劉麗娟，王吉明，任丕清

（ 1.山西大學(xué)工程學(xué)院，太原 030013;2.山西省環(huán)境保護(hù)廳 太原 030024;3.山西焦煤集團(tuán)環(huán)境保護(hù)部 太原 030024）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題已成為舉世關(guān)注的焦點(diǎn)。中國能源主要為煤炭、石油，中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，并且其比重在不斷增長。隨著近年環(huán)保理念的推廣，替代能源和無污染能源也得到了一定的開發(fā)和使用。熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。

《中華人民共和國節(jié)約能源法》第三十九條將熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)列入國家鼓勵(lì)發(fā)展的通用技術(shù)，促進(jìn)了熱泵事業(yè)的發(fā)展。山西是煤炭大省，省內(nèi)的各大煤礦結(jié)合各礦井的實(shí)際情況，重視資源的綜合利用，積極采取措施推進(jìn)企業(yè)的節(jié)能減排。山西焦煤集團(tuán)的各礦紛紛采用熱泵技術(shù)，利用風(fēng)源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)為建筑物供暖、空調(diào)、職工洗浴熱水提供冷熱源，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。相信隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)生活環(huán)境重視的提升，新能源定會(huì)呈出不窮，給人們生活帶來巨大改變。

1 回風(fēng)源熱泵技術(shù)

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵技術(shù)是以淺層低溫?zé)崮?淺層地下水、生活污水、工業(yè)廢水、礦井水、礦井總回風(fēng)等蘊(yùn)藏的低品位熱能)為熱源，通過冷凝裝置制取溫度較高的介質(zhì)，獲得更多的高品位能量，使低品位熱能得到充分利用(采暖、洗浴等)的新型、節(jié)能環(huán)保技術(shù)［1］。目前，我國主要利用的熱泵技術(shù)，按低位熱源分:水源(海水、污水、地下水、地表水等)熱泵，地源(包括土壤、地下水)熱泵，以及空氣源熱泵?；仫L(fēng)源熱泵技術(shù)屬于熱泵技術(shù)的一個(gè)分支，是熱泵技術(shù)在使用推廣中產(chǎn)生的新技術(shù)。原理是通過熱泵技術(shù)回收礦井總回風(fēng)中蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮?，與循環(huán)水進(jìn)行換熱，制取高品位熱能以供使用。其原理如圖1［2］所示。

圖1 礦井回風(fēng)熱能回收原理示意圖

2 回風(fēng)源熱泵技術(shù)在某煤礦的應(yīng)用實(shí)踐［3－8］

2.1 工程概況

某礦井年產(chǎn)煤能力為300萬噸。這個(gè)礦風(fēng)井冬季歷年最低平均氣溫為－25℃，結(jié)凍期10月～3月中，主導(dǎo)風(fēng)向西風(fēng)。現(xiàn)有建筑維修車間與設(shè)備庫需要冬季采暖。每天3班，下井最大班人數(shù)200人。現(xiàn)擬用熱泵技術(shù)為該礦建筑供暖、職工洗浴熱水提供冷熱源。

經(jīng)調(diào)研，這個(gè)礦井回風(fēng)溫度基本不受室外氣溫影響，并且全年都比較恒定:礦井通風(fēng)風(fēng)量為6500 m。3/min，即 108 m3/s，全年回風(fēng)溫度為15℃ ～17℃，相對(duì)濕度為90% ～95%。這個(gè)礦井地面廣場的采暖面積約5700 m2，急需解決冬季熱源。原有熱源為燃煤鍋爐和電加熱，能耗和運(yùn)行費(fèi)用很高。

2.2 夏季、冬季可提取的熱能計(jì)算

礦井回風(fēng)可提取熱能的計(jì)算公式為:

式中:Q表示回風(fēng)換熱能(kW);Δi表示回風(fēng)中濕空氣的焓差(kJ/kg);ρ表示回風(fēng)平均空氣密度(kg/m3);v表示回風(fēng)量(m3/s)。

2.2.1 冬季提取的熱量

為計(jì)算留有余量，冬季的回風(fēng)溫度按14℃，相對(duì)濕度為90%，提取熱量后的回風(fēng)溫度為8℃，相對(duì)濕度為96%，此時(shí)的焓差為(36.72－24.11)J/kg，平均空氣密度為1.23 kg/m3，則可以從回風(fēng)中提取的熱能為:

按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為4.5計(jì)算，則可產(chǎn)生的熱能為:

式中:Qs表示熱泵機(jī)組提供的熱能;Qqd表示熱泵機(jī)組從熱源里提取的熱能。

2.2.2 夏季提取的冷量

為計(jì)算留有余量，夏季的回風(fēng)溫度為17℃，相對(duì)濕度為95%，吸收熱能后的回風(fēng)溫度為30℃，相對(duì)濕度為100%，此時(shí)的焓差為(99.69－46.24)J/kg，平均空氣密度為 1.18 kg/m3，則可以向回風(fēng)中釋放的熱能為:

按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為5.0計(jì)算，則可提供的制冷量為:

