赵固煤矿低温余热利用系统优化设计

罗景辉，韩子辰，熊楚超，侯立泉，张昌建，刘 欢

(1.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北省暖通空调技术创新中心，河北 邯郸 056038)

随着社会经济的快速发展，节能减排、能源高效利用越来越得到重视，为减少能源消耗和降低环境污染，许多煤矿已逐渐替换了燃煤锅炉供暖系统[1-5]。回收煤矿余热资源解决矿区供热问题的技术手段已得到推广应用[6-10]。近年来，国内外开展了许多关于余热资源回收利用的研究[11-16]，特别是对余热资源结合热泵供暖系统的研究。孙学梅等[17]对矿井水水源热泵供热系统进行了现场实测，并对冬季运行性能及经济性进行了分析，结果表明该系统具有较好的应用效果。李建锋等[18]通过对电厂水与热泵耦合供暖系统的能效分析，提高了系统运行性能。贾欣等[19]对污水源热泵供暖供冷系统进行了实测分析，并建立模型得出系统变频运行可提高运行效果。冯硕等[20]对地下水地源热泵供暖系统开展了实测分析，得出该系统运行稳定，供暖效果较好，但存在耗电输热比较大，水泵运行效率较低等问题。综上所述，余热资源结合热泵技术是一种较好解决用户供暖问题的方式，但可以看出大多余热回收供暖系统都是单一余热源，本文余热回收供暖系统采用矿井排水、空压机、瓦斯抽放站多低温热源余热回收联合供暖，低位热源不同连接方式导致不同温度的低位热源利用率不同，对系统进行实际测试和性能分析十分必要。

1 项目简介

赵固煤矿位于河南省卫辉市，该矿矿井排水、瓦斯泵站、空压机余热资源丰富，采用热泵技术以矿井排水、空压机余热和瓦斯泵站余热为低温热源对建筑进行供暖。建筑类型为办公楼、宿舍楼、澡堂及更衣室和工业性建筑，总建筑面积为43145m2。煤矿多种低温热源耦合热泵系统原理如图1所示。从图1可看出，系统主要由板式换热器、循环水泵、3台水-水换热地源热泵机组等组成。该煤矿多种低温热源耦合热泵系统的制热系统由3台水-水换热地源热泵机组成，承担所有建筑的热负荷，余热回收系统为所有机组提供低位热量，三种低温热源并联连接。

图1 煤矿多种低温热源耦合热泵系统原理

2 项目测试

为评估系统的运行性能，在2019—2020年采暖季1月7日至1月13日期间对该系统进行了现场测试。测试期间开启了2台水源热泵机组，测试参数包括供/回水温度、流量和机组耗电量等参数。使用温度记录仪测量水源热泵机组负荷侧供/回水温度、内循环供/回水温度以及各个低温热源侧供/回水温度，仪器测量范围-50℃～100℃，测量精度±0.3℃，记录仪测量间隔为1min。使用超声波流量计测量水流量，使用DCZ电能综合测试仪记录设备耗电参数，精度为±1%。测试设备见表1。

表1 测试设备参数

实验选取2019—2020年采暖季1月7日至1月13日期间对该系统进行了现场测试。制热工况下的主要气象数据如图2所示。测试阶段室外的平均温度为-2.97 ℃。选取该时间段内运行数据进行分析。

图2 测试阶段室外的温度与湿度数据

测试期间机组内循源水侧、用户侧供/回水温度以及低温热源侧供/回水温变化情况如图3所示。从图3可以看出：测试期间空压机余热供水温度有规律的波动，主要是空压机首要任务是加热洗浴热水，其次是作为本项目中的低温热源。瓦斯抽放站供水温度波动不大，在27℃左右，回水温度在15.9℃～21.4℃之间呈有规律波动，其波动规律与空压机余热的供水温度波动规律相同，说明空压机余热不能提供较多的热量时瓦斯泵站会提供更多的热量。矿井水的供水温度波动不大在16.9℃左右，回水温度略有波动，在15.4℃左右，其波动规律也与空压机余热供水温度的变化规律相同。机组内循环源水侧进水温度基本保持不变，进水平均温度为18℃，出水平均温度为14.9℃；机组用户侧供回水温度波动不大，供水温度为51.4℃左右，回水平均温度为42.9℃左右。综合分析，机组内循环源水侧供/回水温度和用户侧供/回水温度波动不大，说明低温热源充足，能够满足热泵工作需求的热量。矿井排水的供回水温差过小，主要是热泵低温需热量小，瓦斯泵站和空压机余热温度高，进入机组的温度达到18℃，出水温度为14.9℃，出水温度与矿井水的温差较小，矿井排水的余热量没有完全发挥出来。

