可再生能源在礦井中的設計應用

張群濤

（山東兗礦設計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

楊村煤礦職工浴室每天約2300 人洗浴，日洗浴用水量約500 m3。現浴室采用外購高壓蒸汽直接加熱的方式制取洗浴熱水，存在耗能高、運行費用高、噪音大且加熱不均勻等現象，亟需新的熱水制備方式加以替代。

1 礦井可利用的清潔能源種類和資源

1.1 空壓機余熱

楊村礦共設有3 臺250 kW 的空壓機，一用兩備。空壓機運行時，約80%的輸入電能轉化成為熱量，通過風冷或水冷的方式排放到空氣中。通過對空壓機冷卻系統的改造，可以將這部分余熱提取加以利用，余熱提取比例約為輸入電能的60%，提取的余熱量：Q1=250×60%=150 kW，每天可制備48 ℃熱水約80 m3。

1.2 礦井水余熱

礦井每天上井的礦井水量約為5000 m3，生產系統及井下回用約3500 m3，可用于提取熱量的礦井水量約為1500 m3/d，按提取溫差8 ℃計算，礦井水可提取的熱量為：

熱泵COP 按4.0 計，礦井水余熱每天可制備48℃熱水約440 m3。

1.3 太陽能

楊村煤礦地處山東西南部，平均年總太陽輻照量為4 895.39 MJ/m2a。根據直接太陽能系統集熱器面積公式，將1 m3的水從12 ℃加熱至48 ℃所需要的集熱器面積：

式中：qc為水量；C為水比熱，kJ/（kg℃）；tr為熱水溫度，℃；t為冷水溫度，℃；Jt為平均日太陽輻照量，kJ/m2d；f為太陽能保證率；bj為集熱器補償系數；ηj為集熱器的年平均集熱效率；η1為熱損失率。

浴室和六座宿舍樓的屋頂可用來布置太陽能集熱器，有效使用面積約4300 m2，夏季晴朗天氣下每天可制48 ℃熱水約420 m2。

2 實施方案[1-6]

2.1 設計原則

綜合三種可再生能源特點，設計采用空壓機余熱+太陽能+水源熱泵共同制取洗浴熱水。設計原則如下：1）太陽能可以正常使用的時段內，太陽能+空壓機余熱能滿足制備500 t 熱水的要求。2）陰天和冬季太陽能無法使用時，壓風機余熱和水源熱泵能滿足制備500 t 熱水的要求。3）太陽能和空壓機余熱均無法使用的極端情況，僅水源熱泵短時也能滿足制備420 t 熱水的要求。

2.2 系統設計

在礦井空壓機房設置空壓機余熱回收子系統，在礦井水處理站建設礦井水余熱回收子系統，在礦井浴室附近建設太陽能集熱子系統。

2.2.1 空壓機余熱回收子系統

空壓機余熱回收子系統由熱水循環系統、補水系統、控制系統等組成。運行原理：空壓機運行產生的熱量，通過油水板換（一級換熱器）將熱量傳遞至一次水中，再通過二次水水板換（二級換熱器）將冷水加熱至50 ℃，儲存在蓄熱水箱內。系統原理圖如圖1，主要工藝設備見表1。

表1 空壓機余熱回收子系統主要工藝設備表

圖1 空壓機余熱回收子系統原理圖

2.2.2 礦井水余熱回收子系統

礦井水余熱回收系統由水源熱泵、板換、一次和二次側循環水泵、儲水箱、補水系統、控制系統等組成。系統運行原理：將礦井水通過板式換熱器換熱產生低溫循環水送入水源熱泵蒸發器提取熱量，冷凝器產生高溫循環水通過板換加熱中間儲熱水箱中的水。系統原理如圖2，主要設備見表2。

表2 礦井水余熱回收子系統主要工藝設備表

圖2 礦井水余熱回收子系統原理圖

2.2.3 太陽能子系統

太陽能子系統采用間接集熱系統，在浴室和宿舍樓樓頂布置太陽能集熱管，太陽能集熱機房布置儲熱水箱、循環水泵、板換等設備。系統運行原理：太陽能集熱管吸收太陽輻射熱加熱太陽能儲熱水箱中的水至53 ℃，二次側循環水泵運行通過板式換熱器加熱洗浴水箱內的冷水。系統原理圖如圖3，主要工藝設備見表3。

表3 太陽能子系統主要工藝設備表

圖3 太陽能子系統原理圖

2.2.4 聯合運行

在礦井水余熱回收站設一個120 t 的中間儲熱水箱，在太陽能集熱機房設兩個120 t 的洗浴水箱兼作空壓機余熱回收和太陽能子系統的儲熱水箱。兩處水箱通過管道連接，中間儲熱水箱水溫達到設定溫度，自動開泵把熱水送至洗浴水箱內。

空壓機余熱回收子系統全天運行，太陽能子系統白天運行，當中間儲熱水箱內的水溫低于45 ℃時，礦井水余熱回收子系統啟動制熱，水溫達到設定值時，礦井水余熱回收子系統停止運行。

3 應用效果

為實現節能運行，各子系統需結合工作特點和天氣、季節特征確定合理的系統運行策略，見表4。

表4 系統運行策略分析表

經調試，三個可再生能源利用子系統均制熱良好，達到了預期效果。年運行費用分析見表5。

表5 系統年運行費用分析

4 結論

可再生能源利用是國家大力提倡的新興用能方式。礦井采用壓風機余熱+太陽能+水源熱泵聯合運行制取洗浴熱水，實現了可再生能源的全年回收利用，年運行費用為161.64 萬元，具有良好的經濟效益。