地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)是一種從地下水資源中提取熱量從而達到高效、節(jié)能、環(huán)保、再生的供熱(冷)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成熟的熱泵技術、暖通空調(diào)技術及地質(zhì)勘察成井技術于一體，在相對穩(wěn)定的水體溫度下高效、穩(wěn)定、經(jīng)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(chǎn)生活系統(tǒng)冬季供暖和夏季制冷以及職工洗浴問題。該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)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(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、各種制冷管道配件和電器控制系統(tǒng)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(jié)流膨脹成低壓液體后，進入蒸發(fā)器蒸發(fā)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(huán)不已。此時，制冷環(huán)境需要的冷凍水在蒸發(fā)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(jié)流膨脹成低壓液體，進入蒸發(fā)器器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)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(huán)不已。此時，供熱環(huán)境需要的熱水在冷凝器中獲得。

2 杏山鐵礦水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)構成

杏山鐵礦位于河北省遷安市木廠口鎮(zhèn)白龍港村村西約0.5 km處，其地理坐標為東經(jīng)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(qū)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(qū)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(lián)模式布置，390 kW，熱泵與上述機組并聯(lián)。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(tǒng);生活辦公建筑供暖、制冷系統(tǒng)和浴室洗浴熱水加熱系統(tǒng)。針對上述系統(tǒng)定制的監(jiān)控系統(tǒng)，使得管理者和項目維護人員可以在線實時監(jiān)控設備運行情況，處理現(xiàn)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(tǒng)

自動控制系統(tǒng)選用德國西門子品牌6ES7400系列 PLC，帶以太網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)機組、循環(huán)泵系統(tǒng)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(xiàn)由井口混合后熱風溫度自動調(diào)整組合式空調(diào)機組、電加熱、水源熱泵機組的運行狀況，循環(huán)水泵、組合式空調(diào)機組、水源熱泵機組能實現(xiàn)機旁控制和集中控制功能。整個系統(tǒng)實現(xiàn)全流程自動控制，正常生產(chǎn)時采用主控室集中控制，機旁配操作箱，用于檢修時現(xiàn)場操作，通過手自動轉(zhuǎn)換開關進行轉(zhuǎn)換。

杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程自控系統(tǒng)可分為實時應用信息系統(tǒng)、硬件設備2個部分，其中硬件設備又可分為監(jiān)控數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)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(shù)的檢測、報警、聯(lián)鎖及PID調(diào)節(jié)回路的連續(xù)控制和邏輯控制。對各種參數(shù)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(jiān)控中心。機房內(nèi)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(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的分析、存儲及備份等，方便監(jiān)控人員及相關人員進行歷史數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)。通過BS結構的組態(tài)技術，將熱泵機房5臺熱泵機組、4臺組合式空調(diào)機組、5臺水泵、管路的進出水溫度、壓力、閥門開閉狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)通過專用阻燃/屏蔽通用信號電纜傳輸?shù)街鞣掌魃希瑢崟r監(jiān)測運行狀態(tài)及工況、故障報警、維護提醒等全方位的運行生產(chǎn)信息，保障設備正常運行，將設備故障阻止在萌芽狀態(tài)，節(jié)約設備維修養(yǎng)護費用。主機設備自帶PLC控制系統(tǒng)并通過DP網(wǎng)與主PLC進行數(shù)據(jù)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(tǒng)內(nèi)，方便管理操作。

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

(4)歷史查詢智能分析系統(tǒng)。通過對首鋼礦業(yè)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(diào)機組、水泵、管路的進出水溫度、壓力、閥門開閉狀態(tài)實時數(shù)據(jù)的采集，利用實時應用信息系統(tǒng)進行相關的智能分析，以科學的數(shù)據(jù)分析手段對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行分析比較，評估設備運行工況，制定出更優(yōu)化的系統(tǒng)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(xiàn)井口結冰形成懸掛冰凌，威脅井下作業(yè)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(jù)杏山鐵礦實際情況，水源熱泵共投資1 738.96萬元，較傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)。水源熱泵機組工況穩(wěn)定，系統(tǒng)簡單，運行可靠，維護費用低，環(huán)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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