项技术是通过水泵给水加压来促进其循 环的。这项技术通过少量的电能就可以实现将矿井水 的热能变成高温热能，不仅冬天可以为煤矿建筑物供 热，夏天还能对建筑物制冷。在水源热泵运行的过程 中，利用煤矿矿井水实现对地热资源的充分利用，而且 不会产生其他有害物质，十分环保。此外，该技术采用 了无压力部件，在使用过程中不存在爆炸和中毒的安全 隐患，而传统的锅炉房不能避免这种安全隐患。 水源热泵技术的工作原理与普通的空调机类似，都 是一种逆卡诺循环原理。夏天，将室内的热量搬出到室 外；冬天，将额外的热量搬进室内。制热时，水源热泵 系统主要包括蒸发器、冷凝器、压缩器和膨胀节流阀 等。能量转化主要有 3 个过程[3]，即a 通过热泵机组 收稿日期2020-04-29 作者简介王亚斌，1989年生，男，山西忻州人，2012年毕业于太 原工业学院机械设计制造及其自动化专业，助理工程师。 水源热泵技术在煤矿中的应用 王亚斌 （ 山西煤炭运销集团忻州有限公司，山西 忻州 034000 ） 摘要 随着国家节能减排的推进，很多煤矿企业采用了水源热泵技术来改造煤矿锅炉。水源热泵技术是一种节能环 保的制冷和供热技术，也是国家可再生能源推广的重点技术之一。简要介绍了传统的燃煤锅炉房供热缺陷，分析了水源 热泵的技术优势，并展望了水源热泵技术的发展前景，以期为煤矿企业供热节能改造提供一定的参考。 关键词 节能减排；水源热泵；煤矿 中图分类号 TU833文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0060-02 Application of Water Source Heat Pump Technology in Coal Mines WANG Yabin Xinzhou Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Xinzhou 034000, Shanxi, China Abstract With the promotion of national energy conservation and emission reduction, many coal mining enterprises use water source heat pump technology to trans coal mine boilers. Water source heat pump technology is a kind of energy-saving and environmental protection refrigeration and heating technology, and also one of the key technologies of renewable energy promotion in China. This paper briefly introduced the shortcomings of traditional coal-fired boiler room heating, analyzed the technical ad- vantages of water source heat pump, and looked forward to the development prospect of water source heat pump technology, in order to provide some reference for the energy-saving transation of coal mine enterprises. Key words energy conservation and emission reduction; water source heat pump; coal mine （总第 179 期） 节能减排 60 2020 年第 8 期2020 年 8 月 回收水源中的热量，主要是与蒸发器中温度更低的热 泵介质进行交换；b 将回收的热量通过压缩转化到冷 凝器中，热泵介质遇热后会蒸发成低压气体压入压缩 机内部；c 将冷凝器中的热量传递给用户端，主要是 机组内的高温、高压热泵介质会回流到冷凝器冷凝， 这个过程会释放热量，从而达到供暖的目的。水源热 泵的工作原理如图1 所示。 