热泵技术利用乏风余热联合供暖的优势

黄 栋，王鹏科，谭 乐，李 斌

(1.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001；2.陕西省何家塔煤矿，陕西 榆林 719000；3.延安市煤矿安全监测监控中心，陕西 延安 716000；4.延安能源化工(集团)有限责任公司，陕西 延安 716000)

0 引言

根据国家目前及以后严格的环保政策要求，煤炭生产企业、城乡居民供暖将按照“宜煤则煤、宜电则电、宜气则气”的原则发展。陕北地区冬季大气最低温度达到-28 ℃，煤矿每年冬季供暖期最长为180 d。榆林某煤矿目前计划改造地面建筑供暖设施及主井井口供暖方式，该矿年产120万t，地面建筑设施需供暖的面积近10万m2。其中，居住、办公建筑供暖需达到22 ℃以上，面积约3万m2；机修车间、栈桥、装车站、污水处理厂等井上非居住建筑需要供暖到7 ℃以上，矿井主井口需供暖2 ℃以上且无结冰现象[1-4]。该矿为有效利用副井乏风余热，拟通过双级螺杆压缩式热泵机组和超低温空气源热泵联合的方式供暖，具体为，先回收副井井口乏风热量并通过换热器进行换热[5-7]，再以双级螺杆压缩式热泵机组将所换热量用来制取热水[8-10]，以期满足全矿的居住、办公供暖需求。

1 乏风余热及各供暖方式对比

1.1 乏风余热

该煤矿副井乏风量为5 800 m3/min，出风温度15 ℃，湿度75%，使用双极螺杆压缩式热泵机组后，乏风排风温度为5 ℃，湿度为100%。其中热泵机组中进介质的温度为-2 ℃，出介质温度为3 ℃。根据相关参数可得，乏风在温度为15 ℃，湿度为75%时，空气密度1.214 kg/m3，焓值为35.3 kJ/kg；在温度为5 ℃，湿度为100%时，乏风焓值为18.6 kJ/kg，故吸收副井乏风的热量Q=5 800×1.214×(35.3-18.6)=1 960 kW，根据每平米需热量为0.05 kW计算，可满足39 200 m2的供暖需要，在满足该矿建筑供暖的需要后，仍有近万平方米的富余。

1.2 各供暖方式对比

电厂热源热电联供供暖：若采用6 km以外电厂热源热电联供供暖，需铺设来回约12 km的管路线，每千米需要征地费、工程费、管线设施费及其他不可预见费用等共1.2亿元左右。另煤矿铺设管道还需要进行线路勘探、绕开采空区及村庄，如此将会延长管线，增加投资。供暖基础建设全部建成投运预计总投资额近2亿元左右。该方案建设基础工程投资巨大，特别是征地费用耗资巨大、战线长，后期管理复杂。

燃气锅炉供暖：若建设燃气锅炉供暖，除了管线建设费用外，接口费、两用一备3台燃气锅炉及矿区管道集中改造费(包括一进风井口两套热风机组建设)等，需要建设费用1.2亿左右。虽然建设投资费用相对电厂热源供暖基础建设投资少，但弊端在于供暖气源无法得到保证，结合我国天然气储量和开发利用不足的现状，过度开发扩大天然气供暖，将导致冬季无法保障生产企业用气。

煤粉锅炉供暖：若该矿建设煤粉锅炉供暖，需3台20 t煤粉锅炉，两用一备。其中，管道集中配套及主井暖风的两套热风机组等配套设施约需总投资7 000万元左右。因煤粉锅炉属于高压力锅炉，需要每年检测费用高，消烟除尘、脱硫脱硝系统目前很难达到国家要求的环保排放标准，且需要上线整个检测系统，管理不到位会造成环境污染。且煤粉锅炉运行过程中需要技术人员较多，高压锅炉运行安全风险较大。

电锅炉供暖：若建设电锅炉供暖，需要6台3 000 kW电锅炉。分区布置及一个需要暖风的主井口再配套2套热风机组等费用共需要投资4 000万元左右。虽然总投资较小，但电热锅炉后期运行耗电量巨大，煤矿供暖成本太高。如子长县南家咀煤矿(年产120万t)使用电锅炉，因每年采暖电费过高，现已拆除并更换为双级螺杆压缩机热泵机组和超低温空气源热泵的联合供暖方式。

热泵技术联合供暖：若该煤矿建设超低温空气源热泵机组及矿井乏风利用双级螺杆压缩式热泵机组的联合供暖，需要煤矿乏风利用热泵机组2台，-35 ℃超低温空气源热泵多台。其中，设备安装、基础配套、供电设备等总共投资需要5 000万元左右。超低温空气源热泵属于国家大力推广的新技术节能环保的供暖设备。该矿矿井乏风的热效再利用，将能满足近10万m2的供暖需求。

2 选择联合供暖方式的原因

通过5种供暖方式的对比，该煤矿目前选用超低温空气源热泵机组及双级螺杆压缩式热泵机组联合供暖方案比较合理，具体理由如下。

2.1 基础设施投资和运行安全性

基础设施投资：在基础设施方面，联合供暖方式比电厂热源供暖基础建设节约1.5亿元左右，比燃气锅炉供暖基础建设节约7 000万元左右，比煤粉锅炉供暖基础建设节约2 000万元左右。但比电锅炉基础建设投资相对多，然而电锅炉后期运行电费太高，能耗巨大。

