关于水源热泵技术在煤矿应用中的可行性分析

关于水源热泵技术在煤矿应用中的可行性分析

张玉峰

山东亚特尔集团股份有限公司山东省济南市250013

摘要：矿井水源热泵可以最大限度的回收利用矿井水中的余热，达到节能环保的目的，水源热泵技术，它不仅能有效利用矿井水来供热或制冷，而且能将使用后的水源充当工业用水回收利用，即节约了企业成本又合理开发利用了资源，符合国家关于能源发展和环境保护的相关精神，是一种值得推广的新型技术。煤炭企业每年都需要花费大量人力和物力治理矿井水，针对这一现状，对水源热泵技术在该矿的运用进行可行性分析，本文介绍了矿井水源热泵的工作原理和技术优势，分析得出矿井水源热泵供热制冷效果良好，经济与环保效益显著，可以在该煤矿以及有条件的矿井推广使用。

关键词：水源热泵技术；煤矿；应用；可行性

水源热泵是一项高效环保的资源应用技术，它能最大限度发挥浅层岩体具有的储冷及储热作用，对地表上的建筑或设施进行制冷与供热，是现在先进的绿色节能技术。将煤矿生产过程中产生的矿井水与水源热泵相结合既有利于环保又节约能耗，符合煤炭工业发展“十二五”规划提出的[1]：减轻环境影响程度，改善矿区生态环境，发展循环经济的要求。如何合理利用矿井水就成为研究的重要课题。水源热泵是一种节能、环保、高效的能源利用技术，它充分发挥了浅层岩体的储冷储热作用，实现对建筑物的供暖和制冷，是一种典型的绿色技术。

一、地下水水源热泵技术的发展现状

改革开放后，一些专家和企业家开始重视地下水源热泵技术的应用，于1997年从欧洲开始学习和引进热泵技术，截止于2000年我国共引进地下水源热泵供热或制冷系统100余套[2]，并与美国能源部签署了一份关于发展地源热泵项目的合作协议，确立了将北京、宁波、广州三地作为地源热泵合作示范基地的发展战略，这三地分别用于研究处于寒冷、冬夏温差大、温暖环境下的热源热泵技术。

二、水源热泵技术工艺简述

（一）水源热泵定义

水源热泵即以热泵为原理，将高位电能输入后，将高位热能转移至地表水。在夏季，地面温度高，但水温低，使用低温水，能降低地面建筑温度；而在冬季，可以从水中提取一定热量，为建筑供暖[3]。

（二）水源热泵技术模式

水源热泵主要有制冷和制热两种模式：其一，制冷模式，在夏季，制冷剂从压缩机中进入到冷凝器以后，对矿井水实施放热，然后通过节流装置形成液体，由蒸发器对供水予以制冷，当制冷剂变为气体之后，由压缩机压缩，以此不断循环，起到持续制冷作用[4]；其二，制热模式，在冬季，制冷剂从压缩机中进入到冷凝器，对循环水进行吸热，然后通过节流装置形成液体，由蒸发器对供水予以制热，当制冷剂变为气体之后，由压缩机压缩，以此不断循环，起到持续制热作用。

（三）水源热泵技术优势

1.高效节能，水源热泵有着极高的能效比，仅需少量电能即可获取大量能量。它的实际运行效率可以达到空气源热泵120%~160%[5]，而且运行费用还远远少于普通空调。

2.节水节地，基本无需消耗水资源，将矿井中的水视作冷热源，通过热量的吸收或放出来实现制冷或制热；无需设置锅炉等大型设备，相较于普通空调设备，能极大地缩减机房占地面积[6]。

3.基本不会造成环境污染，这项技术是一种绿色，对环境保护有益的新产品，运行时基本没有污染产生，能有效降低煤矿生产过程中的减排压力。

4.系统运行安全稳定，一年中矿井水温基本保持稳定，该特性除了能为系统的安全稳定运行创造有利条件，还能保证系统运行的有效性及可靠性。

5.实用功能多，仅一套水源热泵即可实现至少两套传统系统的实用功能，既能降低系统运行成本，又能降低系统维护和管理难度。

6.计算机系统控制，现场操作人员及维护人员均较少，能有效节省人力；最后，可对废弃资源进行回收利用，对于矿井水，过去都是直接排至地面，但在引用水源热泵后，对其进行适当处理即可作为冷源或热源，同时采用机组即可转换为空调，减少煤矿资源的开发和生产成本。