图3 测试期系统水温变化情况

系统低温余热回收热量变化如图4所示，低温余热包括空压机余热、瓦斯抽放站余热和矿井水余热。从上述热量回收情况来看，瓦斯抽放站余热回收较为稳定，空压机和矿井水余热互相耦合变化，由于空压机和瓦斯抽放站余热温度高、末端需热量少、回水温度高，矿井排水余热波动较大，没有得到充分的利用，仍有较大的利用空间。

图4 测试期系统回收余热量变化情况

3 建立系统模型

煤矿多种低温热源耦合热供暖统主要由低温余热回收系统、热泵制热系统、控制系统组成。

3.1 低温余热回收模型

板式换热器是余热回收、流体换热系统中最常用的换热元件，余热回收的热量由低温热源流经板式换热器的进口温度、出口温度、流量和板式换热器换热效率决定。余热回收热量由式(1)决定。

Q=G×cp×(T1-T2)

(1)

式中，G为低温热源的流量，kg/s；cp为流体的定压比热容，kJ/(kg·K)；T1为低位热源进板换时的进口温度，℃；T2为低位热源出板换时的出口温度，℃。

3.2 热泵制热模型

系统供热量Q，按下式计算：

式中，QH为系统的供热量，kW·h；ρ为水的密度，kg /m3；cp为水的比热容，kJ/(kg·K)；V为系统循环流量，m3/h；tw1i为i时刻供暖系统供水温度，℃；tw2i为i时刻供暖系统回水温度，℃；Δti为i次测试时间间隔，s；T为测试周期。

以机组运行性能系数COP来衡量其工作性能。按式(3)计算：

COP=Q/W

(3)

式中，W为热泵系统压缩及消耗功；Q为热泵系统制热量。

3.3 煤矿多种低温热源耦合供暖系统模型

选取TRNSYS为主要模拟分析软件。TRNSYS瞬态模拟煤矿多种低温热源耦合热泵系统的计算模型涉及热量交换、热泵系统两大类，包括板式换热器、水泵、热泵机组、分流器等十几个常用部件，能模拟余热回收、制热、和热泵等系统。在 TRNSYS中搭建的煤矿多种低温热源耦合热泵系统的模型如图5所示。所用部件主要有：数据读取Type9e、出流管负荷Type682、水-水热泵机组Type225、定速循环泵Type114、恒定效率换热器Type91、在线图形绘图仪Type65d、温度控制器Type2b以及计算器。

图5 煤矿多种低温热源耦合热泵系统模型原理

Type682：出流管负荷模块，用来代替房间负荷的模块，需将负荷值输入其中。Type225：热泵机组模块，该模块按照设定的热泵机组额定参数，根据负荷侧和源侧的流体温度、流量，模拟热泵机组模型。当机组制热制冷控制信号都存在时，不会出现报错，制热优于制冷模式运行。设定机组额定制热量1816kW，额定供水温度为52℃，额定COP3.325。Type114：水泵模块，该模块模拟了一个定流量水泵模型，根据设定的流量及控制信号实现对水泵出口流量的控制。Type65a：具有输出文件的在线图形绘图仪模块，该模块可将模拟结果以画图的形式呈现给用户，用以检查模拟是否按预期运行，可及时发现错误。

4 模型与实际运行情况对比

选取2020年1月7日至1月13日内运行数据，将当天室外的气象参数、建筑负荷、瓦斯抽放站供水温度、矿井排水供水温度和空压机供水温度作为模型输入，对比模型负荷侧供/回水温度、内循环供/回水温度以及各个低温热源侧供/回水温度的输出与现场测试的6个温度测点的温度。实际运行数据以及与模型计算结果的比较如图3、图6所示。

图6 实测值与模拟值对比

选取测试期间2020年1月8日一天内，实测值与模拟值进行对比，可以看出模拟值与实测值存在一定的误差，但变化趋势相同且相对误差较小，说明热泵机组的模拟运行值比较贴近实际情况。

实际情况下，由于空压机余热源在某一段时间需要向其他场所提供热量，所以在这段时间空压机余热源供水温度会大幅降低。可以很明显看出，在空压机余热供水温度降低的时间内，瓦斯抽放站和矿井排水余热源的回水温度会降低，说明此时空压机提供的热量不足，需要瓦斯抽放站以及矿井排水提取更多的热量来补充。

因为系统模拟的负荷侧供水温度恒定，而在实际情况下，负荷侧供水温度是波动的，所以导致模拟情况下内循环需要提供更多的热量来保证负荷侧供水温度的恒定，因此内循环进出口温度在空压机余热供水温度降低的时间段内会略微下降。

