风源热泵技术在东庞矿的应用
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摘要：利用矿井回风中所蕴含的热能通过喷淋换热方式转移到循环水里面，循环水做为热泵系统的低温热源，取得了节能降耗和减少污染物排放的显著效果。
中图分类号： TU201.5 文献标识码： A 文章编号：
引言
东庞矿是冀中能源股份有限公司所属骨干煤矿之一，年产煤量450万吨，该矿现为本部、北井、二煤扩延区和西庞井“一矿四井”的发展架构。东庞矿北井为主井回风井。有一对主副井，副井进风，主井回风。2007年12月26日投产年产45万吨的独立生产系统。为保证东庞矿北井正常生产及创造良好的办公环境，必须解决建筑供暖及井筒防冻问题。最初设计采用燃煤锅炉，由于考虑环保要求环保局未予审批，为解决建筑供暖和井筒防冻问题，东庞矿北井2008年11月完成设计施工，开始使用矿井回风换热器结合地源热泵系统进行供暖，全部实现办公楼供暖，矿井井口防冻的功能。
工程设计要求和资源条件
1.1矿井通风系统是煤矿安全生产的重要保障，对于井工开采的煤矿，一般采用抽出式通风方式，利用主扇通过回风井回风，矿井总回风直接排入大气。一般情况下，矿井总回风的温度、湿度一年四季基本保持恒定，其中蕴藏大量的低温热能，目前这部分热能没有被利用，随着矿井通风排放到大气中去。热泵是一种以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能的装置。通过热泵技术可以回收矿井总回风中低温热能，从而满足工业广场地面建筑采暖、井筒防冻及加热职工浴室洗澡热水的需求，实现煤矿企业不燃煤，取消了燃煤锅炉，达到既节约了能源，又减少了大气污染，保护了环境。
1.2东庞矿北井风源热泵的可行性研究
东庞矿北风井在东庞矿北井工业广场内，北风井的回风温度冬季为18℃，夏季为21℃，回风量为5000～6000 m3/min，即83～100 m3/s，为热泵机组良好的热源。
冬季按回风温度18℃，相对湿度为95％，提取热量后的回风温度为10℃，相对湿度为100％，则可以从回风中提取热量为：
Qｑｄ＝（ｈ1ｄ－ｈ2ｄ）×ｐｖ＝（49.21－29.28）×90×1.281
＝2298ｋｗ
式中：Qｑｄ为冬季回风换热量，ｋｗ;
ｈ1ｄ为冬季回风温度为18℃，相对湿度为95％时的焓，kj/kg;
ｈ2ｄ为冬季回风温度为10℃，相对湿度为100％时的焓，kj/kg;
ｐ为回风平均空气密度，kg/ m3 ;
V为回风量，m3/s
夏季按回风温度21℃，相对湿度为100％，吸收热量后的回风温度为25℃，相对湿度为100％，则可以向回风中释放热量为：
Qｑｘ＝（ｈ1ｘ－ｈ2ｘ）×ｐｖ＝（76.28－60.87）×90×1.281
＝1777ｋｗ
东庞矿北井工业广场按总建筑面积约6000m2计算，供暖负荷480kw，供冷负荷为570kw，井筒防冻设计总热负荷1360.6kw，浴室热水负荷480kw。总热负荷2248.6kw，总冷负荷为570kw。由以上计算矿井回风冬季提供的热量和夏季吸收的热量均大于所需热量要求。可以利用热泵技术回收北风井的热量，解决东庞矿北井建筑供暖和井筒防冻问题，矿井回风完全可以保证水源热泵系统的全年稳定运行。
2、风源热泵的工作原理和技术关键
2.1风源热泵系统工作原理
下面以制热工况说明矿井回风源热泵系统工作原理。在矿井回风源热泵系统中，如图2-1所示，矿井回风换热器实现将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热方式转移到循环水里面，循环水做为热泵系统的低温热源，经过热泵系统提取热量后，循环水温度有所降低（一般5℃），再重新送入矿井回风换热器进行热交换，循环往复。
热泵系统制热时工况时制出热水（一般50℃左右）做为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源。
图2.1矿井回风热泵系统工作原理
2.2技术关键
