可再生能源在矿井中的设计应用

张群涛

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

杨村煤矿职工浴室每天约2300 人洗浴，日洗浴用水量约500 m³。现浴室采用外购高压蒸汽直接加热的方式制取洗浴热水，存在耗能高、运行费用高、噪音大且加热不均匀等现象，亟需新的热水制备方式加以替代。

1 矿井可利用的清洁能源种类和资源

1.1 空压机余热

杨村矿共设有3 台250 kW 的空压机，一用两备。空压机运行时，约80%的输入电能转化成为热量，通过风冷或水冷的方式排放到空气中。通过对空压机冷却系统的改造，可以将这部分余热提取加以利用，余热提取比例约为输入电能的60%，提取的余热量：Q1=250×60%=150 kW，每天可制备48 ℃热水约80 m3。

1.2 矿井水余热

矿井每天上井的矿井水量约为5000 m³，生产系统及井下回用约3500 m3，可用于提取热量的矿井水量约为1500 m3/d，按提取温差8 ℃计算，矿井水可提取的热量为：

热泵COP 按4.0 计，矿井水余热每天可制备48℃热水约440 m3。

1.3 太阳能

杨村煤矿地处山东西南部，平均年总太阳辐照量为4 895.39 MJ/m2a。根据直接太阳能系统集热器面积公式，将1 m3的水从12 ℃加热至48 ℃所需要的集热器面积：

式中：qc为水量；C为水比热，kJ/（kg℃）；tr为热水温度，℃；t为冷水温度，℃；Jt为平均日太阳辐照量，kJ/m2d；f为太阳能保证率；bj为集热器补偿系数；ηj为集热器的年平均集热效率；η1为热损失率。

浴室和六座宿舍楼的屋顶可用来布置太阳能集热器，有效使用面积约4300 m2，夏季晴朗天气下每天可制48 ℃热水约420 m2。

2 实施方案[1-6]

2.1 设计原则

综合三种可再生能源特点，设计采用空压机余热+太阳能+水源热泵共同制取洗浴热水。设计原则如下：1）太阳能可以正常使用的时段内，太阳能+空压机余热能满足制备500 t 热水的要求。2）阴天和冬季太阳能无法使用时，压风机余热和水源热泵能满足制备500 t 热水的要求。3）太阳能和空压机余热均无法使用的极端情况，仅水源热泵短时也能满足制备420 t 热水的要求。

2.2 系统设计

在矿井空压机房设置空压机余热回收子系统，在矿井水处理站建设矿井水余热回收子系统，在矿井浴室附近建设太阳能集热子系统。

2.2.1 空压机余热回收子系统

空压机余热回收子系统由热水循环系统、补水系统、控制系统等组成。运行原理：空压机运行产生的热量，通过油水板换（一级换热器）将热量传递至一次水中，再通过二次水水板换（二级换热器）将冷水加热至50 ℃，储存在蓄热水箱内。系统原理图如图1，主要工艺设备见表1。

表1 空压机余热回收子系统主要工艺设备表

图1 空压机余热回收子系统原理图

2.2.2 矿井水余热回收子系统

矿井水余热回收系统由水源热泵、板换、一次和二次侧循环水泵、储水箱、补水系统、控制系统等组成。系统运行原理：将矿井水通过板式换热器换热产生低温循环水送入水源热泵蒸发器提取热量，冷凝器产生高温循环水通过板换加热中间储热水箱中的水。系统原理如图2，主要设备见表2。

表2 矿井水余热回收子系统主要工艺设备表

图2 矿井水余热回收子系统原理图

2.2.3 太阳能子系统

太阳能子系统采用间接集热系统，在浴室和宿舍楼楼顶布置太阳能集热管，太阳能集热机房布置储热水箱、循环水泵、板换等设备。系统运行原理：太阳能集热管吸收太阳辐射热加热太阳能储热水箱中的水至53 ℃，二次侧循环水泵运行通过板式换热器加热洗浴水箱内的冷水。系统原理图如图3，主要工艺设备见表3。

表3 太阳能子系统主要工艺设备表

图3 太阳能子系统原理图

2.2.4 联合运行

在矿井水余热回收站设一个120 t 的中间储热水箱，在太阳能集热机房设两个120 t 的洗浴水箱兼作空压机余热回收和太阳能子系统的储热水箱。两处水箱通过管道连接，中间储热水箱水温达到设定温度，自动开泵把热水送至洗浴水箱内。

空压机余热回收子系统全天运行，太阳能子系统白天运行，当中间储热水箱内的水温低于45 ℃时，矿井水余热回收子系统启动制热，水温达到设定值时，矿井水余热回收子系统停止运行。

3 应用效果

为实现节能运行，各子系统需结合工作特点和天气、季节特征确定合理的系统运行策略，见表4。

表4 系统运行策略分析表

经调试，三个可再生能源利用子系统均制热良好，达到了预期效果。年运行费用分析见表5。

表5 系统年运行费用分析

4 结论

可再生能源利用是国家大力提倡的新兴用能方式。矿井采用压风机余热+太阳能+水源热泵联合运行制取洗浴热水，实现了可再生能源的全年回收利用，年运行费用为161.64 万元，具有良好的经济效益。