電輔助和空氣熱源泵+太陽能聯合供暖系統在礦山的應用

文_馬新 西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司

1 項目實施自然條件

新疆某礦山位于自治區西北部，距離克拉瑪依市65km，屬于標準大陸性氣侯，一般在9月底降雪，10月底結凍，翌年4月中旬解凍，冰凍期為11月至次年4月。

礦區太陽能光照資源具備太陽能采暖系統運用的條件。新疆克拉瑪依地區全年日照時間數達3000h左右，光照年輻射總量達5430～6670MJ/m2， 屬于光照資源豐富的地區。根據當地氣象局資料，礦區全年溫度曲線圖和克拉瑪依地區太陽總輻射量和直接輻射量（MJ/m2）如圖1和表1所示。

圖1

表1 克拉瑪依地區太陽總輻射量和直接輻射量（MJ/m2·月）

2 系統方案及運行方式

系統以充分太陽能為主，空氣熱源泵和電加熱為輔助措施的聯合供熱模式，太陽能管、水箱、電輔助和空氣源熱泵機組連接到礦區原供暖系統中。主能量來源為太陽能，配備空氣源熱泵機組，為保證供暖質量，需考慮極寒天氣夜間溫度低、熱泵能效受影響因素，配備電加熱設施。空氣熱源泵是當前流行的熱泵技術之一，利用空氣壓縮制冷原理，以空氣中的熱量作為低溫熱源，經過冷凝器進行熱交換釋放熱能。系統中空氣熱源泵和太陽能采取混合式互補結構，提高進入蒸發器的空氣溫度，提高了熱泵制冷劑系統的蒸發溫度，有利于保持較高的換熱效率，使熱泵機組制熱系數得以提高。太陽能是公認的清潔能源，2015年我國把空氣能也納入可再生能源范疇，整套系統以太陽能為主要能源，以空氣熱源泵和安裝在儲熱水箱內部的電加熱管為輔助能源設施，使用了太陽能、空氣能和電能三種能源形式，兼顧了清潔能源的使用和保障供暖質量的需要，相比燃煤可實現零排放，更加節能環保。同時，北方礦山冬季存在極寒時間段、晝夜溫差大，因此聯合供暖模式比單一能源供暖模式更具有可靠性優勢，實現三種能源的優勢互補，彌補了太陽能系統冬季集熱效率相對較低、不能24h連續運行的缺點。空氣熱源泵和電加熱輔助措施的聯合使用也有助于減少太陽能集熱器的使用數量和儲熱水箱的體積，可以減少太陽能系統的初期建設投資。

系統由太陽能集熱器、空氣源熱泵機組、儲熱水箱、換熱循環系統、自動控制等部分組成，詳見圖2。采用60組3000根高硼硅真空集熱管做為集熱元件，集熱器布置傾角約20°。采用兩級換熱方式運行，集熱器與儲熱水箱之間使用高溫導熱油進行熱量傳輸，經泵循環后，通過板式換熱器與儲熱水箱內的水進行熱量交換；系統運行控制參數均為自行優化設置，現場設置水箱溫度超過55℃時，輔助系統停止運行，當水箱溫度低于45℃時空氣源熱泵和電加熱輔助系統開啟，以保證持續供熱。輔助系統啟停參數均可根據需要自行調整，也具備手動干預強制啟停功能。

圖2

水是一種廉價且性能理想的蓄熱材料，現場配置保溫儲熱水箱，白天利用光照輻射充分蓄熱，陰雨天氣和夜間釋熱供暖，減少電輔助系統耗能，保持系統以經濟節能方式運行，儲熱水箱需要安置在封閉室內并采取完善的保溫措施，減少蓄熱過程中的熱量損失。

3 系統運行成本

利用太陽能、空氣能等清潔能源的供暖系統在北方地區已經推廣應用，對于落實煤改電政策、減少煙塵排放具有積極意義，對于農村等偏遠分散地區的冬季供暖可以靈活布置，針對性強，在民用建筑供暖領域有較多應用。但是在工業企業如礦山的應用目前很少，這和礦山企業還不了解系統運行的成本效益、對供暖電耗成本存在疑慮、初期建設投資較大等因素有一定關系。新技術的應用不僅要響應國家政策方向，也要符合企業降低生產成本的需求，投資效益、運行成本等經濟性分析是企業管理者在技術推廣階段無法回避的問題。

該系統采用60組太陽能+水蓄熱+空氣源熱泵+電輔熱，每日太陽能供暖時間按8h計，太陽能每日產生的熱量：60組×11.5m2/組×17MJ/m2×0.6=7038MJ，相當于1955kWh，詳見表2。

表2

系統采取自動控制、遠程監控報警模式運行，除電耗和零星維修外，無其他運營費用。2021年11月下旬至2022年4月底試點供暖，供暖面積1629m2，實際供暖天數169d，從試點電耗明細看，12月和1月電耗較高，這兩個月是氣溫最低、光照強度相對不足的時期，空氣熱源泵和電加熱輔助措施的保障作用主要體現在這兩個月，光照強度保證率越高，太陽能的使用率就越高，電能消耗越低。試點供暖區室內白天溫度可保持18至20℃之間,期間電耗總計123828kWh，試點采暖期（169d）每平方米電耗約為76kWh，現場實際優惠電價單價0.3元/kWh，試點采暖期電費合計37148元，電耗費用遠低于同等供暖面積的燃煤消耗費用，詳見表3。

表3

4 項目環保減排效益

碳達峰和碳中和是我國“十四五”時期著手推進的重點工作。“十四五”規劃建議制定2030年前碳達峰行動方案，要求單位國內生產總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%和18%。北方地區的冬季供暖仍然高度依賴于傳統的燃煤鍋爐，實現碳減排需要改變傳統供暖方式，主動調整能源供給結構，推廣清潔能源應用、探索新的冬季供暖方式是時代所需，礦山企業應當在工業模式創新方面體現主動性，追求綠色發展的長期效益，避免被動應對減排指標的格局。

礦區原用2臺15t/h燃煤鍋爐供熱全區，小時平均耗煤量1.9t/h，小時平均產渣量0.275t/h，最近一個采暖季耗煤量7200t,根據燃煤鍋爐排放監測數據，最近一個采暖季二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、爐渣排放量分別為：942.5kg、4873.7kg、856.8kg、1042t。試點區域一個采暖季經核算節煤140多t，減少碳排放340t以上，太陽能和空氣熱能使用在試點系統能源結構中的占比約75%，減少二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、爐渣排放量分別為：18.33kg、97.47kg、17.14kg、20.84t，對于實現礦山能源結構調整，減少污染物排放，具有環保減排示范效益。

5 結語

礦山試點的供暖效果、運行成本和環保效益符合預期，能夠保證冬季生產供暖需要，沒有產生過大電能消耗，降低冬季供暖的費用，具有積極的減排效益。電輔助和空氣熱源泵+太陽能聯合的模式能夠適用于礦山分散片區的冬季供暖，具有推廣價值。

室內取暖效果與建筑物密封性直接相關，需要提前完善房屋保暖封閉措施。太陽能集熱管比較脆弱易損，場地需要選擇相對避風且開闊、日照不受影響的區域。

系統初期投資大，夜間和極寒天氣電耗較明顯，成本效益受電價影響大，應爭取地方供電電網夜間谷電優惠電價，防止投資回報周期過長，建設初期需要做好市場調研，實現供需雙贏。目前系統僅試點應用于冬季供暖，在太陽能資源最豐富的夏季閑置，下一步計劃應用于生產生活熱水供應和光伏發電開發方向，實現清潔能源的充分開發利用。