空气能热水器在煤矿的应用浅析

朱桂芝，赵 亮，赵杭一涵

(1.山西煤炭运销集团 长治有限公司，山西 长治 046000；2.北京师范大学 珠海分校，广东 珠海 519000)

供暖是北方冬季非常重要的一项工作，而对于煤矿这个特殊的行业则更是必不可少的，煤矿需要供热的地方非常多，冬天到来时，必须为井上各分散的生产作业地点和办公场所供暖；为了防止井口结冰，保障井下温度，主、副井口也必须供热；职工升井后要洗澡，所有澡堂必须时刻有热水；矿工的衣服需要定期进行清洗，洗衣房的热水也必不可少。因此，对于煤矿企业来说，只要有生产，就不能间断供暖，而且还要保证全天候的供热。

传统的供暖主要是依靠锅炉，而且基本上都是燃煤锅炉。近年来，由于国家对环保和节能的标准和要求不断提高，燃煤锅炉逐步被取缔，出现了各种形式的供暖设备，如燃气锅炉、电加热锅炉、太阳能热水器和空气能热水器等，而使用最多最广泛的是空气能热水器，它在各种供暖设施中占的比例越来越高，由于它具有很多优点，在煤矿的使用也非常多。通过几年的推广应用，取得了良好的效果，得到了人们的充分肯定。本文着重就空气能热水器和其他供暖设施进行分析比较。

1 空气能热水器的发展历程和基本原理

1.1 空气能热水器的发展历程

空气能热水器最初产生于英国、美国、瑞士等西方发达国家，在这些国家空气能热水器市场相当成熟，占热水器市场的比例高达七成，其推广使用率也很高，欧洲的使用率高达约70%,日本的使用率则更高，将近80%。我国从20世纪50年代开始研究，60年代进行应用。最早的而且较为成熟的空气能热水器是山东康特姆公司从澳大利亚引进的，接着广东等多地开始进行大规模生产。2015年我国将空气能热泵列入了“国家重点节能低碳技术推广目录”，通过多年不断推广和发展，普及率在逐年提高，而且加工和生产工艺也越来越成熟，形成了完整的空气能热水器产业链，尤其是在广东和江浙一带，广东省产量占全国生产量的70%以上，同时，我国也逐步成为世界上空气能热水器最大的生产国和出口国。

1.2 空气能热水器的基本原理

空气能热水器是通过电能或燃油机等，给空气一定的动能，将其压缩转变为液体，从而释放出热量，也就是由电能或者化学能转化为动能，然后再通过动能将其转化为热能。其工作过程正好与液体变成气体需要吸收热量相反，是按照“逆卡诺”原理工作的，通俗讲就是依靠吸收空气中的热量来加热水的。

2 空气能热水器的组成

空气能热水器的主要组成部分有：压缩机、风机、水泵、冷凝器和热交换装置、储液器、干燥过滤器、气液分离器、油分离器、四通阀、毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀及其他阀类、高压开关、低压开关、水位开关、水流开关、电加热器、热敏电阻、增焓加热电磁阀、多路控制电磁阀、控制主板、显示面板等。

其中制冷四大件是指蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置四个部件；稳定三大件是指储液罐(压缩机)、膨胀阀(毛细管)、干燥过滤器(过滤水分和杂质)；除霜一大件是指四通阀。

3 传统取暖设施的优缺点分析

3.1 燃煤锅炉的优缺点

1) 优点。燃煤锅炉最大优点是可以燃用发热量低、灰分大的劣质煤，可以为国家节约大量的优质燃料，对于煤炭生产企业来说，燃煤更不是问题；其次，燃煤锅炉技术含量相对较低，便于维护，对维修人员的技术水平相对较低一些；再则，由于该种取暖设备推广应用时间已经很长,制度和标准完善,管理起来相对较容易。

2) 缺点。燃煤锅炉在使用过程中要消耗大量的煤炭，同时也会产生大量的废渣和有毒有害的废气，会对空气造成很大的污染，其中CO还会引起人员中毒，为了解决这些问题，需要增加烟气监测、氮氧化物排放监测装置等，并要考虑废渣存放处理等，需要大量的资金和人员，基于上述原因，国家明确将其强行淘汰。另外，大型燃煤锅炉多为压力锅炉，还存在缺水烧干等引发的爆炸事故的风险，给人民的生命财产带来很大的威胁，需要人员时刻盯守，以防意外发生；燃煤锅炉使用过程中还存在工作量较大的问题，比如原煤运进和废渣拉出，需要付出很大的体力劳动；维护量也相对较大，每年甚至每日都必须进行专门的维护和修理；同时,作为一种特种设备每年还必须对锅炉本体进行内外检、对安全阀、压力表等关键部件进行定期检测；对于司炉工还有着更加严格的特殊要求，必须进行特殊工种的培训，否则不得上岗；燃煤锅炉的吨位相对都比较大，占用场地较大，基本上都是向所有场所集中供暖，开炉和停炉影响面较大，很难进行选择性地供热，供暖管路都比较长，难以对一些偏远地点供热，而且热能损耗较大，效率较低。