式中:Qls表示熱泵機(jī)組產(chǎn)生的制冷量;Qqx表示熱泵機(jī)組向回風(fēng)中散出的熱量。

通過以上計(jì)算，可以得出回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)可提供的冷熱資源，見表1。

表1 冷熱資源統(tǒng)計(jì)表

2.3 冷熱負(fù)荷計(jì)算

2.3.1 采暖熱負(fù)荷

這個(gè)礦地面廣場現(xiàn)有采暖建筑為4551 m2維修車間與1100 m2設(shè)備庫。不考慮夏季制冷。因?yàn)楣I(yè)廠房空間較大，因此采暖負(fù)荷較大，一般大空間廠房負(fù)荷按150～200 W/m2考慮。最不利情況下室內(nèi)工作溫度≥5℃。

則采暖熱負(fù)荷為(4551+1100)×200=1130 kW

2.3.2 洗浴熱負(fù)荷

該礦洗浴只采用淋浴方式，每班洗浴人數(shù)為200人，每班洗浴水量為60 m3。洗浴水采用深井水作為水源，初始水溫最低為18℃，4小時(shí)加熱至42℃。

則洗浴熱負(fù)荷為:

通過相關(guān)計(jì)算，對(duì)熱負(fù)荷與熱源進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 負(fù)荷與熱源統(tǒng)計(jì)表

從表2，可以看出，利用礦井回風(fēng)的熱量可以滿足建筑物的冬季供暖與職工洗浴的需求。

2.4 工程設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，洗浴熱水熱負(fù)荷419 kW，配備某公司1臺(tái)HE－B480(高溫型)渦旋熱泵機(jī)組;采暖負(fù)荷為1130 kW，配備2臺(tái)HE－700(普通型)渦旋熱泵機(jī)組。熱泵性能參數(shù)見表3、表4。

表3 HE－B480熱泵基本技術(shù)參數(shù)

表4 HE－700熱泵基本技術(shù)參數(shù)

3 投資及效益分析

投資包括系統(tǒng)工程投資及運(yùn)行費(fèi)用，其中工程總投資1515萬元，年總運(yùn)行費(fèi)用為69萬元。根據(jù)該礦負(fù)荷，冬季總熱負(fù)荷為1130 kW，最少需要設(shè)計(jì)1臺(tái)4t和1臺(tái)1t鍋爐，冬季兩臺(tái)運(yùn)行;春、夏、秋季一臺(tái)1t鍋爐運(yùn)行?？照{(diào)建筑夏季冷負(fù)荷為1500 kW，分體空調(diào)能效比COP值最大為2.5，裝機(jī)容量600 kW。傳統(tǒng)鍋爐房及分體空調(diào)初投資估計(jì)總價(jià)884萬元，年總運(yùn)行費(fèi)(包括燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)、鍋爐耗電費(fèi)、分體空調(diào)運(yùn)行費(fèi)、設(shè)備維修維護(hù)、排污費(fèi)等)合計(jì)247萬元。采用熱泵技術(shù)每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用178萬元，投資回收期為4年;年節(jié)約煤炭約2500 t，減排 CO26365 t，減排SO249 t。

4 結(jié)論

回風(fēng)熱能利用技術(shù)的推廣是煤炭行業(yè)低碳發(fā)展的一種有效途徑，對(duì)建設(shè)現(xiàn)代化新型礦山有重要意義。熱泵項(xiàng)目具有廢棄資源再利用的特點(diǎn)，推廣回風(fēng)熱能利用技術(shù)符合國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策;實(shí)質(zhì)性減輕全局環(huán)保壓力，節(jié)約煤炭資源。礦區(qū)取消了鍋爐房，沒有了煙囪，徹底根除了污染源，礦井回風(fēng)熱能提取裝置，兼有凈化回風(fēng)流粉塵，降低通風(fēng)機(jī)噪音等功能。煤礦利用熱泵技術(shù)符合國家環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約的政策，同時(shí)還符合申請(qǐng)政府發(fā)改委、經(jīng)信委、環(huán)保主管等部門最高達(dá)30%的項(xiàng)目政策獎(jiǎng)勵(lì)條件。該礦區(qū)通過一個(gè)年度的實(shí)際使用，達(dá)到了預(yù)期的效果，解決了整個(gè)地面廣場的冬季保暖、職工洗浴的問題，節(jié)約了大量的能源，年節(jié)約煤炭約2500 t，減排CO26365 t，減排SO249 t，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

［1］劉永強(qiáng)，馬晗.回風(fēng)源熱泵技術(shù)在回收熱能中的應(yīng)用研究［J］.河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3):51－53.

［2］姬詢，孫瀟，權(quán)犇等.利用水源熱泵全面回收礦井排風(fēng)中的余熱資源［J］.建筑節(jié)能，2010(12):8－9.

［3］孫中文，陳夫科，顏景玉等.礦井回風(fēng)熱源回收技術(shù)及應(yīng)用［J］.山東煤炭科技，2010(5):30－31.

［4］徐國領(lǐng).礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中州煤炭，2011(7):87 －89.

［5］GB50366－2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］GB50019－2003.采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］MT/T5013－96.煤炭工業(yè)采暖通風(fēng)及供熱設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］GB50015－2003.建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.