负荷侧供/回水温度、内循环供/回水温度以及各个低温热源侧回水温度的软件模拟数据与实测数据吻合度较高、软件的模拟误差在允许范围内，可认为该数学模型可靠。

5 利用模型对系统进行优化

低温热源并联流程是指将与各低位热源换热的板式换热器并联在一起，内循环介质经过并联的各板式换热器换热后进入热泵机组。现在讨论将各低位热源依次串联，对串联流程下低位热源回水温度与串联流程下低位热源回水温度进行比较分析。

由于各低位热源供水温度不同，矿井排水供水温度在17℃左右，空压机供水温度在25℃左右，瓦斯抽放站供水温度在27℃左右，各低位热源存在温度梯度，所以设计各低位热源按温度由低到高以及由高到低两种方式进行串联。如图7所示，串联流程与并联流程总流量相同，各低位热源依次串联在一起，低位热源温度由低到高时，内循环介质先与矿井排水换热，再与空压机换热，最后与瓦斯抽放站换热；低位热源由高到低时，低位热源串联顺序正好相反。

图7 煤矿多种低温热源串联耦合热泵系统模型

串联和并联两种不同连接方式时，不同低位热源供回水温度变化情况如图8所示。可以看出在低位热源温度由低到高串联与并联时相比：矿井排水串联方式下供回水温差比并联方式下供回水温差大，空压机串联方式下供回水温差比并联方式的供回水温差基本相同，瓦斯抽放站串联方式下供回水温差比并联方式下供回水温差小。说明在低位热源温度由低到高串联流程下能从矿井排水余热中提取比并联流程下更多的热量；在低位热源温度由低到高串联流程下经过与矿井排水的换热后，从空压机余热中提取的热量与并联流程下提取的热量基本相同，当空压机余热温度低于内循环温度时，空压机余热源会从内循环中吸热，使余热源回水温度略高于供水温度，但这段时间不长，所以影响不大；在低位热源温度由低到高串联流程下经过与矿井排水、空压机的换热后，从瓦斯抽放站余热中提取的热量比并联流程下提取的热量少。

图8 串并联流程下余热供回水温度

可以看出在低位热源温度由高到低串联与并联时相比：瓦斯抽放站串联方式下供回水温差比并联方式下供回水温差大，空压机串联方式下供回水温差比并联方式的供回水温差基本相同，矿井排水串联方式下供回水温差比并联方式下供回水温差大。说明低位热源温度由高到低串联流程下，能从瓦斯抽放站余热中提取比并联流程下更多的热量；在低位热源温度由高到低串联流程下经过与瓦斯抽放站的换热后，从空压机余热中提取的热量与并联流程下提取的热量基本相同；在低位热源温度由高到低串联流程下经过与瓦斯抽放站、空压机的换热后，当空压机余热温度不足时，从矿井排水余热中仍提取比并联流程下更多的热量，当空压机余热温度正常时，内循环在空压机提取足够的热量，使内循环介质温度高于矿井书余热源，矿井水余热源会从内循环中吸热，使余热源回水温度略高于供水温度，但这段时间不长，影响不大。

由于保持内循环总流量不变，所以在串联流程下，经过各低位热源的流量会增大。串联流程下能从各低位热源中提取比并联流程下更多的热量主要是因为换热温差以及流经低位热源的流量增大。

将各低位热源按照温度梯度从低到高依次串联，不仅保证了内循环的温度，而且可有效提升对温度低的低位热源的热量利用效率。由于从温度较高的低位热源中提取的热量减少，所以温度较高的低位热源就可以将这部分热量另作他用；将各低位热源按照温度梯度从高到低依次串联，可有效提升对温度高的低位热源的热量利用效率，同时温度较低的低位热源也有不错的利用率。结果表明，串联流程与并联流程相比对温度低的低位热源的热量利用率要高，但是低位热源温度由低到高串联流程比低位热源温度由高到低串联流程对温度低的低位热源的热量利用率要高；低位热源温度由高到低串联流程对温度高的低位热源的热量利用率比低位热源温度由低到高串联流程以及并联流程都要高。

6 结 论

1)多种低温热源耦合热泵供暖系统运行稳定，多种热源相互补充，技术方案可行。

2)模拟值与实验值对比结果表明，负荷侧供/回水温度、内循环供/回水温度以及各个低温热源侧回水温度模拟数据与实测数据变化趋势相同且相对误差较小，该模型较好地反映了对象特性，可用于煤矿多种低温热源串联耦合热泵系统实验的进一步研究。

3)煤矿多种低温热源串联耦合热泵系统的3种低位热源有串联和并联2种连接方式，串联方式又按低位热源温度高低分为2种方式。2种低位热源串联流程都比并联流程对温度低的低位热源的热量利用率更高；低位热源温度由高到低串联流程对温度高的低位热源的热量利用率比低位热源温度由低到高串联流程以及并联流程都要高。