信湖煤矿余热资源与水源热泵技术的综合应用

王勇毅

(北京社会管理职业学院，北京 102628)

1 工程概况

淮北矿业集团信湖煤矿余热资源综合利用项目在安徽省涡阳县信湖煤矿矿区内，信湖煤矿隶属淮北矿业集团，位于涡阳县境内，跨花沟、公吉寺、楚店、城西4个乡镇。矿井及选煤厂设计生产能力均为3.0 Mt/a，井深1 000 m，可采煤层7层。井田面积约131.5 km2。冬季历年最低平均气温为-8 ℃。地面建筑面积约80 000 m2，现总设计职工为4 000人，每天3班。信湖煤矿矿井深，其矿井总回风、矿井总排水中蕴藏大量的低温热能，可以利用水源热泵技术与气水热交换系统相结合的方式回收矿井回风、矿井排水中的余热资源，代替锅炉系统进行供暖和代替中央空调系统进行供冷，从而保证信湖煤矿办公、生活、生产的需要。信湖煤矿由于矿井井深已达1 000 m，根据设计院的《信湖煤矿井田勘探报告》，本区恒温带深度为30 m，其温度为17.1 ℃。本区地温梯度1.7 ℃/hm～3.3 ℃/hm，平均为2.70 ℃/hm，属于地温正常区。-413 m～-538 m以下已进入一级高温区(≥31 ℃)，-684 m～-765 m水平温度已进入二级高温区(≥37 ℃)，-967 m水平平均地温为44 ℃。在建设及开采过程中,应该采取综合的措施进行热害防治,确保安全。信湖矿煤矿有大量可利用的矿井回风及矿井排水低温热源，矿井总回风温度在23 ℃～28 ℃之间，相对湿度在90%～100%左右；矿井总排水量设计为490 m3/h，实际排水量较小，预计100 m3/h，温度为28 ℃，矿井总回风及矿井排水中能量储量大，完全可满足信湖矿煤矿冬季热源、夏季冷源需求。采用矿井回风、排水与水源热泵技术相结合将矿井回风及矿井排水中热能回收利用，冬季可以通过水源热泵和供暖系统向办公楼、生活区、井筒等提供能够供办公楼、宿舍等生活区及矿井井筒使用的供暖热源，夏季可以通过水源热泵及风机盘管系统向办公楼、生活区等提供能够供办公楼、宿舍等生活区使用的供冷冷源，实现了现场没有任何污染物体排放的目标。而且采用矿井回风与水源热泵技术相结合的技术措施还可以大大降低风井回风的噪声，有利于减小噪声污染。矿井回风经气水热交换系统进行热交换后，排气中所含的粉尘等污染物会大大的降低，从而达到减少空气污染物排放的目的，且有利于大气的环保和符合政府倡导的金山银山就是绿水青山的发展理念[1-3]。

2 水源热泵技术+矿井回风及排水资源+气水换热系统技术

2.1 热泵技术

热泵技术利用低温热源转化成能够进行供暖和制冷的新型能源。热泵技术应用最广泛的是水源热泵技术，水源热泵技术就是冷却水侧循环系统由水源代替了传统的冷却塔，不仅仅可以利用地表水、地下水，还能利用煤矿、热电厂、铝厂、化肥厂等诸多厂矿企业的工业废水，从中提取出能够供热泵机组使用的低温热源，实现把低品质热能转化为高品质热能，达到能够使用的条件，从而实现了对工业废水的二次利用，同时还对节能减排和环境保护工作的推进具有重要的战略意义。

