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1、邢台煤矿矿井水余热回收系统可行性分析王景刚 高晓霞 杜梅霞 赵进河北工程大学 邯郸 河北摘要：在煤矿生产中，会产生大量的矿井涌水，这些含有丰富的低品位能的水往往被当成废水排放掉。本文将重点介绍矿井水源热泵系统。本系统可以最大限度的回收利用矿井水中的余热。并以邢台煤矿某办公楼为例，进行矿井水源热泵系统的经济技术分析及系统设计，并进行了详细的经济效益和能源环境效益分析。结果表明：矿井水源热泵供热制冷效果良好，具有显著地经济与环境效益，在矿井水资源丰富的华北南部地区，邢台、邯郸等地，值得广泛推广使用。关键词：矿井涌水，余热回收，矿井水源热泵，经济技术分析，节能减排前言目前热泵已被世界公认为是一种有利
2、于环境保护的高效节能装置。其中水源热泵是热泵的主要分类之一。在世界范围内，水源热泵的机组设计技术已相当成熟。但是，由于对水质、水量的特殊要求以及在地下水回灌方面的诸多要求，使得以水作为冷热源的水源热泵的大范围推广遇到了一定的困难。但是，在诸多矿区，存在着大量的被当作废水处理掉的矿井涌水。在此情况下，一种将水源热泵系统与矿井涌水完美结合的新型节能系统矿井水源热泵系统应运而生。1. 矿井水使用现状我国矿产资源丰富，矿山企业较多。在矿山的生产过程中，为了采掘作业的顺利进行，不可避免的要进行多项安全保卫措施，其中排除与隔绝地下水就是必须采取的措施之一。矿山井下排水量非常大，水温恒定，蕴含的丰富低品位能
3、量，是一种稳定的，利用价值很高的热源。但多数矿井都忽视矿井水的利用价值, 利用率仅为10%2，除洗煤厂及电厂使用外，大部分被排放掉，其中的热能往往随矿井水的排放而流失,造成热源的浪费。随着矿业技术的发展，会产生越来越多的矿井水。为了充分利用宝贵的矿井水资源，为企业职工创造良好的生活和生产效益，可通过水源热泵技术充分提取其中的低品位能量，转化为可利用的高品位能量，为矿山挖潜节能改造闯出一条新路，同时可节约大量的资金，给企业带来可观的经济效益。2. 矿井水源热泵原理及技术路线简介2.1 矿井用水使用工艺流程采矿时会产生大量的井下水，这些水在井下收集、处理后，进入井下中央水仓。然后通过井下中央水泵排
4、到地面。到地面后，矿井水一般分为三路。一路输送至洗煤厂和电厂，一路经地面高位水池重新输入井下使用，一路输送至排水沟排走。由于矿井用水水体一般很大，完全可作为热泵系统的冷热源。矿井水经过热泵系统后，只是进行冷热量交换，温度稍有变化而已，水质和水量并无变化。因此可先将矿井水送往热泵系统使用，再将热泵系统的排水供洗煤厂，电厂使用或者外排2。矿井水的使用工艺流程见图1。“热泵”可将低位热能“泵送”（交换传递）到高位热能提供利用。矿井水源热泵是指以矿井涌水作为热源或热汇的热泵系统。夏季工况下，矿井水与热泵系统冷凝器相连，则矿井水系统作为热泵的冷却水系统，吸收工质放热，通过热量交换实现蒸发器制冷，蒸发器制
5、得的冷冻水送往空调用户，供末端使用；冬季工况下，矿井水与热泵系统蒸发器相连，则矿井水系统作为热泵的冷冻水系统，工质吸收矿井水热量，通过热量交换实现冷凝器制热，冷凝器制得冷却水送往需要供热的用户，用于冬季末端供热。矿井水源热泵系统原理图见图2.3. 邢台矿区矿井水可用性分析3.1 矿井水源热泵对水源系统的要求矿井水的水量、水温、水质和供水稳定性是影响矿井水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具体说，水源的水量，应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热量和制冷量将随之减少，达不到用户要求。水源
6、的水温应适度，必须维持在 1535 之间。因为当水温低于15 供热运行或当水温高于 35 供冷运行都将使水源热泵的初投资运行费用大大升高 ,很难达到节能的目的1。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。3.2 邢台煤矿矿井涌水分析邢台煤矿主井深484米，每天涌水量大概为7500m3,水温常年保持在19左右，适合推广使用矿井水源热泵系统。4. 工程实例介绍4.1 工程概况该矿区内存在一建筑面积大约为20103的办公楼，需冬季供热，夏季制冷。冷热负荷分别为1724kW和101