3.2 燃气锅炉的优缺点

1) 优点。燃气锅炉使用时清洁环保，无炉渣，少烟雾，对环境污染相对较小，可有效改善使用单位现场环境，而且人工及水电消耗量很低；气源可以利用液态储气罐和管道输送等方式；使用的是清洁能源，燃烧时不会在炉膛内产生烟灰和积尘，因此，其运行寿命比燃煤锅炉要长；具有结构紧凑、体积相对较小，使用安全可靠、操作简便、安装迅速、效率高等特点；尾部烟气回收再燃烧和冷凝技术的推广，使其热效率大幅度提升，当排烟温度降低到80 ℃以下时，其效率可达95%以上；配置技术性能良好的工业燃烧器，采用了燃烧自动比例调节，给水自动调节，程序启停，全自动运行等先进技术，并具有高低水位报警和极低水位、超高汽压、熄火等自动保护功能。

2) 缺点。燃气锅炉用气量较大，价格不菲，成本较高；供气管路、储气罐、锅炉本体存在燃气泄漏引发有害气体中毒和爆炸的风险；部分燃气锅炉出厂产品不具备设备防爆功能，存在一定的安全隐患；当供水水压不足时容易过热保护；适用范围有所限制，不适合高寒地区和风大场所的使用；由于技术较为先进，多采用自动化控制，一旦出现故障难以自行处理，需专业技术人员进行维修处理；燃气燃烧会产生二氧化碳等温室气体，对气候和环境有一定的影响；由于气源供应相对紧张，局部地区存在气源短缺或季节性短缺的情况，存在影响正常使用的因素。

3.3 电加热锅炉的优缺点

1) 优点。电锅炉使用的是电力，所以在操作过程中非常简单；电锅炉在运行时非常安静，没有噪音污染；电锅炉安装方便，占地面积相对较小，没有烟囱和燃料的储存堆放；电锅炉所使用的燃料是电能，它具有超清洁环保的特点，不存在环境污染，是目前所有锅炉产品中最为环保的；电锅炉的热效率是最高的，不存在燃料的过度浪费；电锅炉具有高智能化的电脑控制柜，从锅炉启停、运行等一系列的操作都可实现智能化。

2) 缺点。电锅炉的电耗非常大，运行成本较高，新增时，有的需要对供电线路和变压器、开关等设备进行改造，还必须向电力部门申请增容才能满足要求，而增容又是一件牵涉好多企业的事情，做起来困难重重；电锅炉使用电能，它的供电和控制线路相对较长较多，如果维护保养不及时，极易出现线路和部件老化，产生漏电、短路等现象，甚至发生火灾和触电伤人事故。

3.4 太阳能热水器的优缺点

1) 优点。太阳能热水器不需要其他能源，节能高效而且还省钱，使用时不会对环境造成污染；由于不使用电能或者燃气，就没有触电或者中毒、爆炸等危险，所以太阳能热水器的安全性非常高；太阳能热水器的使用寿命很长，若使用合理，其寿命可长达15 a之久；太阳能热水器的温度稳定性较好。

2) 缺点。太阳能热水器受天气和季节变化的影响较大，雨、雪和阴天使用效果差；目前太阳能热水器能够服务供暖面积相对较小，而且太阳能板安装位置和空间的限制因素也很多，严重制约了它的推广应用。

4 空气能热水器的优缺点分析

1) 优点。空气能热水器是通过介质换热进行工作的，它可以克服其他取暖设施上述大部分缺陷和不足，它的电加热元件与水是隔离的，可以有效避免漏电现象，也可以防止泄漏有害气体的中毒和爆炸危险，非常安全，消除了锅炉带来的风险，而且还可以有效地避免燃煤、燃气锅炉对空气和环境的污染；空气能热水器是以空气为主体，其最大的优点就是节能，和电热水器相比，使用成本只有电热水器的1/4，和传统的燃气热水器相比，无须耗用任何燃料，使用成本只是燃气热水器的1/3；空气能热水器不需要煤炭、不需要燃气、也不需要阳光，仅仅需要很少的电能，安放位置也没有非常严格的要求，放在户内户外都可以，可以非常方便地根据需要进行集中布置和零散布置，它还不需要专门的厂房，而且使用非常方便，可就地取材，就地产生热量，只要有空气，就可以不受天气阴晴雨雪的的影响而正常工作；空气能热水器的使用寿命可以达到15～20 a，日常维护简单，勿须专人值守，依靠日常巡检即可，可以大大减少人工投入，降低成本。

2) 缺点。空气能热水器受环境温度的影响比较大，当今市场上大部分的空气能热水器设计正常工作温度在0～40 ℃，因此在环境温度比较高的南方，使用效果会很好；而在冬季气温只有-10 ℃的北方地区，很难达到设计效果；当气温为-20 ℃及其以下时，机组甚至无法启动。

5 结 语

在我国，煤炭在一次能源生产结构中长期占比约75%，据2019《BP世界能源统计年鉴》数据显示,2018年世界煤炭产量为80.13亿t,其中我国生产煤炭36.8亿t，约占世界的46%；由此可见，煤矿在我国国民经济的地位还是非常重要的，而且它数量众多，是我国的热能利用大户。

煤矿既是能源生产基地，又是能源消耗大户，同时又是环保检查的重点单位，在煤矿既有超大容量的供电系统，又有非常严格的供电要求，同时又有最严格的安全管理标准；既有非常大的工业场地，又有星罗棋布的供热需求点，因此在燃煤锅炉淘汰退出后，替代供暖设施的选择就非常重要。基于对上述各供暖设施的优缺点分析,结合煤矿生产实际，从安全、环保、节能、经济、实用等方面进行综合考虑，空气能热水器是最优选择。