2.2 矿井回风低温热能回收与水气热交换系统技术的综合应用

矿井回风一年四季源源不断，风量大，温度相对稳定，蕴藏着巨大的热能和冷量，是热泵系统理想的低温冷热资源。冬季可以作为热泵系统的热源水，从中提取热能，制取50 ℃以上的高温热水，为井口防冻、工业广场的地面建筑供暖，为加热浴室洗浴热水提供热量。夏季可作为热泵系统的冷却水，向其排放热量，制取热泵系统负荷侧能够使用的7 ℃以下的冷冻水，为工业广场的地面建筑的夏季空调系统提供冷量。气水热交换系统通风阻力小，增加阻力小于100 Pa，对风机影响极小。具有明显的降噪效果，可降低风井回风噪声30 dB(A)。气水热交换系统通过水喷雾与矿井中含有余热的风资源进行充分接触，从而达到充分热交换的目的，实现热量的传递。并通过充分的气体与水喷雾之间的热交换，使喷出的水雾能够从矿井回风中吸收大量的显热和潜热，然后进入汇水池，经沉淀处理后进入全自动水处理装置进行二次处理，经二次处理后的可供使用的水资源进入水源热泵冷却水侧的蓄水池，产生能够供水源热泵系统使用的可靠水源。

2.3 矿井排水与水源热泵技术的综合应用

矿井排水中含有大量的低品位热能资源，在煤矿排水中往往经过处理后进行排放，不仅浪费了矿井排水中的余热资源，而且所排放的水中含有的热量排放到空气中还造成了环境温度的升高，形成了一定的热污染，通过水源热泵系统利用排放的矿井排水中余热资源不仅能够提取其中的低品质热能，还能降低排水的水温，对环境保护有一定的效果，同时实现了余热资源的二次利用，间接的节约了一些能源。在利用矿井排水水资源时，通过全自动水处理装置对矿井排水进行水处理，达到符合水源热泵使用要求后进入水源热泵冷却水侧的蓄水池供水源热泵使用。

3 水源热泵系统综合分析

3.1 信湖煤矿冷热负荷统计

根据淮北矿业集团提供的与之有关的信湖煤矿各类建筑面积及其冷热负荷等数据进行归类统计，汇总整理统计如表1所示。

表1 信湖煤矿冷热负荷统计表

3.2 信湖煤矿热源情况

根据淮北矿业集团提供的关于信湖煤矿各种信息如下：信湖煤矿矿井回风温度23 ℃～28 ℃，湿度90%～100%，冬季按23 ℃考虑，夏季按28 ℃考虑，相对湿度全年按95%考虑，生产中期风量388 m3/s矿井。矿井排水量初步设计为490 m3/h，根据目前矿井水出水量，对比周围同类矿井，按70 m3/h考虑，水温按25 ℃计算。信湖矿矿井总回风和矿井排水蕴含热能非常丰富，矿井通风系统总回风量达到388 m3/s时完全可以满足全矿用热需求。

3.3 水源热泵系统与水气热交换系统相结合的技术性分析

根据负荷情况配置3台HE700热泵机组和11台HE1400热泵机组。

热泵机组型号:HE-700;具体参数如下：名义制热量:706.9 kW;名义制冷量:609.2 kW;名义耗电功率(制热):146.76 kW; 名义耗电功率(制冷):106.3 kW;最小水源水流量:65.8 m3/h;制热热水流量:116.1 m3/h;名义工况:冬季制热出水温度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水温度5 ℃～15 ℃;外形尺寸(长×宽×高): 4.5 m×1.48 m×2.05 m;质量:3 800 kg。

热泵机组型号:HE-1400;具体参数如下：名义制热量:1 413 kW;名义制冷量:1 218 kW; 名义耗电功率(制热): 294 kW; 名义耗电功率(制冷):213 kW;最小水源水流量:132 m3/h;制热热水流量:233 m3/h;制冷水源水流量:112 m3/h;制冷冷水水流量:210 m3/h;名义工况:冬季制热出水温度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水温度7 ℃～12 ℃;外形尺寸(长×宽×高):4.8 m×2.2 m×2.25 m;质量:7 500 kg。

夏季：最热季节8台HE1400热泵机组和2台HE700台热泵机组工作，提供建筑空调，同时提供洗浴热水。

冬季：最冷季节11台HE1400及3台HE700热泵机组提供建筑采暖和井筒防冻热源及洗浴热水。

过渡季：2台HE700台热泵机组工作提供洗浴热水。矿井回风通过气热交换系统把矿井回风中的余热转化为可供水源热泵使用的余热水资源。矿井排水利用主要从污水处理厂引水(由于矿井设计涌水达到490 m3/h,据此从污水处理厂建设设计能取水300 m3/h的管路到蓄水池)。通过矿井回风余热和矿井排水余热形成的余热水资源最终供水源热泵系统使用[4-6]。