图 1水源热泵的工作原理 3煤矿水源热泵改造经济效益分析 传统的煤矿锅炉供暖范围主要包括工业广场地面 建筑 （ 办公楼、职工宿舍以及食堂等）、井筒、澡堂， 对其进行改造后，主要由水源热泵系统进行供热。随 着煤矿开采深度的增加，矿井水的温度也在升高，这 更有利于水源热泵工作。矿井水源热泵技术是以少量 的电能为代价，高效率回收矿井水中的低温热能。一 般情况下，水源热泵机组的能效比可达到 4 以上，即 每消耗 1 kW h 电就能得到 4 kW h 电的热能或冷能。 山西 A 矿准备对工业广场末端为散热器的建筑， 利用水源热泵技术进行节能环保改造，具体改造方案 如下该区域末端为散热器，设计供水温度较高，使 用空气源热泵能效较低，地源热泵距离较远，而水源 热泵就在附近，所以，采用水源热泵技术可以稳定供 应 55 ℃高温水，减少空气源热泵的占地面积，充分利 用矿井涌水的余热资源，并且可利用原有锅炉房的空 间。该区域负荷共计 786.146 kW，利用水源热泵技术 从矿井涌水中可提取的热量约为 868 kW，满足使用要 求。因此，计划配置 2 台环保满液高温式水源热泵 SGHP450MHV 机组，机组服务年限 20 a 左右。与锅炉 系统相比，水源热泵系统的运行成本和改造成本如表 1 所示。 表 12 种方案运行成本对比单位104元 此外，运用水源热泵技术还减少了煤炭资源的燃 烧，具有很强的环保效益。锅炉房燃烧的煤中 S 含量 在 0.2耀5.0。按照煤中硫分 1.5计算，每吨煤燃烧 后释放 SO20.02 t，每吨煤燃烧时释放 CO22.6 t。经过折 算，该煤矿在进行水源热泵供热改造后，每年相当于节 约标准煤 6 576 t，换算成 CO2为 6 576伊2.6抑17 098 t， SO2为 6 576伊0.02≈131.5 t。 由以上分析可知，水源热泵技术不仅具有较强的 经济效益，更重要的是具有可观的环保效益。总的来 说，这是一项值得推广的环保技术，同时也有利于实 现节能减排的目标。 4水源热泵技术存在的问题及展望 虽然水源热泵技术有很大的优势，但是尚未被广 泛推广使用，还存在一些问题。早期，热泵主机采用的 是螺杆压缩机，这种设备在热源不稳定时效率比较低， 而且难以控制[4]。为此，最新研制了涡旋压缩机水源热 泵，新技术具有热能转化效率高、噪声低等特点，但这 种压缩机对制造技术要求高，成本也相对较高，大范 围推广应用有一定的困难。 在水源热泵运行过程中，由于对矿井涌水量和涌 水水质有较高的要求，需要煤矿在生产组织中优化采 掘方式，尽可能使矿井污水产生量维持恒定，在消耗 完能量的同时满足热量供应；同时，也需要注意井下 污水水质，避免因为污水中可能存在的污染物流经换 热器时产生挂膜现象，增加换热热阻，影响换热效率。 鉴于水源热泵技术在煤矿中的应用还未充分展开， 人们对其还未有更充分的认识，在积累了更多的水源 热泵运行系统数据后，未来发展的重点应该是实现更 高水平的自动化控制甚至智能化控制，从而达到更加 节能高效的运行状态。 从工作原理可得出，水源热泵空调系统具有效率 高、节能、环保的优点，随着水源热泵技术和产业化逐 渐成熟，在中国符合条件的地方，特别是有余热可利 用的地方应大力推广。 5结语 为了实现大气污染物达标排放的目标，同时也使 经济效益最大化，很多煤矿都对锅炉房进行了改造， 其中应用最多的就是水源热泵技术。水源热泵技术主 要是通过矿井水与建筑物之间进行热交换来实现制冷 和供热的。通过分析可以发现，热泵改造后，不仅能取 得一定的经济效益，还能取得不错的环保效益，满足 了国家节能减排的要求。 参考文献 ［1］ 张国平.小庄煤矿水源地热资源开发及利用研究 ［J］ .中国煤 炭， 2019， 459 84-87. ［2］ 秦勇刚.水源热泵在供暖运行中的应用使用水源热泵提 升中温地热水进行供暖的案例 ［J］ .建材与装饰， 201916 231-232. ［3］ 刘钊.关于水源热泵技术在煤矿应用中的可行性分析 ［J］ .科 技创新导报， 2019， 165 45-46. ［4］ 董爱青.水源热泵供热及制冷技术在煤矿的应用 ［J］ .居舍， 201720 7-8. （ 责任编辑白洁 ） 方案初始投资 每年运行费用 20 a 投资费用 20 a 费用总差额 锅炉系统200701 600404 水源热泵系统356421 196 蒸发器 压缩机 2030 电能 7080 外部热源 （水源侧） 用户侧 膨胀阀 冷凝器 能量输入 能量输出 王亚斌 水源热泵技术在煤矿中的应用 61