礦井廢熱在水源熱泵空調、生活熱水系統的應用

尹貞勤 （煤炭工業合肥設計研究院，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

皖北煤電集團朱集西礦的井下降溫與熱能利用的設計及工程總承包由我院承擔，其熱能利用為：四季利用廢熱供浴室洗浴用熱水，冬季利用廢熱供空調及浴室洗浴用熱水。本文就其廢熱利用實踐做介紹。

該礦井開采深度最大達到-960m，巖層溫度分布如下：恒溫帶深度為-30m，常年基本保持為16.8℃左右。恒溫帶以下為增溫帶，該處受大地熱流的作用，地溫隨深度的增加而升高，平均百米溫度梯度為2.78℃/hm，開采工作面最深處（-960m）巖溫達42.65℃。

2 礦井廢熱

礦井的巖壁、采掘工作面采落的煤巖、井下的熱水等均與空氣進行熱交換，以及井下機電設備工作散熱、人體散熱等。此外，隨著空氣向礦井深部流動，空氣位能減少，因體積壓縮轉化為熱能而使氣溫升高。在沒有對井下人工降溫的情況下，氣溫甚至達到40℃，在冬季通風溫度低于0℃時，作業面空氣溫度仍超過26℃。為了排除這些余熱，使礦工的工作環境得到改善，就需對井下進行人工降溫，井下降溫制冷系統將井下余熱以冷凝熱的方式經冷卻塔排至大氣中，這是礦井廢熱的第一部分；礦井廢熱的第二部分是：井下通風氣流在吸收井下余熱后，排風溫度較高，即使在冬季排風溫度也達到20℃。

2.1 制冷系統的冷凝熱

井下降溫系統全年運行，前期夏季總制冷量為12000kW，前期冬季制冷量為2517W；后期夏季總制冷量為18000kW，后期冬季制冷量為4260W。對應上述制冷量的冷凝熱如下：前期夏季井下降溫系統的冷凝熱為14500 kW，前期冬季井下降溫系統的冷凝熱為3039 kW。后期夏季井下降溫系統總冷凝熱為21750 kW，后期冬季井下降溫系統的冷凝熱為5015 kW。這些冷凝熱如果通過冷卻塔排至大氣中，非常可惜，同時還對環境造成熱污染。

2.2 礦井排風的廢熱

礦井排風量為380m3/s，冬季排風溫度為20℃左右，礦井排風熱交換器實現將礦井排風中所蘊含的大量熱能通過噴淋換熱方式轉移到循環水里面，循環水作為熱泵系統的低溫熱源，經過熱泵系統提取熱量后，循環水溫度有所降低（一般溫降為5℃），再重新送入礦井回風熱交換器進行熱交換，循環往復。排風溫度由20℃降至8℃，則排風具有可利用的顯熱為：

式中：Q——排風顯熱量（kW）

G——排風質量流量，（kg/s），空氣密度按1.2kg/m3

Cp——空氣比熱，Cp=1.01（kJ/kg·℃）

t1——排風換熱前溫度（℃）

t2——排風換熱后溫度（℃）

由式（1）計算Q=GCp(t1-t2)=380×1.2×1.01（20-8）=5526.72kW

礦井排風與噴淋的冷水接觸時，冷水在排風換熱器內由5℃加熱到10℃，排風溫度降低至露點溫度（16.5℃）以下，排風中的水蒸汽會凝結放出潛熱，排風總換熱量會大于上述按顯熱計算的5526.72kW。排風換熱器分項工程由業主另行委托中國礦業大學進行設計，本文不作深入介紹。

由于夏季井下降溫制冷系統總冷凝熱很大，而且夏季熱負荷較小，利用冷凝熱已滿足用戶需要，不需要再運行排風換熱器，因此本文未計算排風的夏季放熱量。

3 利用廢熱供暖及供熱

3.1 空調及供熱負荷

朱集西礦地面建筑5#、6#、7#號單身宿舍樓建筑設集中空調系統，建筑面積為53807m2，空調熱負荷為3228kW，空調冷負荷為4307 kW；礦浴室熱水供應熱負荷為2035kW。

3.2 空調供暖

根據空調的冷、熱負荷，該項目采用了水源熱泵機組4臺，機組單臺制冷量1100kW，單臺制熱量1315kW，機組制冷劑為環保冷媒R134a。夏季最大冷負荷時4臺同時制冷，空調冷水供、回水溫度為7/12℃，機組制冷時采用冷卻塔散熱。冬季空調供暖時，利用礦井排風換熱器來的10/5℃熱水作水源熱泵機組熱源，空調熱水供、回水溫度45/40℃，最大熱負荷時，運行3臺水源熱機組。