7、4kW。4.2 技术分析为了显示矿井水源热泵系统的优越性，我们将其与传统解决方案进行对比分析。由此，我们提出两个方案：方案一：锅炉房+冷水机组+风机盘管；方案二：水源热泵系统+风机盘管。通过两个方案的对比分析，可以看出矿井水源热泵在节省投资，节能减排方面的突出优势。因为两种方案的末端设备一样，所以仅考虑机房设备投资。在比较之前，根据实际情况，做如下考虑：l 夏季空调运行按90天机算，冬季空调运行按120天机算。每天白天运行 l 8小时，夜间值班室考虑其他方式制冷取暖。l 该地区不实行分时电价l 当地自来水价格为0.65元/t,电价为0.6元/kWh，燃煤价格按580元/t计算。l 年负荷率按0
8、.7计算。4.3 经济效益分析4.3.1 设备选型及初投资比较首先根据冷热负荷的大小选择设备，因末端设备一样，都为风机盘管，所以不考虑末端设备型号及价格。设备选型及投资见下表：表1 方案1的初投资费用表序号名称型号数量总配电量（kW）总价（万元）1制冷机房及锅炉房402锅炉及辅机Z1.4-1.25/95/70-A130153热水泵ISZ-160-130-3002用1备223.24螺杆冷水机组(W-)LSLGF10005001375冷却水泵ISZ-125-100-200A2用1备743.66冷冻水泵ISZ-125-80-200A2用1备604.27冷冻水补水泵ISZ-50-35-250B1用1备
9、7.52.08冷却塔250322.5139电子除垢仪DN2502.710配电设备费25.411总计634246.1表2 方案2的初投资费用表序号名称型号数量配电量（kW）总价（万元）热泵机房20热泵机组AWWSH2700/2362174冷冻水泵ISZ-125-80-2002用1备743.6冷却水泵ISZ-125-100-200A2用1备744.25补水泵ISZ-50-35-250B1用1备7.52.06配电设备27.77电子除垢仪DN2502.7总计517.5234.2在表1和表2中，我们选择的设备都是根据相关公司的产品报价。从上述两表我们可以看出，方案一，即制冷机组+锅炉房的土建工程不仅包括
10、制冷机房，还包括锅炉房，相比之下，方案二，即水源热泵系统的土建只包括热泵机房，仅土建工程就节约了20万左右。同时，由于矿井水源热泵的使用，使制冷机组不可或缺的冷却塔也可以省去，单项节省13万元。但是水源热泵机组价格比冷水机组较高。最后，计算两种方案的初投资，可以看出，方案二矿井水源热泵系统的初投资比方案一制冷机组+锅炉房设备节省大约12万元。4.3.2 年运行费用比较运行费用的比较主要从年耗电量，耗煤量和人工费三方面进行讨论。夏季空调按90天，冬季供暖120天计算。每天运行8小时，年平均负荷按设计负荷的70%3计算。（1）方案一年度耗电量为其中：年度耗电量夏季耗电量冬季耗电量夏季设备总用电功率
11、冬季设备总用电功率一天用电时数，取8用电天数，夏季取80，冬季取120年平均负荷率，70%计算得，系统年耗电量= kWh冷却塔运行时，由于蒸发造成水量损失，需定时补水。取冷却塔补水量为2%，年度耗水量为：其中系统冷却水量系统补水率，取2%计算可得，系统年度耗水量= 6494 t 在采暖季节，锅炉每天运行8小时，锅炉耗煤量为0.4t/h。年度耗煤量为：其中锅炉小时耗煤量计算可得，系统年耗煤量=269t空调机房需安排4名工人进行管理维护，锅炉房需安排5名工人。根据当地工资标准，按每人每月800元计算，则年工资发放额为86400元则全年运行费用为：其中、分别为电价，煤价和水价计算可得，方案一的年运行
12、费用为46.96万元。（2）方案二根据热泵机组厂家提供数据，制冷时，电机输入功率分别为181kW；供暖时，电机功率分别为287 kW，年耗电量计算可得，年耗电量为 kWh。因现在只有一个热泵机房，只需四人进行维护管理即可，因此，年工人工资为38400 元则全年运行费用计算可得，方案二的年运行费用为31.86万元。4.3.3 回收期计算方案一和方案二的综合经济比较见下表：表3 各方案投资回收比较表方案名称投资额（万元）投资节省费用（万元）年运行费用（万元）年节省费用(万元)系统回收年限(年)方案一246.111.946.965.12.33方案二234.231.86由计算可知，采用矿井水源热泵解决
