熱泵技術(shù)在礦業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

孫瑞科

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467000）

當前時期，社會經(jīng)濟日新月異飛速發(fā)展，能源問題已經(jīng)躍居為全世界共同關(guān)注的一個熱點問題，而我國又是一個能源消耗大國，節(jié)能減排和可再生能源利用刻不容緩節(jié)約能源技術(shù)成為人們重點研究內(nèi)容。近年來，熱泵技術(shù)作為一種新能源技術(shù)深受世界各國的重視。熱泵利用水作為介質(zhì)來提取能量用于制冷或制熱，主要是從地下水中提取不能直接利用的低品位熱能，通過消耗少量的高品位能源，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。因水源熱泵技術(shù)具有運行穩(wěn)定、節(jié)水節(jié)地、高效節(jié)能等優(yōu)勢，現(xiàn)階段，被廣泛應(yīng)用于公共在建項目、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域；在我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)居多，為了減少污染，節(jié)約能源，一些城市逐漸開始應(yīng)用熱泵系統(tǒng)進行制冷和供暖。

1 熱泵技術(shù)工藝原理

冬季主要利用熱泵技術(shù)吸收水源、空氣等中的能量，將吸收的熱量輸入建筑設(shè)施，一般來說，采用熱泵技術(shù)，用戶可以獲得比熱泵消耗高4倍的制冷量和制熱量，如應(yīng)用熱泵時每消耗1kw能量，就會為礦企提供4kw的熱量或冷量。根據(jù)水泵對水源的利用情況，熱泵可分為閉式和開式兩種形式。水源作為熱泵的冷、熱介質(zhì)，需要滿足下面條件：①需確保水源儲存數(shù)量。②確保將水溫控制在7℃～30℃間，作為一類較為理想的水源，礦井水不但有豐富的儲存量，且有較為穩(wěn)定的水溫，同時水質(zhì)也較佳。

（1）工藝流程。在此過程中形成的礦井水由水泵系統(tǒng)抽至地熱交換系統(tǒng)，根據(jù)熱泵原理由機組運行實現(xiàn)礦井水能量交換，通過管道運輸?shù)降V山建設(shè)設(shè)施滿足冬、夏兩季所需的熱負荷和冷負荷，熱交換后的廢水可回用于工業(yè)用水，下圖1為水源熱泵系統(tǒng)。

（2）技術(shù)原理。①制冷。礦井水作為空調(diào)機組冷卻水先流入旋流除砂器除砂，再用電子水處理儀除去絮狀物，制冷劑向冷卻水（礦井水）中放出熱量，形成高溫高壓液體，并使冷卻水的水溫升高。②供暖。高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來進入冷凝器，制冷劑向供暖用水中放出熱量而冷卻成高壓液體，并使供熱水水溫升高。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在冷凝器中獲得供熱水。為供熱設(shè)備提供熱量。

圖1 礦井總回風與礦井排放能量的熱泵系統(tǒng)

2 熱泵技術(shù)在礦業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)勢

在井下開采過程中，經(jīng)常會有大量礦井水從井底涌向地面。這部分礦井水溫變化不大，水量全年穩(wěn)定，含有大量低溫熱能，是一種有效、穩(wěn)定、有價值的冷熱源。從環(huán)境保護的角度去處理礦井水達到排放標準，既會浪費水資源，同時對礦井水中含有的余冷與余熱沒有進行有效的開發(fā)、利用，會嚴重的浪費能源。據(jù)此可知，在礦井中應(yīng)用水熱泵技術(shù)有很大的優(yōu)勢，礦井水可通過熱泵系統(tǒng)對能量進行釋放，進而產(chǎn)生冷量與熱量，甚至有可能完全取代當前的小型鍋爐。

熱泵除具備低運行成本，沒有污染優(yōu)勢外，在礦業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用還有如下優(yōu)點：