空調水為變流量系統，在機房供、回水總管之間設壓差旁通調節閥，控制供、回水壓差為0.29MPa，適應由于空調負荷的變化而引起的系統水流量變化。當旁通管流量達到177m3/h（1臺機組流量）時，停1臺機組及1臺水泵，節約運行能耗。

空調水系統定壓采用落地式定壓補水裝置，定壓點位于循環水泵吸入口，定壓值為0.61 MPa。系統補充水為軟化水，避免換熱設備因結垢而影響傳熱性能，同時避免管道結垢而影響水流通路的截面積。圖1為空調水系統示意圖。

圖1 空調水系統示意圖

3.3 洗浴熱水系統

因煤礦生產勞動衛生標準要求，朱集西礦洗浴熱水系統全年運行，根據浴室熱水供應的熱負荷，選用2臺制熱量為1315kW的水源熱泵機組，在機房內設2臺150 m3的不銹鋼保溫熱水箱和3臺熱水循環泵。熱水在熱水箱與水源熱泵機組之間循環，直至水箱內熱水溫度達到45℃，再啟動熱水輸送泵將熱水箱里的熱水送至浴室。圖2為熱水供應系統示意圖。

圖2 熱水供應系統示意圖

井下降溫系統常年制冷，洗浴熱水系統的水源熱泵機組源側主要利用井下降溫系統制冷機的冷凝器出水，只有在冬季井下降溫冷負荷最小時，冷凝熱可能不足，此時才利用排風換熱器供給的10℃水作為水源熱泵機組源側進水。這樣就存在一個問題：制熱量在1300kW左右的水源熱泵機組各生產廠家的產品多為螺桿式機組，通常當蒸發溫度在5~20℃范圍內時，螺桿式水源熱泵機組在制熱時隨著蒸發溫度的升高，其制熱性能系數COPh也相應升高，但是源側熱水溫度不能太高，一般要求低于25℃，否則會導致壓縮機潤滑油粘度過低，削弱潤滑作用，機組安全得不到保障。然而井下降溫系統制冷機組冷凝器出口水溫為37℃，遠高出水源熱泵機組對熱源水的溫度要求，水源熱泵機組無法利用井下降溫制冷機組冷凝器的37℃出水。

針對這個問題，我們采取在水源熱泵機組蒸發器進、出水總管之間設旁通管路（配三通調節閥），將井下降溫制冷機組冷凝器的37℃出水與水源熱泵機組蒸發器的7℃出水混合，三通調節閥的控制器根據混水溫度傳感器的信號調節三通閥開度，使水源熱泵機組蒸發器進水溫度低于25℃，保障了水源熱泵系統能夠穩定運行。

4 運行效果

2013年7月1日設備及管道安裝竣工，在對空調系統、洗浴熱水系統均進行了調試后，正式投入了使用，經過了夏、冬季工況運行，兩個系統均工作正常。朱集西礦工業鍋爐房較同期少運行鍋爐臺數，具有顯著的節能效果。投資方較為滿意，準備建設二期工程。

5 幾點體會

①工業生產過程以及其他環境中出現的廢熱，當其載體的溫度不夠高時，利用熱泵技術將熱量提升至溫度較高的媒介中，用于空調供暖、洗浴熱水供應等，既節能又避免排放到環境中造成熱污染。

②由于在我院與朱集西礦就熱能利用項目合作時，工期十分緊迫，加之對礦井排風資料掌握不足，對排風能否用于空氣源熱泵系統未進行可行性論證。國內目前尚無將礦井排風用于空氣源熱泵系統的實踐，如能夠將礦井排風直接用于空氣源熱泵系統，從理論上講應該是制熱能效更高，系統更簡捷，但是存在以下障礙：

a.將空氣源熱泵機組安裝于排風井塔的出風口處是不可能的，沒有布置熱泵機組位置這個條件，除非在礦井設計前期與相關的工藝專業進行溝通協商，將排風引至附近的空氣源熱泵機組的蒸發器；

b.由于礦井排風攜帶較多粉塵等，直接用于空氣源熱泵機組會使蒸發器翅片表面積聚大量粉塵，清除這些粉塵難度極大，這將導致空氣源熱泵機組無法正常運行。因此，須對排風除塵、凈化，這個也是需要在今后做深入研究的。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社,2008.

[2] GB/T 19409-2003,水源熱泵機組[S].北京：中國標準出版社,2003.