运行安全性：燃气锅炉、煤粉锅炉运行安全管理责任较大。运行管理人员较多，锅炉检测维护工作繁重，消烟除尘，脱硫脱硝设施、设备维修几率大，运行中经常会出现停机、停炉现象。超低温空气源热泵机组及乏风利用双级螺杆压缩式热泵机组，常年自动化运行，稳定无故障，使用安全性高。

2.2 运行能耗

运行能耗主要在于建筑物供暖和冬季矿井送风，现对超低温空气源热泵机组(联合供暖方式)和间接加热式电热中央热水机组(电锅炉)的运行费用进行计算分析。

建筑物供暖：以满足1 000 m2的建筑物供暖需求的能耗进行对比分析。冬季供暖天数为180 d，综合每天间歇运行时间为12 h，系统的满负荷利用率为60%，电费为0.7元/(kW·h)，建筑物冬季供暖所需的总热量为103 680 kW·h。采用超低温空气源热泵机组时，综合冬季室外工况，按照室外温度为-25 ℃考虑；在此温度下，超低温空气源热泵机组出水60 ℃时,机组的能效比为2.89，即输入1 kW的电量可产生2.89 kW热量；可计算得所需电量为35 878 kW·h，所需的运行费用为25 114.6元。采用间接加热式电热中央热水机组(电锅炉)时，电能热效率为90%，即输入1 kW的电量可产生0.9 kW热量；可计算得所需的电量为115 200 kW·h，则所需的运行费用为80 640元。可以发现，采用超低温空气源热泵机组，每年节约电79 322 kW·h，节约运行费用55 525.4元。

冬季矿井送风：冬季矿井送风天数为130 d，24 h不间断运行，按照室外温度-25 ℃、系统的满负荷利用率为50%、电费0.7元/(kW·h)计算，矿井送风系统所需的总热量为546 000 kW·h。当采用超低温空气源热泵机组时，综合冬季室外工况，超低温空气源热泵机组出水60 ℃时，机组的能效比为2.89，即输入1 kW的电量可产生2.89 kW热量；则所需的电量为188 927 kW·h，所需运行费用为132 248.9元。采用间接加热式电热中央热水机组(电锅炉)时电能热效率为90%，则所需电量为606 667 kW·h，所需运行费用为424 667元。综合可得采用超低温空气源热泵机组，每年可节约电能417 740 kW·h，节约运行费用292 418.1元。

3 应用实例

3.1 子长县扇咀湾煤矿

供暖效果：扇咀湾煤矿设计年产45万t，矿井提升矸、混煤90万t以上。回风井乏风风量为2 800 m3/min，温度13 ℃，使用1台368 kW双级螺杆压缩式热泵机组满足了地面1.8万m2的居住、办公等各类建筑的供暖需要。使用超低温空气源热泵供应暖风，使得进风口温度高于2 ℃，井口无结冰现象；其他如机修车间、仓库、洗煤厂等非居住建筑温度达到7 ℃以上。该地区冬季大气温度最低-21 ℃，与乏风利用热效温度相差近30 ℃左右，有效利用了乏风余热，达到了节能供暖效果。

费用：对比扇咀湾煤矿之前采用的4台4 t常压燃煤锅炉供暖方式，乏风利用热泵机组供暖单个采暖季节约电能费用10万元，节约人工费用为18.9万元，节约维修费用2万元，达到了节能70%以上的良好效果。经过1 a的使用，矿方职工普遍认为供暖热效高，运行平稳。

3.2 子长县自备煤矿

供暖效果：子长县自备煤矿设计年产45万t，提升混矸煤90万t。煤矿回风井乏风风量为2 600 m3/min，乏风温度15 ℃。使用1台368 kW双级螺杆压缩式热泵机组与2台100 kW超低温空气源热泵分区满足了地面1.5万m2的居住、办公等各类建筑的供暖需要；且进风口温度、非居住建筑均满足供暖要求，有效利用了乏风余热。

费用：子长县自备煤矿原采用2 t洗浴锅炉1台、采暖7 t锅炉1台、主井口供热风7 t热风炉1台、洗煤厂4 t锅炉1台进行供暖。改为联合供暖方式后，单个采暖季节约电能费用10万元，节约人工费用21万元，节约维修费用3万元，共计节约采暖费用近35万元。

4 结语

综上，该煤矿通过对子长县扇咀湾煤矿、自备煤矿使用热泵技术联合供暖效果的考察论证，结合在东部地区煤矿调研的情况，认为相比目前其他供暖方式，联合供暖方式具有供暖节能高、无任何污染等优势，且运行安全稳定，可自动化运行实现无人值守运行和在线监测。2019年该煤矿启动安装工程，冬季即可实现节能供暖的目标。该供暖方式为子长矿区乃至整个西北矿区冬季供暖环保节能节效做出了样板，实现了重大的环保战略意义，值得广大的煤炭企业重视并推广。