淺談熱泵技術的應用

尹建芳，李燎原，武寶珍

(西山煤電(集團)有限責任公司東曲礦，山西 古交 030200)

熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術，目前在國內也廣泛應用。熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱，經過電力驅動壓縮機做功，輸出可被人們所用的高品位熱的設備，是一種節能、環保、清潔的采暖和熱水設備。

1 水源熱泵可以解決的問題

水源熱泵可取代傳統鍋爐房，為煤炭、鋼鐵等生產企業提供一年四季的洗浴熱水;取代傳統鍋爐房，提供工業和民用建筑物采暖;取代中央空調機組，為工業和民用辦公生活場所提供夏季空調。

2 熱源水泵系統的基本組成和原理

熱泵一般由四部分組成:壓縮機、蒸發器、冷凝器(散熱器)和節流閥。外圍部分包括:10℃以上(最理想的溫度范圍為12℃ ～30℃)低溫循環水池或循環水源系統、55℃左右高溫循環水池或循環水系統。

其工作流程為:1)低溫低壓的液態制冷劑(例如氟利昂)，在蒸發器內從低溫熱源(例如低溫水)吸熱并汽化。2)壓縮機汽化后的氟利昂氣體壓縮，此時氟利昂變成高溫高壓氣體。3)高溫高壓氣體氟利昂經節流閥后進入散熱器，體積增大，冷卻凝結成液體氟利昂，同時釋放出熱量。如此完成一個熱能搬運循環，見圖1。

3 東曲礦廢熱資源利用分析

目前，西山煤電(集團)公司東曲礦每天洗浴熱水用水量約為800 m3，廢水排水量按用水量的80%回收，約640 m3/d洗浴廢水可以利用，考慮礦井的發展前景，當生產能力擴大到600萬t后，職工人數增加，每天洗澡熱水量將達1 300 m3，則每天可以回收利用的洗浴廢水將達1 000 m3，春夏秋三季洗浴廢水排水溫度穩定在31℃左右。目前洗浴廢水直接排入生活污水管路，其中蘊含的大量低溫熱能未得到利用。如按照22℃溫差進行提熱，應用熱泵機組運行16 h，按照熱泵機組的綜合能效比COP為4.5計算，則熱泵機組提取廢熱后可提供的熱量為1 315 kW;考慮生產能力擴大到600萬t后，洗浴熱水量增加到1 300 m，則可提供熱量為2 056 kW。

圖1 熱泵工作原理示意圖

此外，礦井日排水量約為5 000～6 000 m3/d，春夏秋三季的排水溫度9℃ ～12℃，在西平硐附近設有1 200 m3的礦井水池，蘊含的低溫熱能也可以通過熱泵技術提取應用。如機組每天運行20 h，則礦井水每小時可為熱泵機組提供的用水量250 m3，春夏秋三季的排水溫度按最不利9℃計算，經過提取熱量后為5℃，按照熱泵機組的綜合能效比COP為4.5計算，則可產生的熱量為:1 495 kW。綜上，可提供的冷熱源統計見表1，表2。

表1 生產能力達600萬t以上時廢熱資源統計表

表2 現有廢熱資源統計表

根據公共浴室給水排水設計規程規定，在該礦洗浴用水量為800 m3時，洗浴小時耗熱量為2 732 kW，在洗浴用水量為1 300 m3時，小時耗熱量為3 325 kW。

綜上，得出洗浴熱水熱量供需對比見表3。

表3 洗浴熱水熱量供需對比表

從表3可以看出，回收洗浴廢水和礦井水的熱量完全可以滿足福利樓洗浴熱水春夏秋三季的用熱需求。

4 熱泵技術特點

熱泵技術是一種以可再生能源—淺層低溫熱能(包括淺層地下水、生活污水、工業廢水、礦井水、礦井總回風等蘊藏的低品位熱能)為熱源的新型、節能環保型冷暖中央空調系統。它具有冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷及常年提供衛生熱水的功能，是一種以消耗少量電能為代價，能將大量無用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的裝置。

采用洗浴熱水、煤礦排水廢熱回收熱泵技術方案優點如下:

1)高效節能。

水源熱泵的能效比(COP值)理論計算為7，實際運行中可達4～6。

2)利用可再生能源利用技術。

通過熱泵技術回收洗浴廢水、礦井水中蘊藏的低溫熱能，為一年四季洗浴熱水提供熱源，廢熱回收利用、符合循環經濟原理。

3)節水省地。

以洗浴廢水、礦井水為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染;省去了鍋爐房及附屬設備、煤場等，機房面積大大小于常規鍋爐房，節省建筑空間又美觀。

4)節能、減排效益顯著。

熱泵機組供熱時省去了燃煤、燃氣等鍋爐房系統，實現不燃煤，無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染。不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是環保產品。

5 熱泵技術項目效益分析

1)變廢為寶。符合國家循環經濟、節能減排產業政策和山西省委省政府轉型發展的總體要求;實質性減輕全局環保壓力，節約煤炭資源;全面提升企業形象品位。

2)經濟效益:與燃氣鍋爐運行成本費用相比，該項目將為企業直接節約費用690萬元。

3)社會效益:該項目不出渣、零排放，每年減排CO2總量為 31 870.8 t，減排 SO2總量為 245 t，改善礦區居住環境，為碧水藍天做出了貢獻，既是德政工程，也是民心工程。

4)符合我國環保保護與能源節約的政策，同時還符合申請政府發改委、經信委、環保主管部門等部門最高達投資額30%的項目政策獎勵條件。

東曲礦熱泵技術的應用將使洗浴廢水、礦井水源中的低品位熱能轉化為高品位熱能，提供春夏秋三季洗浴熱水和冬季部分洗浴用水用熱需求。切實解決該礦燃氣爐加熱洗浴熱水高耗能的實際問題，經濟效益可觀、社會效益顯著，還能享受國家有關政策表彰獎勵，宜積極采用。