（1）在應(yīng)用水熱泵技術(shù)時，一般要先論證項目所處位置的水文狀況，在充分了解工程地區(qū)的水資源資料后，還要有效掌握地下水種類、含水層厚度、水溫、水位變化等，因同安全生產(chǎn)有直接關(guān)系，所以，在礦山開始建設(shè)時就應(yīng)該先勘查地下水文地質(zhì)狀況，因井水排放多伴隨有礦山的生產(chǎn)過程，能夠及時監(jiān)測和掌握礦井水的溫度、水量等參數(shù)，從而使熱泵技術(shù)在礦業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用擁有了更方便的條件。

（2）通常而言，抽取地下水后用在熱泵機組后需要應(yīng)用回灌措施，避免過度抽排導(dǎo)致地面下沉，基于礦山采掘業(yè)特性，將水熱泵機組提取熱量后，礦井水可重復(fù)作為井下和工業(yè)場地的生產(chǎn)與生活用水，同時也可用作附近農(nóng)田灌溉和村子供水，最終節(jié)省了回灌地下水步驟。

（3）熱泵機組在應(yīng)用地下水之前，為保證其能夠滿足機組要求，應(yīng)使用過濾與沉淀等措施進行處理。礦井涌水多是深層地下水，除了礦井開采的干擾外，水質(zhì)良好，原有的水處理設(shè)施在地面工業(yè)場地也能起到預(yù)處理的作用，這在很大程度上為熱泵機組的正常運行提供了有效保障。

（4）礦企在礦井水處理和有相關(guān)人員培訓上經(jīng)驗豐富，在熱泵技術(shù)的應(yīng)用和管理上優(yōu)勢顯著。

3 熱泵技術(shù)特點

（1）是再生能源利用技術(shù)。作為供暖空調(diào)系統(tǒng)，熱泵利用地表淺層能源為冷熱源進行能量轉(zhuǎn)換。地表淺層能源也是一種儲量豐富、清潔可再生資源。

（2）環(huán)境效益突出。熱泵制冷制熱系數(shù)超過空氣熱泵約40%，水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量并降低污染物排放量；與傳統(tǒng)空調(diào)裝置相比，該裝置的充注量減少了20%。供熱中，熱泵無污染物產(chǎn)生，占用空間小。

4 熱泵技術(shù)的效益分析

（1）經(jīng)濟效益。將原礦井水處理站消防水池作為熱源池，可節(jié)省土建投資約300萬元；應(yīng)用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比使用礦物燃料燃燒的鍋爐，每年能節(jié)約約為85.6萬元的能源費用。熱泵整體配套工程開始時盡管會投入大量的資金，但該礦卻使用了能源管理模式，最終有效的解決了資金問題，因熱泵技術(shù)的優(yōu)點是高利用率、高環(huán)保等，為此，想要保證能夠最大程度發(fā)揮出應(yīng)用價值和推廣價值，只需要改進系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。

（2）社會效益。①該技術(shù)完全符合了國家資源綜合利用扶持政策和循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式，可有效的保護礦產(chǎn)資源。②此技術(shù)應(yīng)用后，改變了礦區(qū)將原有的燃燒能源為鍋爐供熱，有效的實現(xiàn)了制熱成本的降低，并且也有效的改善了礦區(qū)環(huán)境。③充分保證了礦井安全性的提升，同時也有效改善了井下工人工作環(huán)境；④在設(shè)備運行過程中，不存在燃燒、爆炸等隱患，對安全管理十分有利。⑤找到了礦井水利用的新方法。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段隨著我國社會經(jīng)濟日新月異的飛速發(fā)展，各行業(yè)也得到了顯著的進步，礦山生產(chǎn)行業(yè)也不例外也取得了巨大的進步。在礦井中，通過礦井水熱量交換，水熱泵技術(shù)可有效保證礦井施工冬、夏季的取暖與制冷，保證正常用水，具有十分顯著的社會與經(jīng)濟效益，同國家相關(guān)能源發(fā)展以及環(huán)保有關(guān)精神相符合，由于熱泵技術(shù)有較高的適應(yīng)性，所以可廣泛的應(yīng)用在礦山生產(chǎn)中，助力礦企早日實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展。