[摘 要]水源熱泵是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術(shù)，它充分發(fā)揮了淺層巖體的儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供暖和制冷，是一種典型的綠色技術(shù)。本文分析了水源熱泵技術(shù)原理與工藝流程，估算了山西某礦和全國(guó)礦井廢水的熱量?jī)?chǔ)備，通過(guò)計(jì)算分析，水源熱泵技術(shù)在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可在煤礦推廣應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]水源熱泵；技術(shù)原理；工藝流程；熱量計(jì)算
中圖分類號(hào)：TK529 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）37-0284-02
煤炭企業(yè)由于生產(chǎn)的特殊性，特別是井工開采的煤礦，有兩種資源可進(jìn)行水源熱泵技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，一是礦井水，二是礦井通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)。兩者都溫差穩(wěn)定在一定溫度范圍，無(wú)疑給水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了一種特別能量，分別可作為熱泵機(jī)組良好的熱源和熱匯。因此，在煤礦推廣應(yīng)用水源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)很好的節(jié)能和環(huán)保項(xiàng)目。
1 水源熱泵技術(shù)工藝原理
實(shí)際上礦井水熱能利用是通過(guò)熱量交換的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的講，在夏季煤礦地面建筑物溫度高，而使用的水源溫度低，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段可以將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，從而將過(guò)高的熱量帶走，達(dá)到給建筑物降溫的目的；在冬季，則是利用熱泵技術(shù)從水源中汲取能量，通過(guò)水或空氣作為煤質(zhì)將汲取的熱量輸送到建筑設(shè)施中。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)熱泵技術(shù)用戶可以得到高于4倍熱泵（或水泵）消耗能量的熱量（或冷量），例如使用熱泵時(shí)每消耗1KW的能量，可供建筑物用熱4KW左右。水源熱泵可分為開式和閉式兩種，其分類依據(jù)是泵對(duì)水源的利用方式。作為熱泵供熱和制冷的介質(zhì)，水源也應(yīng)滿足兩個(gè)條件：一是要保證水源存儲(chǔ)量，二是要保證水溫控制在7℃～30℃之間。礦井水可作為一種理想水源，它不僅儲(chǔ)量豐富，而且水溫基本恒定，水質(zhì)也比較好。
1.1 工藝流程
過(guò)程中所形成的礦井水通過(guò)水泵系統(tǒng)抽至地?zé)峤粨Q系統(tǒng)，依據(jù)熱泵原理機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)并交換礦井水中的能量，然后通過(guò)管道輸送至礦井建筑設(shè)施等，實(shí)現(xiàn)冬季和夏季的供暖、供熱，從建筑設(shè)施交換能量過(guò)后的廢水可做工業(yè)用水再次回收利用。圖1為利用礦井水制熱工藝流程。
1.2 技術(shù)原理
�。�1）夏季制冷。礦井水首先進(jìn)入旋流除沙器除沙，再經(jīng)過(guò)電子水處理儀除掉絮狀物，然后進(jìn)入水源熱泵空調(diào)機(jī)組冷凝發(fā)器與氟利昂R22制冷劑進(jìn)行熱交換，通過(guò)氟利昂的形態(tài)液化，向礦井水釋放熱量，利用壓縮機(jī)做功，再通過(guò)蒸發(fā)器中氟利昂與空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水進(jìn)行熱交換，氟利昂吸收循環(huán)水中的部分熱量，制出7℃的冷媒水，為井口送風(fēng)設(shè)備提供冷量。
�。�2）冬季供暖。與夏季制冷不同的是，當(dāng)?shù)V井水與氟利昂R22制冷劑進(jìn)行熱交換時(shí)，氟利昂是汽化的狀態(tài)來(lái)吸收礦井水中的部分熱量，此后利用壓縮機(jī)做功將汽態(tài)氟利昂變?yōu)橐簯B(tài)，釋放熱量后，再通過(guò)冷凝器與空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水進(jìn)行熱交換，制出45℃～50℃的空調(diào)熱水，為井口送風(fēng)設(shè)備提供熱量。
2 技術(shù)特點(diǎn)
熱泵是一種以消耗少量電能為代價(jià)，能將大量不能直接利用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮苎b置。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水，如地下水、地表水等水中蘊(yùn)含的低位能源作為熱泵的低溫側(cè)熱源，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)為：
（1）它是目前熱泵中能效比（COP 值）最高的制冷、制熱方式，理論計(jì)算可達(dá)到7，實(shí)際運(yùn)行為4～6；
�。�2）它利用水源熱泵機(jī)組代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制冷機(jī)組和鍋爐或風(fēng)冷熱泵機(jī)組， 特別是對(duì)于同時(shí)有供熱及制冷需求的建筑物， 機(jī)房面積大大小于常規(guī)供熱空調(diào)系統(tǒng)， 節(jié)省了建筑空間，有利于建筑的美觀，減少了設(shè)備的初投資，安裝容易，工期短；