水源热泵系统是利用水资源中的低品质热能转换成能够使用的高品质热能，但它有局限性，它的局限性在于只能利用可利用的水源，而不能直接从矿井回风中吸取可利用的低品质热能。采用水源热泵冷却水系统中的循环水与信湖煤矿矿井回风中含有的余热通过水气热交换系统进行水气热交换，取得能够供水源热泵直接使用的低品质热能。水气热交换系统含水喷雾系统、水收集装置、沉淀池、全自动水处理装置、循环水泵、补水装置、相应管线等输送至能够供水源热泵机组使用的水源热泵集水池。并结合矿井排水中经全自动水处理后输送，如水源热泵集水池的低品质热水形成可供水源热泵系统使用的低品质热能。水气热交换系统中的水喷雾热交换系统采用镀锌钢管加水喷雾装置并互相连接，最终形成水喷雾网络，从而通过水气热交换系统中的水喷雾网络与矿井回风中带有低品质热能的回风进行水气热交换。通过水气热交换系统中的水喷雾网络与矿井回风中携带的热能进行充分接触，使水雾能够吸收到矿井回风中携带的低品质热能，并且通过热交换吸收到矿井回风中的显热和潜热，从而提高了热交换效率。同时还能减少矿井回风中含有的污染物的排放，保护了大气环境，减少了大气污染(见图1)。

3.4 水源热泵系统经济型分析

根据以上水源热泵系统设备配备情况及以下水源热泵系统运行情况进行综合性经济分析。

水源热泵系统中采暖、空调及井筒防冻系统运行基本参数如下:制冷周期:90 d/a;供暖周期:120 d/a;日开机时间:10 h/d(夏季),24 h/d(冬季);平均电价:0.6元/度(见表2)。

表2 采暖、空调及井筒防冻系统运行情况

水源热泵系统中洗浴热水系统运行基本参数如下:运行周期:270 d/a;日开机时间:12 h/d;平均电价:0.6元/度(见表3)。

表3 洗浴热水系统运行情况

综上所述运行费用加上每年运行人员工作8万元及维修费用1万元后，每年水源热泵系统运行总费用为471.312 5万元，约为471万元。

根据传统运行模式运行情况每年运行费用约为1 743万元，较水源热泵系统每年的运行费用高出很多，通过水源热泵系统不仅仅利用了矿井回风余热资源和矿井排水余热资源，而且每年还节约了大量的运行费用。避免了能源的浪费，提高了节能率，并符合国家节能环保的大政方针，使得水源热泵得到了更广泛的应用，并取得了良好的收益。同时证实了水源热泵系统在矿井回风余热回收中的技术可行性和经济可行性。

4 结论

通过使用水源热泵系统技术既保障了信湖煤矿矿区井筒供暖、浴室洗浴热水、生产生活建筑供暖，还为空调系统提供了冷源供给，并从经济角度证实了水源热泵技术在矿井回风和矿井排水中的经济可行性，同时达到了节约能源与环境保护的目的。

通过水源热泵技术与矿井回风资源及水气热交换系统的结合使用，利用矿井回风中含有的低品质余热资源，实现了低品位热源向高品质热量的转化。并且规避了水源热泵只用于水资源的局限性，拓展了水源热泵的使用范围，为水源热泵使用环境的多样化提供了方向。

矿井回风经水气热交换系统后，降低了矿井回风中所含的粉尘等污染物的排放量，同时有利于提高空气品质，使空气品质更环保、更利于健康，达到了保护环境的目的。

通过水源热泵技术与矿井排水余热资源的综合利用，实现了从矿井排水中提取低温余热等低品位热源向高品位热源的转化，实现了对矿井排水的二次利用，同时减少了矿井排水对空气的余热排放，响应了节能与环保要求。