13、矿区内某建筑物采暖制冷，2其系统回收年限仅为2.33年，具有良好的经济效益。4.4 能源环境效益分析节能减排是各国经济发展中不可回避的问题，如何降低能源消耗，减少污染物的排放已经成为政府和社会各界人士普遍关注的问题。矿井水源热泵的使用，最大限度的利用了矿井涌水中的低品位能，节省了一次能源的消耗，减少了污染物的排放，具有显著的能源环境效益。通过方案一和方案二的对比分析，我们可以看出矿井水源热泵在节能减排方面的突出贡献。我们知道，燃烧一吨煤，大概会产生CO2 2620公斤, SO2 8.5公斤, NO/NO27.4公斤，炉渣2.5吨4。同时，产生的污染物不仅需要交纳排污费，还污染了环境。其中SO2
14、，NO/NO2 需缴纳排污费，表4是对污染物排污费的简单估算。表4 排污费计算省煤量269污染物名称SO2NO/NO2单位产污量（kg）8.57.4总产污量（kg）22861990污染当量值(kg)0.950.95污染当量数24062095排污费单价（元）0.60.6排污费14441257其中 污染当量数=总产污量/污染当量值 排污费=污染当量数排污费单价同时，一吨CO2的减排成本大概是60120元5，因此，矿井水源热泵系统可节省减排成本6万元。综上，使用矿井水源热泵每年可节省6.5万元左右的减排效益。4.5 综合分析通过上述分析，可以看出，矿井水源热泵系统在初投资，年运行费用以及节能减排方面
15、比传统供热制冷方案具有明显的优越性。此系统不仅节能环保且运行维护简单、方便。具体对比分析见表5.表5 方案一、二综合比较分析方案名称初投资（万元）年运行费用（万元）减排成本（万元）锅炉+冷水机组246.146.96矿井水源热泵系统234.231.86节省（万元）11.915.16.55. 结论及展望矿井水源热泵系统将矿井涌水与水源热泵系统相结合，最大限度的开发利用了矿井涌水中的低品位能，同时具有良好的经济效益，相信将来也一定能有其广泛的发展空间。通过总结分析，矿井水源热泵系统还可以在以下几个方面推广应用：l 冬季替代锅炉房设备为建筑物供热，同时提供热水，实现矿井井口制热，防止井口结冰。l 夏季
16、替代制冷设备为空调末端供冷，实现建筑制冷降温。l 矿井水源热泵夏季作为冷却水系统，可经过板式换热器制备生活用水，如洗澡水。l 对入井风流实现一次升温或降温，改善井下工作条件。可以看出，在解决了主要的技术问题之后，矿井水源热泵系统是一种高效节能，可持续发展的绿色能源技术，同时具有良好的经济效益，相信将来也一定能有其广阔的发展空间。参考文献：1 阳季春. 水源热泵在住宅空调中应用的节能分析J, 煤炭技术, 2003（4）pp83-84.2 李萌, 刘传聚, 陈劲晖. 利用煤矿矿井水的水源热泵系统的经济性分析J, 建筑热能通风空调, 2004（6）pp48-50.3 李萌, 刘传聚. 矿井水冷却的空
17、调系统经济性分析J, 山东科技大学学报, 2004（3）pp117-119.4 范同军, 于卫平, 王青平, 张荣贵. 水源热泵技术在山东协庄煤矿中的应用J, 暖通空调 HV&AC, 2008（11）pp130-133.5 George R, Watzlaf and Terry E. Ackman. Underground Mine Water for Heating and Cooling using Geothermal Heat Pump SystemsJ, Mine Water and the Environment (2006) 25: 114 (C) IMWA Springer-Verlag 2006.作者简介： 高晓霞，女，生于1985年7月，河北工程大学硕士研究生通讯地址：河北邯郸河北工程大学城建学院暖通专业邮编：联系电话：电子邮箱：happygaoxiaoxia