地下水源熱泵空調系統在首鋼杏山鐵礦的應用

孟令民

(唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責任公司)

地下水源熱泵空調系統是一種從地下水資源中提取熱量從而達到高效、節能、環保、再生的供熱(冷)系統。該系統集成熟的熱泵技術、暖通空調技術及地質勘察成井技術于一體，在相對穩定的水體溫度下高效、穩定、經濟地運行。杏山鐵礦引進了意大利克萊門特公司的水源熱泵機組，利用地采井下外排水為水源，解決了杏山鐵礦生產生活系統冬季供暖和夏季制冷以及職工洗浴問題。該系統節能環保，運行和維修方便，取得了良好的效果。

1 水源熱泵的工作原理

水源熱泵的工作原理如圖1所示，系統由壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥、各種制冷管道配件和電器控制系統等組成。

在制冷模式時，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機出來后進入水/制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高。到熱膨脹閥進行節流膨脹成低壓液體后，進入蒸發器蒸發成低壓蒸汽，同時吸收空氣的(水)的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環不已。此時，制冷環境需要的冷凍水在蒸發器中獲得。

在供熱模式時，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機壓出后進入冷凝器，同時排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進行節流膨脹成低壓液體，進入蒸發器器蒸發成低壓蒸汽，蒸發過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環不已。此時，供熱環境需要的熱水在冷凝器中獲得。

2 杏山鐵礦水源熱泵空調系統構成

杏山鐵礦位于河北省遷安市木廠口鎮白龍港村村西約0.5 km處，其地理坐標為東經118°31'53″～118°32'56″，北緯39°55'51″～39°56'59″，屬燕山支脈南麓，低山丘陵地貌，年平均溫度10.10℃，極端最高溫度38.9℃，極端最低溫度－28.2℃。杏山地采平均涌水量為447.4 m3/h，且溫度恒定(常年17℃左右)。

圖1 水源熱泵工作原理

杏山鐵礦在極端溫度下需提供熱量總負荷為7 396.5 kW，其中廠區采暖需1 151.6 kW，副井井口通風需6 244.9 kW，故選擇4臺1 500 kW水源熱泵用于廠區供暖和副井井口通風，不足部分采用1 500 kW電加熱作為補充，利用舊試驗機組390 kW熱泵，常年供職工洗浴。4臺1 500 kW熱泵采用串并聯模式布置，390 kW，熱泵與上述機組并聯。水源熱泵流程如圖2所示。

圖2 水源熱泵流程

杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程分為井口防凍系統;生活辦公建筑供暖、制冷系統和浴室洗浴熱水加熱系統。針對上述系統定制的監控系統，使得管理者和項目維護人員可以在線實時監控設備運行情況，處理現場的異常狀況或進行工程維護，使維護工作變得及時、高效，并降低了工程維護成本。

3 自動控制系統

自動控制系統選用德國西門子品牌6ES7400系列 PLC，帶以太網通訊處理器。過程站選用ET200及配套組件通過使用PROFIBUS總線與主PLC實現通訊。主機通過交換機與上位機連接(采用光纖連接)，可以在中控進行集中控制。實現了新增4臺水源熱泵機組及1臺舊水源熱泵機組、組合式空調機組、循環泵系統的集中控制功能，并有5臺水泵的控制(啟停)及4個模擬信號輸入接口，在副井井口設置鉑熱電阻測溫裝置，能實現由井口混合后熱風溫度自動調整組合式空調機組、電加熱、水源熱泵機組的運行狀況，循環水泵、組合式空調機組、水源熱泵機組能實現機旁控制和集中控制功能。整個系統實現全流程自動控制，正常生產時采用主控室集中控制，機旁配操作箱，用于檢修時現場操作，通過手自動轉換開關進行轉換。

杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程自控系統可分為實時應用信息系統、硬件設備2個部分，其中硬件設備又可分為監控數據中心、數據采集、機電設備啟停控制、壓力/溫度/液位傳感器等。完成各種工藝設備啟停控制與過程參數的檢測、報警、聯鎖及PID調節回路的連續控制和邏輯控制。對各種參數進行實時、歷史趨勢記錄。上位軟件采用Wincc6.2，編程軟件采用STEP7 V5.4。

(1)監控中心。機房內配備1臺標準機柜，用于存放服務器、交換機和UPS電源等設備。主服務器負責現場采集數據的分析、存儲及備份等，方便監控人員及相關人員進行歷史數據查詢。電力方面，配備UPS電源，保證在電力中斷的情況下能正常工作4 h。布線:采用專用阻燃/屏蔽通用信號電纜由副井到熱泵機房，再由熱泵機房到控制中心。

(2)設備運行實時監控系統。通過BS結構的組態技術，將熱泵機房5臺熱泵機組、4臺組合式空調機組、5臺水泵、管路的進出水溫度、壓力、閥門開閉狀態的實時數據通過專用阻燃/屏蔽通用信號電纜傳輸到主服務器上，實時監測運行狀態及工況、故障報警、維護提醒等全方位的運行生產信息，保障設備正常運行，將設備故障阻止在萌芽狀態，節約設備維修養護費用。主機設備自帶PLC控制系統并通過DP網與主PLC進行數據交換，以達到可以通過中空進行控制，各輔機設備均納入主PLC控制系統內，方便管理操作。

(3)井口防凍實時監控系統。通過在副井井口及送風處(組合式空調機組)安裝溫度傳感器，將井口的實時溫度上傳到監控中心的上位機，上位機經過實時應用信息系統分析溫度數據，與室外氣溫變化，調節送風溫度，保證井口溫度控制在2℃以上，實現自動化控制應用。

(4)歷史查詢智能分析系統。通過對首鋼礦業公司杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程的熱泵機組、組合式空調機組、水泵、管路的進出水溫度、壓力、閥門開閉狀態實時數據的采集，利用實時應用信息系統進行相關的智能分析，以科學的數據分析手段對現場實時數據與歷史數據進行分析比較，評估設備運行工況，制定出更優化的系統運行方案。

4 效益分析

按照地下總排水量300 m3/h考慮，390 kW熱泵正常用水為25 m3/h(最低14 m3/h也可使用)，4臺1 500 kW水源熱泵總用水量為276 m3/h，單臺用水情況及耗電情況見表1。

表1 單臺耗水及耗電情況

井口進風溫度必須保證2℃以上，避免出現井口結冰形成懸掛冰凌，威脅井下作業人員安全。室外溫度變化與杏山鐵礦水源熱泵需水量關系計算如表2所示。氣溫－11℃以上時，1～2臺1 500 kW熱泵供熱;氣溫－11～－15℃時，3～4臺1 500 kW熱泵;氣溫－15～－21.9℃時逐步投入1 500 kW電加熱供熱。

根據杏山鐵礦實際情況，水源熱泵共投資1 738.96萬元，較傳統的燃煤鍋爐加太陽能熱水器方式需投入1 631.59萬元高107.37萬元。但每年的運行費用僅127.95萬元，比傳統的方式少128.78萬元，0.83 a收回多投入的資金。因此由水源熱泵取代熱風爐作為副井井口通風預熱熱源，同時作為其他點位供暖熱源總體效益遠高于傳統方式。

表2 室外溫度變化與杏山鐵礦水源熱泵需水量關系計算

5 結語

水源熱泵系統可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的2套裝置或系統。水源熱泵機組工況穩定，系統簡單，運行可靠，維護費用低，環保，自動控制程度高，使用壽命長可達到15 a以上，在地采礦山的應用前景廣闊。

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［3］ 李 艷，王召文.開式水源熱泵水系統方式的研究［J］.煤炭工程，2006(8):95-97.