陳文波

（山西高平科興平泉煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

平泉煤業(yè)有限公司針對公司現(xiàn)有燃煤、燃氣鍋爐運行成本進行核算對比后，發(fā)現(xiàn)使用成本費用較大，能源消耗嚴重，且人員操作使用上存在很大安全隱患，如何能利用現(xiàn)有資源，在保證安全的原則上，來降低成本，成為了高平科興平泉煤業(yè)一直研究的重點問題。經(jīng)過長期研究，人們開發(fā)出了空氣能配合太陽能熱水系統(tǒng)裝置來代替鍋爐，把空氣能應用到生產(chǎn)生活中，實現(xiàn)了綠色安全、低碳、環(huán)保。根據(jù)企業(yè)24h三班倒工作制特點，在規(guī)定時間內制取一班員工足量的洗浴熱水，確保工人下班后洗個熱水澡，輕松舒適休息。

1 高平科興平泉煤業(yè)采暖洗浴系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

高平科興平泉煤業(yè)2017年清潔能源改造中，煤改氣就占據(jù)了較大比例。突進的“煤改氣”工程導致了天然氣荒、氣源緊張、基礎設施不完善等一系列問題，這使得高平科興平泉煤業(yè)采暖洗浴得不到及時保障，天然氣的超常增長打破了供需平衡，使天然氣價格上漲，后期燃氣費用較高，負擔大。政策的限制、未統(tǒng)籌的天然氣總量、未規(guī)劃各地天然氣分配導致了在落實“宜電則電、宜氣則氣”政策時，不夠科學，不夠精準。主要問題如下：

（1）天然氣屬于化石能源，非可持續(xù)再生能源，天然氣的燃燒會產(chǎn)生氮氧化合物的排放，大量使用會導致霧霾治理達不到預期的效果。

（2）天然氣資源相對短缺，不能及時保證供暖需求。

（3）天然氣在使用過程中，人員操作存在安全隱患，容易造成燃氣泄漏、爆炸等。

2 具體設計思路

高平科興平泉煤業(yè)春、夏、秋利用太陽能來制造熱水滿足職工洗浴，冬季可利用空氣能制造熱水來滿足職工洗浴。在實際設計作業(yè)中，主要本著下列思路進行：

（1）應本著在盡量少占用永久性建筑空間的基礎上，實現(xiàn)高效節(jié)能、安全環(huán)保，進行自動化、智能化控制，實現(xiàn)無人值守。

（2）充分發(fā)揮空氣能配合太陽能熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢，最大程度降低運行費用，保證終端使用到恒溫舒適的清潔熱水。

（3）可在建筑物頂層或相關室外平臺來安放熱泵熱水機組，省去設備專用鍋爐房，這樣可使設備結構完全達到水電分離，更好地保障安全生產(chǎn)。

3 空氣能熱水泵工作原理

對于空氣能熱水泵而言，其主要以空氣加電這種清潔可再生原料為能源基礎，這樣不僅不會產(chǎn)生危害人體健康的氣體，而且有助于緩解溫室效應及大氣污染。

熱泵技術是基于逆卡諾循環(huán)原理，熱泵所起的作用主要為從其四周環(huán)境中吸取空氣能、地熱以及太陽能等熱量，并把吸取的這些熱量順利傳至待加熱對象。圖1為熱泵實際工作原理示意圖。

圖1 熱泵工作原理示意圖

熱泵工作過程中，會借助蒸發(fā)器來吸收環(huán)境介質中貯存的各種能量QA；同時熱泵自身工作也會消耗部分能量，在這些消耗的能量中有一些能量轉化為熱能QB；當熱泵進行循環(huán)作業(yè)時，釋放在冷凝器中的能量QC為QA與QB之和，對此，可知熱泵輸出的能量不僅包括機組做功產(chǎn)生的熱能QB，而且還包括熱泵在環(huán)境中實際吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術可起到大幅節(jié)約電能的效果。圖2為熱泵的實際節(jié)能原理圖。

圖2 熱泵實際節(jié)能原理圖

如TFS-SKR840（S）機組，在熱泵系統(tǒng)實際輸入功率為8.25kW，熱泵四周環(huán)境溫度20℃左右的情況下，實際輸出的制熱功率可達到36kW左右，表明熱泵在工作過程中有很多熱能都是從四周環(huán)境中吸收的，這部分熱能都為免費熱能。在此過程中，系統(tǒng)僅僅只消耗了8.25kW的電能，卻等同于采用傳統(tǒng)加熱方式36kW/0.95=38kW的輸入功率熱水器實際完成的工作，這樣以來，系統(tǒng)的能效系數(shù)則為COP=36/8.25=436%，能效效果較好。

4 設備選型計算

根據(jù)平泉煤業(yè)實際洗浴情況：設計淋浴用熱水40m3/d，設計蓄熱水箱容量30t+10t，利用太陽能制取淋浴用熱水20m3，淋浴每天熱水總量40t，按照春夏秋設計，生活熱水設計溫度50℃，自來水溫度：冬季8℃，春秋10℃，夏季15℃，熱泵工作時間12～20h，冬季室外計算溫度-15℃。

4.1 熱水熱負荷

若自來水溫度按照10℃計算，熱水按照50℃，則可用下式來計算每天的實際熱水熱負荷情況：

式中：

Q-實際熱負荷量，kW·h；

V-熱水量，L；

c-水的比熱，可取為1kcal/(L·℃)；

tr-熱水溫度，℃；

tl-冷水溫度，也就是普通的自來水溫度，℃。

4.2 機組選型，臺數(shù)的計算

選用空氣源熱泵熱水機組DKS-1800-(S)D，該機組在名義工況下，可制得78kW的熱量。若讓該機組在名義工況下連續(xù)工作10h（機組每天實際工作時間應小于等于20h），則應需要的機組數(shù)量為：

式中：

N-機組數(shù)量，單位為臺；

Q-熱負荷量，kW·h；

T-名義工況下機組的實際運行時間，h；

W-名義工況下，機組正常運行時的實際制熱量，kW。

4.3 工作時間的校訂

式中：

Ts-名義工況下機組實際運行時間，h；

Q-熱負荷量，kW·h；

N-機組數(shù)量，臺；

W-名義工況下機組實際制熱量，kW。

用3臺DKS-1800-(S)D空氣源熱泵熱水機組，完全可滿足使用熱水的要求。

5 加熱系統(tǒng)配置說明

圖3 加熱系統(tǒng)水路示意圖

該系統(tǒng)采用機組直接對蓄熱水箱循環(huán)加熱的方式進行加熱，達到設定溫度后機組停止運行。系統(tǒng)采用了先進的高低水位繼電器配合溫控系統(tǒng)來進行定溫定量補水（見圖3）。在水箱底部溫度比50℃高時（此溫度可調節(jié)），也就是在水箱液位系統(tǒng)存在較大的存水空間的情況下,自動啟動補水泵，開始進行補水作業(yè)；當水箱底部溫度比45℃低時，補水泵停止工作，不再進行補水作業(yè)，以確保供水系統(tǒng)水溫始終恒定，保證24h全天候、多點、同時即開即用。

6 結語

改造后的熱水系統(tǒng)，不僅能節(jié)約大量電能，而且能實時提供更充足的熱水，在為企業(yè)降低生產(chǎn)成本的同時，能更好地保障職工的安全舒適洗浴，此項設計值得推廣與應用。