热泵技术在矿业生产中的应用

孙瑞科

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司平顶山分公司，河南 平顶山 467000）

当前时期，社会经济日新月异飞速发展，能源问题已经跃居为全世界共同关注的一个热点问题，而我国又是一个能源消耗大国，节能减排和可再生能源利用刻不容缓节约能源技术成为人们重点研究内容。近年来，热泵技术作为一种新能源技术深受世界各国的重视。热泵利用水作为介质来提取能量用于制冷或制热，主要是从地下水中提取不能直接利用的低品位热能，通过消耗少量的高品位能源，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。因水源热泵技术具有运行稳定、节水节地、高效节能等优势，现阶段，被广泛应用于公共在建项目、工业生产等领域；在我国工业产业居多，为了减少污染，节约能源，一些城市逐渐开始应用热泵系统进行制冷和供暖。

1 热泵技术工艺原理

冬季主要利用热泵技术吸收水源、空气等中的能量，将吸收的热量输入建筑设施，一般来说，采用热泵技术，用户可以获得比热泵消耗高4倍的制冷量和制热量，如应用热泵时每消耗1kw能量，就会为矿企提供4kw的热量或冷量。根据水泵对水源的利用情况，热泵可分为闭式和开式两种形式。水源作为热泵的冷、热介质，需要满足下面条件：①需确保水源储存数量。②确保将水温控制在7℃～30℃间，作为一类较为理想的水源，矿井水不但有丰富的储存量，且有较为稳定的水温，同时水质也较佳。

（1）工艺流程。在此过程中形成的矿井水由水泵系统抽至地热交换系统，根据热泵原理由机组运行实现矿井水能量交换，通过管道运输到矿山建设设施满足冬、夏两季所需的热负荷和冷负荷，热交换后的废水可回用于工业用水，下图1为水源热泵系统。

（2）技术原理。①制冷。矿井水作为空调机组冷却水先流入旋流除砂器除砂，再用电子水处理仪除去絮状物，制冷剂向冷却水（矿井水）中放出热量，形成高温高压液体，并使冷却水的水温升高。②供暖。高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向供暖用水中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得供热水。为供热设备提供热量。

图1 矿井总回风与矿井排放能量的热泵系统

2 热泵技术在矿业生产中应用的优势

在井下开采过程中，经常会有大量矿井水从井底涌向地面。这部分矿井水温变化不大，水量全年稳定，含有大量低温热能，是一种有效、稳定、有价值的冷热源。从环境保护的角度去处理矿井水达到排放标准，既会浪费水资源，同时对矿井水中含有的余冷与余热没有进行有效的开发、利用，会严重的浪费能源。据此可知，在矿井中应用水热泵技术有很大的优势，矿井水可通过热泵系统对能量进行释放，进而产生冷量与热量，甚至有可能完全取代当前的小型锅炉。

热泵除具备低运行成本，没有污染优势外，在矿业生产中应用还有如下优点：

（1）在应用水热泵技术时，一般要先论证项目所处位置的水文状况，在充分了解工程地区的水资源资料后，还要有效掌握地下水种类、含水层厚度、水温、水位变化等，因同安全生产有直接关系，所以，在矿山开始建设时就应该先勘查地下水文地质状况，因井水排放多伴随有矿山的生产过程，能够及时监测和掌握矿井水的温度、水量等参数，从而使热泵技术在矿业生产的应用拥有了更方便的条件。

（2）通常而言，抽取地下水后用在热泵机组后需要应用回灌措施，避免过度抽排导致地面下沉，基于矿山采掘业特性，将水热泵机组提取热量后，矿井水可重复作为井下和工业场地的生产与生活用水，同时也可用作附近农田灌溉和村子供水，最终节省了回灌地下水步骤。

（3）热泵机组在应用地下水之前，为保证其能够满足机组要求，应使用过滤与沉淀等措施进行处理。矿井涌水多是深层地下水，除了矿井开采的干扰外，水质良好，原有的水处理设施在地面工业场地也能起到预处理的作用，这在很大程度上为热泵机组的正常运行提供了有效保障。

（4）矿企在矿井水处理和有相关人员培训上经验丰富，在热泵技术的应用和管理上优势显著。

3 热泵技术特点

（1）是再生能源利用技术。作为供暖空调系统，热泵利用地表浅层能源为冷热源进行能量转换。地表浅层能源也是一种储量丰富、清洁可再生资源。

（2）环境效益突出。热泵制冷制热系数超过空气热泵约40%，水源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量并降低污染物排放量；与传统空调装置相比，该装置的充注量减少了20%。供热中，热泵无污染物产生，占用空间小。

4 热泵技术的效益分析

（1）经济效益。将原矿井水处理站消防水池作为热源池，可节省土建投资约300万元；应用水源热泵空调系统比使用矿物燃料燃烧的锅炉，每年能节约约为85.6万元的能源费用。热泵整体配套工程开始时尽管会投入大量的资金，但该矿却使用了能源管理模式，最终有效的解决了资金问题，因热泵技术的优点是高利用率、高环保等，为此，想要保证能够最大程度发挥出应用价值和推广价值，只需要改进系统的相关技术。

（2）社会效益。①该技术完全符合了国家资源综合利用扶持政策和循环经济发展模式，可有效的保护矿产资源。②此技术应用后，改变了矿区将原有的燃烧能源为锅炉供热，有效的实现了制热成本的降低，并且也有效的改善了矿区环境。③充分保证了矿井安全性的提升，同时也有效改善了井下工人工作环境；④在设备运行过程中，不存在燃烧、爆炸等隐患，对安全管理十分有利。⑤找到了矿井水利用的新方法。

5 结语

现阶段随着我国社会经济日新月异的飞速发展，各行业也得到了显著的进步，矿山生产行业也不例外也取得了巨大的进步。在矿井中，通过矿井水热量交换，水热泵技术可有效保证矿井施工冬、夏季的取暖与制冷，保证正常用水，具有十分显著的社会与经济效益，同国家相关能源发展以及环保有关精神相符合，由于热泵技术有较高的适应性，所以可广泛的应用在矿山生产中，助力矿企早日实现健康可持续发展。