孫瑞科
(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司平頂山分公司,河南 平頂山 467000)
當(dāng)前時(shí)期,社會(huì)經(jīng)濟(jì)日新月異飛速發(fā)展,能源問題已經(jīng)躍居為全世界共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題,而我國又是一個(gè)能源消耗大國,節(jié)能減排和可再生能源利用刻不容緩節(jié)約能源技術(shù)成為人們重點(diǎn)研究內(nèi)容。近年來,熱泵技術(shù)作為一種新能源技術(shù)深受世界各國的重視。熱泵利用水作為介質(zhì)來提取能量用于制冷或制熱,主要是從地下水中提取不能直接利用的低品位熱能,通過消耗少量的高品位能源,實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。因水源熱泵技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)水節(jié)地、高效節(jié)能等優(yōu)勢,現(xiàn)階段,被廣泛應(yīng)用于公共在建項(xiàng)目、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域;在我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)居多,為了減少污染,節(jié)約能源,一些城市逐漸開始應(yīng)用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制冷和供暖。
冬季主要利用熱泵技術(shù)吸收水源、空氣等中的能量,將吸收的熱量輸入建筑設(shè)施,一般來說,采用熱泵技術(shù),用戶可以獲得比熱泵消耗高4倍的制冷量和制熱量,如應(yīng)用熱泵時(shí)每消耗1kw能量,就會(huì)為礦企提供4kw的熱量或冷量。根據(jù)水泵對(duì)水源的利用情況,熱泵可分為閉式和開式兩種形式。水源作為熱泵的冷、熱介質(zhì),需要滿足下面條件:①需確保水源儲(chǔ)存數(shù)量。②確保將水溫控制在7℃~30℃間,作為一類較為理想的水源,礦井水不但有豐富的儲(chǔ)存量,且有較為穩(wěn)定的水溫,同時(shí)水質(zhì)也較佳。
(1)工藝流程。在此過程中形成的礦井水由水泵系統(tǒng)抽至地?zé)峤粨Q系統(tǒng),根據(jù)熱泵原理由機(jī)組運(yùn)行實(shí)現(xiàn)礦井水能量交換,通過管道運(yùn)輸?shù)降V山建設(shè)設(shè)施滿足冬、夏兩季所需的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷,熱交換后的廢水可回用于工業(yè)用水,下圖1為水源熱泵系統(tǒng)。
(2)技術(shù)原理。①制冷。礦井水作為空調(diào)機(jī)組冷卻水先流入旋流除砂器除砂,再用電子水處理儀除去絮狀物,制冷劑向冷卻水(礦井水)中放出熱量,形成高溫高壓液體,并使冷卻水的水溫升高。②供暖。高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來進(jìn)入冷凝器,制冷劑向供暖用水中放出熱量而冷卻成高壓液體,并使供熱水水溫升高。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體,如此循環(huán)在冷凝器中獲得供熱水。為供熱設(shè)備提供熱量。
圖1 礦井總回風(fēng)與礦井排放能量的熱泵系統(tǒng)
在井下開采過程中,經(jīng)常會(huì)有大量礦井水從井底涌向地面。這部分礦井水溫變化不大,水量全年穩(wěn)定,含有大量低溫?zé)崮埽且环N有效、穩(wěn)定、有價(jià)值的冷熱源。從環(huán)境保護(hù)的角度去處理礦井水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),既會(huì)浪費(fèi)水資源,同時(shí)對(duì)礦井水中含有的余冷與余熱沒有進(jìn)行有效的開發(fā)、利用,會(huì)嚴(yán)重的浪費(fèi)能源。據(jù)此可知,在礦井中應(yīng)用水熱泵技術(shù)有很大的優(yōu)勢,礦井水可通過熱泵系統(tǒng)對(duì)能量進(jìn)行釋放,進(jìn)而產(chǎn)生冷量與熱量,甚至有可能完全取代當(dāng)前的小型鍋爐。