2.2.1矿井回风热交换器合理设计机设备制造、换热效率高，出水温度满足热泵要求；增加的通风局部阻力小，不大于50Pa；换热器防腐及降噪音功能，易检修，易维护。
2.2.2热泵机组设计及制造，合理选择压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置及制冷剂。机组效率高，低噪音，免维护，与矿井回风热交换器配套。
2.2.3井筒防冻散热器设计及制造。适应热泵机组的低水温，换热量满足要求，噪音低，自身防冻及除尘。
2.3考核指标
2.3.1矿井回风热交换器出口水温与矿井总回风的温差3--5℃；降低主扇出风口噪音30分贝；矿井回风热交换器增加局部阻力不大于50Pa。
2.3.2热泵机组热水出水温度50℃，冷水出水温度7℃；COP值，制冷工况不小于5.5，制热工况不小于4.4；高低压、断水、温度、压机过载、防冻等保护；PLC控制及汉显触摸屏显示；运行寿命20年。
2.3.3经过井筒防冻散热器后进风混合温度2℃以上；井筒防冻散热器噪音不超过50分贝；带除尘装置。
3、设备选型
3.1主要设备设计与选型
3.1.1热泵机组选型，根据设计要求和负荷计算，选用北京矿大能源安全科技有限公司研制的用于矿井废热回收的涡旋式热泵机组。它采用进口全封闭的涡旋式压缩机，采用多台模块式热泵机组组合的方式供暖和制冷可以灵活调节热泵系统的输出功率，随时满足不断变化的冷暖需求。
3.1.2 矿井回风热交换器的选型，针对矿井回风风量大、湿度大、含尘高的特点，选用专门用于矿井废热回收的回风热交换器。该换热器具有换热效率高、适合高湿度环境，可有效降低主扇噪音，具有一定的净化空气能力。
3.1.3 井筒防冻散热器选型，由于热泵系统制热时工况出水温度较低，因此必须选用与热泵系统配合使用的适应于低水温的井筒防冻散热器。
3.1.4全自动过滤器和电子除垢仪的设计安装在排风换热器和机组之间的循环管路，由于该循环系统为开放式系统，系统水与大气环境接触，加之煤矿粉尘大的实际情况，为保证机组进水清洁、延长系统使用寿命，本系统设计选用了全自动过滤器和电子除垢仪两套设备处理循环水，这两套设备与矿井排风换热器结合有效地克服了煤矿粉尘大的不利环境。
4、风源热泵系统运行效果和社会及经济效益
4.1实际运行情况
东庞矿北井在2008年11月26日使用矿井回风换热器结合地源热泵系统进行供暖，全部实现办公楼供暖，矿井井口防冻的功能。
4.1.1 矿井回风热交换器，运行状况正常，热交换器进水温度为：80C～120C。出水温度为：130C～160C。
4.1.2 矿井回风热交换器降低主扇噪声33dB。
4.1.3 热泵机组运行状况正常，达到了设计要求。
4.1.4井筒防冻散热器运行正常，出风温度为：280C～360C，冬季最冷时，副井井进风温度15℃左右。
4.1.5风机盘管运行正常，办公室温度为190C～280C。
4.2 经济及社会效益
4.2.1风源热泵系统经4年来的运行，用电量平均为197500KWh，供暖期成本为47.4万元；与燃煤锅炉相比，需要4吨锅炉1台，耗煤量0.68吨/h，供暖期费用为137万元；一个供暖期可节约运行成本89.6万元。夏季制冷期可节约19.2万元。
4.2.2采用风源热泵系统代替燃煤锅炉，每年减少燃煤1958.4t，减少CO2排放5131t，减少SO216.7t。减少了对大气的污染；同时热泵机组及水泵采用低噪声设备，运行时噪声在32分贝，而普通机组噪声约64分贝，降低了噪声污。
4.2.3风源热泵机房内设备自动化程度高，系统运行时洁净卫生，免维护性强，可实现无人值守，节约了人力资源。
5、结语
东庞矿北井利用热泵技术回收北风井总回风中的热量，解决北井建筑供暖、井筒防冻问题，取代燃煤锅炉陈旧的供暖方式，将矿井回风中的热能回收作为热泵的热源，实现了能源循环使用，同时减少CO2 、SO2等的排放，改善了矿山环境。
参考文献：
[1]于卫平王青平，水源热泵技术在山东协庄煤矿中的应用.暖通空调，2008(11).
作者简介：范步云，男，东庞矿水电公司，暖通工程师