（3）它供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)，無(wú)燃燒過(guò)程，避免了排煙、排污等污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品；
�。�4）水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)， 使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性；
�。�5）采用全電腦控制，自動(dòng)程度高�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn)，近十幾年來(lái)，水源熱泵空
調(diào)系統(tǒng)在北美及中、北歐等國(guó)家取得了較快的發(fā)展。近五年來(lái)，中國(guó)的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，使該項(xiàng)技術(shù)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，成為一種有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
3 水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用
某煤礦坐落在山西境內(nèi)，是一座生產(chǎn)能力200萬(wàn)噸/年的現(xiàn)代化大型礦井。
3.1 可利用熱量計(jì)算
礦井排水量為9000m3～12000m3/d，水溫18～20℃左右，冬季供熱與夏季空調(diào)每天平均按20個(gè)小時(shí)計(jì)算，平均每小時(shí)水量為：9000/20=450m3/h。冬季水溫按18℃，提取熱量后的水溫度為8℃，則可以從礦井水中提取的熱量為：
Q冬季=1.163×L×（T1-T2）=1.163×450×（18-8）=5233kW
式中：Q冬季――冬季從礦井水提取的熱量，kW
T1――冬季礦井水溫度，℃
T2――提取熱量后水溫度為，℃
L――礦井水量，m3/h。
夏季水溫按20℃，吸取空調(diào)熱量后的水溫度為35℃，則礦井水可排走的熱量為：
Q夏季=1.163×L×（T2-T1）=1.163×450×（35-20）=7850kW
式中：Q夏季――夏季礦井水換熱量，kW
T1――吸取空調(diào)熱量后的水溫度為℃
T2――夏季礦井水溫度為℃
L――礦井水量，m3/h。
3.2 低溫?zé)崮軈R總
以上廢熱資源經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)換后可形成的供熱、制冷能力計(jì)算如下：
1）冬季供熱能力
Q= 式中：Q――熱泵機(jī)組輸出熱負(fù)荷
COP――水源熱泵機(jī)組制熱能效比，取4.5
冬季供熱面積指標(biāo)按60W/m計(jì)算，折合供熱面積為：
6728÷0.06=112133.3m2，即可供11萬(wàn)m2建筑的采暖。
折合標(biāo)煤：
1千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，29271KJ（千焦）/kg，每天按20個(gè)小時(shí)供熱，一個(gè)冬季按120天計(jì)算，折合標(biāo)煤計(jì)算如下：
6728×20×3600×120÷29271÷1000=1985噸標(biāo)準(zhǔn)煤
2）夏季制冷能力
式中：Q――熱泵機(jī)組輸出冷負(fù)荷
COP――水源熱泵機(jī)組制冷能效比，取5.0
夏季空調(diào)面積指標(biāo)按100W/m2計(jì)算，折合供熱面積為：6542/0.1=65420m2，即可供6.5萬(wàn)m2建筑的空調(diào)。
4 全國(guó)礦井排水廢熱資源估計(jì)
礦井涌水量與礦山所處的地理位置、氣候、地質(zhì)構(gòu)造、開采深度和開采方法等因素有關(guān)。就地區(qū)而言，一般規(guī)律是東、南部地區(qū)涌水量大，西、北部地區(qū)涌水量小。多年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，礦井水在開采過(guò)程中排放量相對(duì)穩(wěn)定，作為水資源其水量是有保證的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)煤礦礦井每年涌水量在42億m3左右。
提取廢熱溫差按10℃計(jì)算，水的比熱是4.2×103千焦/（噸×℃），則全年提取廢熱量為：
42×10×4200=1764000億千焦（即17640×104百萬(wàn)千焦）
這些廢熱資源假如有一半被利用，即8820×104百萬(wàn)千焦。標(biāo)準(zhǔn)煤折標(biāo)系數(shù)0.0341（t/百萬(wàn)千焦），那么以上可提取的熱量可以折合成標(biāo)煤8820×104×0.0341=300萬(wàn)噸/年標(biāo)煤，相當(dāng)于減少CO2排放780萬(wàn)噸/年。
5 結(jié)束語(yǔ)
水源熱泵機(jī)組可充分利用煤礦每天排放的井下廢水提取熱量，取代礦區(qū)目前所使用的部分燃煤鍋爐和分體空調(diào)，實(shí)現(xiàn)由熱泵機(jī)組對(duì)辦公樓、公寓、浴池等建筑物的冬季供暖和夏季制冷，對(duì)井口冬季保溫防凍，提供生活洗浴用水和用于衣服烘干等，真正實(shí)現(xiàn)廢物利用，達(dá)到節(jié)能減排及降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。通過(guò)計(jì)算分析，水源熱泵技術(shù)在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可在煤礦推廣應(yīng)用。
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