熱泵除具備低運(yùn)行成本,沒有污染優(yōu)勢外,在礦業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用還有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)在應(yīng)用水熱泵技術(shù)時(shí),一般要先論證項(xiàng)目所處位置的水文狀況,在充分了解工程地區(qū)的水資源資料后,還要有效掌握地下水種類、含水層厚度、水溫、水位變化等,因同安全生產(chǎn)有直接關(guān)系,所以,在礦山開始建設(shè)時(shí)就應(yīng)該先勘查地下水文地質(zhì)狀況,因井水排放多伴隨有礦山的生產(chǎn)過程,能夠及時(shí)監(jiān)測和掌握礦井水的溫度、水量等參數(shù),從而使熱泵技術(shù)在礦業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用擁有了更方便的條件。
(2)通常而言,抽取地下水后用在熱泵機(jī)組后需要應(yīng)用回灌措施,避免過度抽排導(dǎo)致地面下沉,基于礦山采掘業(yè)特性,將水熱泵機(jī)組提取熱量后,礦井水可重復(fù)作為井下和工業(yè)場地的生產(chǎn)與生活用水,同時(shí)也可用作附近農(nóng)田灌溉和村子供水,最終節(jié)省了回灌地下水步驟。
(3)熱泵機(jī)組在應(yīng)用地下水之前,為保證其能夠滿足機(jī)組要求,應(yīng)使用過濾與沉淀等措施進(jìn)行處理。礦井涌水多是深層地下水,除了礦井開采的干擾外,水質(zhì)良好,原有的水處理設(shè)施在地面工業(yè)場地也能起到預(yù)處理的作用,這在很大程度上為熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行提供了有效保障。
(4)礦企在礦井水處理和有相關(guān)人員培訓(xùn)上經(jīng)驗(yàn)豐富,在熱泵技術(shù)的應(yīng)用和管理上優(yōu)勢顯著。
(1)是再生能源利用技術(shù)。作為供暖空調(diào)系統(tǒng),熱泵利用地表淺層能源為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。地表淺層能源也是一種儲(chǔ)量豐富、清潔可再生資源。
(2)環(huán)境效益突出。熱泵制冷制熱系數(shù)超過空氣熱泵約40%,水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量并降低污染物排放量;與傳統(tǒng)空調(diào)裝置相比,該裝置的充注量減少了20%。供熱中,熱泵無污染物產(chǎn)生,占用空間小。
(1)經(jīng)濟(jì)效益。將原礦井水處理站消防水池作為熱源池,可節(jié)省土建投資約300萬元;應(yīng)用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比使用礦物燃料燃燒的鍋爐,每年能節(jié)約約為85.6萬元的能源費(fèi)用。熱泵整體配套工程開始時(shí)盡管會(huì)投入大量的資金,但該礦卻使用了能源管理模式,最終有效的解決了資金問題,因熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高利用率、高環(huán)保等,為此,想要保證能夠最大程度發(fā)揮出應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值,只需要改進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。
(2)社會(huì)效益。①該技術(shù)完全符合了國家資源綜合利用扶持政策和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,可有效的保護(hù)礦產(chǎn)資源。②此技術(shù)應(yīng)用后,改變了礦區(qū)將原有的燃燒能源為鍋爐供熱,有效的實(shí)現(xiàn)了制熱成本的降低,并且也有效的改善了礦區(qū)環(huán)境。③充分保證了礦井安全性的提升,同時(shí)也有效改善了井下工人工作環(huán)境;④在設(shè)備運(yùn)行過程中,不存在燃燒、爆炸等隱患,對(duì)安全管理十分有利。⑤找到了礦井水利用的新方法。
現(xiàn)階段隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)日新月異的飛速發(fā)展,各行業(yè)也得到了顯著的進(jìn)步,礦山生產(chǎn)行業(yè)也不例外也取得了巨大的進(jìn)步。在礦井中,通過礦井水熱量交換,水熱泵技術(shù)可有效保證礦井施工冬、夏季的取暖與制冷,保證正常用水,具有十分顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益,同國家相關(guān)能源發(fā)展以及環(huán)保有關(guān)精神相符合,由于熱泵技術(shù)有較高的適應(yīng)性,所以可廣泛的應(yīng)用在礦山生產(chǎn)中,助力礦企早日實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展。