尹貞勤 （煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

皖北煤電集團朱集西礦的井下降溫與熱能利用的設(shè)計及工程總承包由我院承擔，其熱能利用為：四季利用廢熱供浴室洗浴用熱水，冬季利用廢熱供空調(diào)及浴室洗浴用熱水。本文就其廢熱利用實踐做介紹。

該礦井開采深度最大達到-960m，巖層溫度分布如下：恒溫帶深度為-30m，常年基本保持為16.8℃左右。恒溫帶以下為增溫帶，該處受大地熱流的作用，地溫隨深度的增加而升高，平均百米溫度梯度為2.78℃/hm，開采工作面最深處（-960m）巖溫達42.65℃。

2 礦井廢熱

礦井的巖壁、采掘工作面采落的煤巖、井下的熱水等均與空氣進行熱交換，以及井下機電設(shè)備工作散熱、人體散熱等。此外，隨著空氣向礦井深部流動，空氣位能減少，因體積壓縮轉(zhuǎn)化為熱能而使氣溫升高。在沒有對井下人工降溫的情況下，氣溫甚至達到40℃，在冬季通風溫度低于0℃時，作業(yè)面空氣溫度仍超過26℃。為了排除這些余熱，使礦工的工作環(huán)境得到改善，就需對井下進行人工降溫，井下降溫制冷系統(tǒng)將井下余熱以冷凝熱的方式經(jīng)冷卻塔排至大氣中，這是礦井廢熱的第一部分；礦井廢熱的第二部分是：井下通風氣流在吸收井下余熱后，排風溫度較高，即使在冬季排風溫度也達到20℃。

2.1 制冷系統(tǒng)的冷凝熱

井下降溫系統(tǒng)全年運行，前期夏季總制冷量為12000kW，前期冬季制冷量為2517W；后期夏季總制冷量為18000kW，后期冬季制冷量為4260W。對應(yīng)上述制冷量的冷凝熱如下：前期夏季井下降溫系統(tǒng)的冷凝熱為14500 kW，前期冬季井下降溫系統(tǒng)的冷凝熱為3039 kW。后期夏季井下降溫系統(tǒng)總冷凝熱為21750 kW，后期冬季井下降溫系統(tǒng)的冷凝熱為5015 kW。這些冷凝熱如果通過冷卻塔排至大氣中，非常可惜，同時還對環(huán)境造成熱污染。

2.2 礦井排風的廢熱

礦井排風量為380m3/s，冬季排風溫度為20℃左右，礦井排風熱交換器實現(xiàn)將礦井排風中所蘊含的大量熱能通過噴淋換熱方式轉(zhuǎn)移到循環(huán)水里面，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源，經(jīng)過熱泵系統(tǒng)提取熱量后，循環(huán)水溫度有所降低（一般溫降為5℃），再重新送入礦井回風熱交換器進行熱交換，循環(huán)往復(fù)。排風溫度由20℃降至8℃，則排風具有可利用的顯熱為：

式中：Q——排風顯熱量（kW）

G——排風質(zhì)量流量，（kg/s），空氣密度按1.2kg/m3

Cp——空氣比熱，Cp=1.01（kJ/kg·℃）

t1——排風換熱前溫度（℃）

t2——排風換熱后溫度（℃）

由式（1）計算Q=GCp(t1-t2)=380×1.2×1.01（20-8）=5526.72kW

礦井排風與噴淋的冷水接觸時，冷水在排風換熱器內(nèi)由5℃加熱到10℃，排風溫度降低至露點溫度（16.5℃）以下，排風中的水蒸汽會凝結(jié)放出潛熱，排風總換熱量會大于上述按顯熱計算的5526.72kW。排風換熱器分項工程由業(yè)主另行委托中國礦業(yè)大學進行設(shè)計，本文不作深入介紹。

由于夏季井下降溫制冷系統(tǒng)總冷凝熱很大，而且夏季熱負荷較小，利用冷凝熱已滿足用戶需要，不需要再運行排風換熱器，因此本文未計算排風的夏季放熱量。

3 利用廢熱供暖及供熱

3.1 空調(diào)及供熱負荷

朱集西礦地面建筑5#、6#、7#號單身宿舍樓建筑設(shè)集中空調(diào)系統(tǒng)，建筑面積為53807m2，空調(diào)熱負荷為3228kW，空調(diào)冷負荷為4307 kW；礦浴室熱水供應(yīng)熱負荷為2035kW。

3.2 空調(diào)供暖

根據(jù)空調(diào)的冷、熱負荷，該項目采用了水源熱泵機組4臺，機組單臺制冷量1100kW，單臺制熱量1315kW，機組制冷劑為環(huán)保冷媒R134a。夏季最大冷負荷時4臺同時制冷，空調(diào)冷水供、回水溫度為7/12℃，機組制冷時采用冷卻塔散熱。冬季空調(diào)供暖時，利用礦井排風換熱器來的10/5℃熱水作水源熱泵機組熱源，空調(diào)熱水供、回水溫度45/40℃，最大熱負荷時，運行3臺水源熱機組。