三、水源热泵技术设计原理

（一）制冷模式

1.制冷剂循环。从压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入冷凝器后对矿井排水放热（室外侧），再经过节流装置变成低温低压的制冷剂液体，在蒸发器中对室内侧供水进行制冷（室内侧），制冷剂变成气体后再进入压缩机进行压缩，周而复始不停循环。

2.室外侧水循环矿井。14～16℃的排水经过沉淀过滤后，通过水泵进入冷凝器与高温高压的制冷剂进行热交换，水温升至18℃左右后排掉。

3.室内侧水循环。用户侧12℃的冷冻水在蒸发器中被制冷剂制冷，变成7℃的冷水由水泵送入各区域末端装置中为客户制取冷空气，实现夏季制冷，制冷后变成12℃再进入蒸发器中，周而复始不停循环。

（二）制热模式

1.制冷剂循环。从压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入冷凝器后对室内循环水放热（室内侧），再经过节流装置变成低温低压的制冷剂液体，在蒸发器中对矿井排水进行制冷（室外侧），制冷剂变成气体后再进入压缩机进行压缩，周而复始不停循环。

2.室外侧水循环。矿井14～16℃的排水经过沉淀过滤后，通过水泵进入蒸发器与低温低压的制冷剂进行热交换，变成10℃左右的冷水后排掉。

3.室内侧水循环。用户侧45℃的室内侧供水在冷凝器中被制冷剂制热，变成50℃的热水由水泵送入各区域末端装置中为客户制取热空气，实现冬季制热，制热后变成45℃再进入冷凝器中，周而复始不停循环。

四、热泵技术特点

（一）再生能源利用技术

水源热泵是利用地球表面浅层地热资源(通常为小于100m的地下水)作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源又称地能，该种资源储量丰富，是一种清洁的可再生资源。

（二）环境效益显著

与空气热泵相比，水源热泵所排放污染物排相当于减少了40%以上，与电供暖相比，相当于减少30%以上，而且制冷剂比常规空调装置减少25%的充注量。热泵供应热量过程中不会产生任何污染物，且占用空间小，无需远距离传输从而减少了热量损耗。

结语

综上所述，水源热泵是一项高效节能、节水节地、无污染、运行稳定、功能丰富、自动控制和可对资源进行回收利用的新技术，它的引入应用，和传统的电锅炉系统相比，不仅能充分利用矿井水资源来实现制冷与供暖，而且不会造成环境污染，清洁高效，虽然水源热泵系统应用初期需要投入比电锅炉系统高的成本，但仅需一年左右的时间即可收回成本。水源热泵技术能通过矿井水热量交换实现矿井建筑设施的冬季供暖和夏季制冷，基本可保证井口保温、洗浴热水、职工公寓空调恒温等项目的热量/冷量供应，经济和社会效益显著。该技术的运用可以改变煤矿传统的供热方式，实现矿区无锅炉化运行，对于践行“煤矿产煤不烧煤、高碳行业低碳运行、绿色环保理念”具有示范作用，有很大的市场推广前景。

参考文献

[1]赵忠玲,姜晓云,孔德志,等.彭庄煤矿余热综合利用可行性研究[J].煤炭技术,2016,35(10):178-180.

[2]李峰,刘勇,盛友华,等.水源热泵技术在煤矿应用的可行性分析[J].煤矿机械,2015(9):216-217,218

[3]李峰,刘勇,盛友华,等.水源热泵技术在煤矿中的应用[J].煤炭技术,2015,34(8):12-14.

[4]李广印,巩超.水源热泵技术在星村煤矿的综合应用[J].煤矿现代化,2014(3):114-116.

[5]刘红丽.浅谈水源热泵技术在煤矿中的综合应用[J].科技与企业,2014(15):178-178.

[6]徐丽霞.水源热泵技术在煤矿应用的经济分析及效果评价[J].山东工业技术,2015(23):42.