水源热泵技术在煤矿低温余热资源利用中的应用

杨 丁，龙祖根，杨亚帆

(1.贵州大学矿业学院， 贵州贵阳 550003;2.贵州省煤矿设计研究院， 贵州贵阳 550025)

煤矿在建设生产过程中存在大量的矿井排风和矿井废水，在这些排风和废水中又存在着大量的低温余热资源，矿方一般很少利用这些低温余热资源，而是任其白白散失于外界环境，造成了资源的浪费。另一方面，煤矿工业场地还存在洗浴热水和建筑采暖等用热需求，根据对煤矿实际调查，它们一般通过燃煤(燃油)锅炉提供，需消耗大量的燃煤或燃油，而且燃煤或燃油过程中还向周围环境排放了大量的废气，造成环境污染。潜在低温余热资源的白白浪费，大量燃煤、燃油的消耗，周边环境的污染，这一煤矿普遍问题的存在，完全不符合国家实施节能减排的初衷，是现今亟待解决的问题。

1 煤矿低温余热资源分析

煤矿低温余热资源主要有矿井排水和矿井排风，配备有瓦斯发电厂的煤矿其瓦斯发电乏气余热也是主要的低温余热资源。

矿井排风:回风温度一年四季约在18°左右，相对湿度接近100%，其温度、湿度一年四季变化不大，蕴含的大量低温热能未得到利用，回收利用价值高。

矿井排水:矿井排水温度较高，全年温度变化不大，大部分需全天排放，其中蕴含着大量的低温热能，回收利用价值高。

瓦斯发电乏气余热:利用瓦斯发电的高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，其发电机组排气温度在550℃左右，蕴含的大量低温热能，可进行回收利用。

2 煤矿低温余热资源利用技术

目前在理论上较为成熟且已投入实际应用的煤矿低温余热资源利用技术为水源热泵技术。

2.1 水源热泵技术

水源热泵技术是一种以可再生能源—浅层低温热能(矿井水、矿井总回风等蕴藏的低品位热能)为热源，以消耗少量电能为代价，能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的新型、节能环保型节能技术。其核心是水源热泵，水源热泵是一种热能置换装置，输入少量电能驱动机组运行，机组就可以把低品质(低温位)热能置换到高品质(高温位)，供人们加以利用。通常热泵消耗1 kW的电能，用户可以得到4 kW以上的热量。目前较为成熟的水源热泵有同方人工环境有限公司的SGHP系列、北京矿大节能科技有限公司的HE640热泵机组。

(1)矿井排水低温资源提取工作原理。井下排水经处理后，排至热泵机组蓄水池，热泵机组提取潜在低温热源后，作为采暖、空调、洗浴供热，见图1。

图1 矿井排水低温资源提取工作原理示意

(2)矿井排风低温资源提取工作原理。在排风井井口设置喷淋塔、翅片换热器等设备，进行空气－水换热，并将冷却水收集，经处理后，排至热泵机组蓄水池，热泵机组提取潜在低温热源后，作为采暖、空调、洗浴供热，如图2所示。

图2 矿井排风低温资源提取工作原理示意

2.2 水源热泵技术的优势

(1)高效节能。水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。

(2)属可再生能源利用技术。通过水源热泵技术回收矿井总回风、矿井排水等资源中蕴藏的低温热能，为煤矿冬季采暖、一年四季洗浴热水提供热源，为夏季中央空调提供冷源，废热回收利用、符合循环经济原理。

(3)节水省地。以矿井排水和矿井回风为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会造成污染;省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。

(4)节能、减排效益显著。水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，实现煤矿不燃煤，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染;供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会引起城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。

(5)一机多用，应用范围广。水源热泵机组供热可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

3 水源热泵技术实际应用

3.1 项目概况

重庆某煤矿为新建矿井。矿井设计生产能力60万t/a，设计服务年限52.9 a，矿井采用综合机械化采煤方式，分区式通风系统。矿井在籍总人数1600～1700人，矿井工业广场总热负荷2530.5 kW，总冷负荷为2241.3 kW。

采用水源热泵技术回收矿井低温热能，解决冬季建筑采暖、全年洗浴热水热源和夏季建筑空调冷源。该矿可利用的低温废热资源有矿井回风热能和矿井排水热能。

3.2 矿井回风低温热源分析

(1)冬季提取的热量。矿井回风量149 m3/s，冬季按回风温度19℃，相对湿度为85%，提取热量后的回风温度为10℃，相对湿度为95%，则可以从回风中提取的热量为3606.9 kW。按照热泵机组的综合能效比COP为4.5计算，则可产生的热量为:4637.43 kW。

(2)夏天吸收的热量。夏季按回风温度22℃，相对湿度为95%，吸收热量后的回风温度为32℃，相对湿度为100%，则矿井回风可以吸收的热量为8140.5 kW。按照热泵机组的综合能效比COP为5.0计算，则提供的冷量为 6783.7 kW。

3.3 矿井排水低温热源分析

(1)冬季提取的热量。矿井排水量为260 m3/h，矿井排水温度为20℃左右，若这部分矿井水先进行提热后再作它用，按10℃温差提取热量，则从矿井排水中可提取的热量为3023.8 kW;按照热泵机组的综合能效比COP为4.5计算，则可产生的热量为3887.74 kW。

(2)夏天吸收的热量。矿井排水量仍按260 m3/h计算，按15℃温差吸收热量，则从矿井排水中可吸收的热量为4535.7 kW;按照热泵机组的综合能效比COP为5.0计算，则提供的冷量为3779.7 kW。

3.4 技术路线

(1)冬季。2台HE640型机组为洗浴热水提供热量，2台HE640型机组提供建筑物采暖热量。地面建筑采暖供热量:2×652.2=1304.4 kW，洗澡热水供热量:2×652.2=1304.4 kW。

(2)夏季。4台HE640型机组提供空调冷量。最大制冷量:4×580=2320 kW，夏季热回收机组提供洗浴热水，剩余1台机组在冷凝热无法满足洗浴热水负荷要求时启用。

(3)过渡季节。2台HE640型机组运行，提供洗澡热水热量。

3.5 经济分析

采用水源热泵技术，需投资953万元;而传统锅炉、中央空调加风井除尘系统约895万元。水源热泵技术初期投资较高，但水源热泵系统比传统锅炉房方式节约年运行费约261.71万元，从长远来看，煤矿采用水源热泵技术相比传统锅炉房方式更具有竞争力，经济分析见表1。

表1 运行费用分析对比

3.6 环境效益分析

水源热泵系统无需耗煤，没有燃烧过程，不存在固体废弃物、有毒有害气体及烟尘排放等问题，不消耗水资源，不污染地下水质，因而是环保、高效的供热方式。据测算，相比于传统的供热方式，每年可减少 SO2排量 102.8 t、CO2排量 13366.08 t、煤炭消耗5141 t，具有显著的环保效益。

4 结语

水源热泵技术是一种以可再生能源——浅层低温热能(矿井水、矿井总回风等蕴藏的低品位热能)为热源，是一种以消耗少量电能为代价，能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的新型、节能环保型节能技术。该项技术不仅能解决矿井低温余热资源的利用，实现节能减排，而且相对于传统供热方式，在经济上具有更大竞争力，有利于利用低温余热资源，减少资源损耗，具有一定的推广价值。

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