空調(diào)水為變流量系統(tǒng)，在機房供、回水總管之間設(shè)壓差旁通調(diào)節(jié)閥，控制供、回水壓差為0.29MPa，適應(yīng)由于空調(diào)負荷的變化而引起的系統(tǒng)水流量變化。當旁通管流量達到177m3/h（1臺機組流量）時，停1臺機組及1臺水泵，節(jié)約運行能耗。

空調(diào)水系統(tǒng)定壓采用落地式定壓補水裝置，定壓點位于循環(huán)水泵吸入口，定壓值為0.61 MPa。系統(tǒng)補充水為軟化水，避免換熱設(shè)備因結(jié)垢而影響傳熱性能，同時避免管道結(jié)垢而影響水流通路的截面積。圖1為空調(diào)水系統(tǒng)示意圖。

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)示意圖

3.3 洗浴熱水系統(tǒng)

因煤礦生產(chǎn)勞動衛(wèi)生標準要求，朱集西礦洗浴熱水系統(tǒng)全年運行，根據(jù)浴室熱水供應(yīng)的熱負荷，選用2臺制熱量為1315kW的水源熱泵機組，在機房內(nèi)設(shè)2臺150 m3的不銹鋼保溫熱水箱和3臺熱水循環(huán)泵。熱水在熱水箱與水源熱泵機組之間循環(huán)，直至水箱內(nèi)熱水溫度達到45℃，再啟動熱水輸送泵將熱水箱里的熱水送至浴室。圖2為熱水供應(yīng)系統(tǒng)示意圖。

圖2 熱水供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

井下降溫系統(tǒng)常年制冷，洗浴熱水系統(tǒng)的水源熱泵機組源側(cè)主要利用井下降溫系統(tǒng)制冷機的冷凝器出水，只有在冬季井下降溫冷負荷最小時，冷凝熱可能不足，此時才利用排風換熱器供給的10℃水作為水源熱泵機組源側(cè)進水。這樣就存在一個問題：制熱量在1300kW左右的水源熱泵機組各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品多為螺桿式機組，通常當蒸發(fā)溫度在5~20℃范圍內(nèi)時，螺桿式水源熱泵機組在制熱時隨著蒸發(fā)溫度的升高，其制熱性能系數(shù)COPh也相應(yīng)升高，但是源側(cè)熱水溫度不能太高，一般要求低于25℃，否則會導(dǎo)致壓縮機潤滑油粘度過低，削弱潤滑作用，機組安全得不到保障。然而井下降溫系統(tǒng)制冷機組冷凝器出口水溫為37℃，遠高出水源熱泵機組對熱源水的溫度要求，水源熱泵機組無法利用井下降溫制冷機組冷凝器的37℃出水。

針對這個問題，我們采取在水源熱泵機組蒸發(fā)器進、出水總管之間設(shè)旁通管路（配三通調(diào)節(jié)閥），將井下降溫制冷機組冷凝器的37℃出水與水源熱泵機組蒸發(fā)器的7℃出水混合，三通調(diào)節(jié)閥的控制器根據(jù)混水溫度傳感器的信號調(diào)節(jié)三通閥開度，使水源熱泵機組蒸發(fā)器進水溫度低于25℃，保障了水源熱泵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

4 運行效果

2013年7月1日設(shè)備及管道安裝竣工，在對空調(diào)系統(tǒng)、洗浴熱水系統(tǒng)均進行了調(diào)試后，正式投入了使用，經(jīng)過了夏、冬季工況運行，兩個系統(tǒng)均工作正常。朱集西礦工業(yè)鍋爐房較同期少運行鍋爐臺數(shù)，具有顯著的節(jié)能效果。投資方較為滿意，準備建設(shè)二期工程。

5 幾點體會

①工業(yè)生產(chǎn)過程以及其他環(huán)境中出現(xiàn)的廢熱，當其載體的溫度不夠高時，利用熱泵技術(shù)將熱量提升至溫度較高的媒介中，用于空調(diào)供暖、洗浴熱水供應(yīng)等，既節(jié)能又避免排放到環(huán)境中造成熱污染。

②由于在我院與朱集西礦就熱能利用項目合作時，工期十分緊迫，加之對礦井排風資料掌握不足，對排風能否用于空氣源熱泵系統(tǒng)未進行可行性論證。國內(nèi)目前尚無將礦井排風用于空氣源熱泵系統(tǒng)的實踐，如能夠?qū)⒌V井排風直接用于空氣源熱泵系統(tǒng)，從理論上講應(yīng)該是制熱能效更高，系統(tǒng)更簡捷，但是存在以下障礙：

a.將空氣源熱泵機組安裝于排風井塔的出風口處是不可能的，沒有布置熱泵機組位置這個條件，除非在礦井設(shè)計前期與相關(guān)的工藝專業(yè)進行溝通協(xié)商，將排風引至附近的空氣源熱泵機組的蒸發(fā)器；

b.由于礦井排風攜帶較多粉塵等，直接用于空氣源熱泵機組會使蒸發(fā)器翅片表面積聚大量粉塵，清除這些粉塵難度極大，這將導(dǎo)致空氣源熱泵機組無法正常運行。因此，須對排風除塵、凈化，這個也是需要在今后做深入研究的。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] GB/T 19409-2003,水源熱泵機組[S].北京：中國標準出版社,2003.