一、項(xiàng)目背景
1.水源熱泵技術(shù)的概念
地球表面淺層水源（一般在1000 米以內(nèi)），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵技術(shù)的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機(jī)組，從水源中“提取”熱能送到建筑物中采暖。
2.水源熱泵在煤礦的應(yīng)用
煤炭企業(yè)由于生產(chǎn)的特殊性，特別是井工開采煤礦，礦井水余熱資源可進(jìn)行水源熱泵技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，溫差穩(wěn)定在一定溫度范圍，無疑給水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了一種特別能量。冬季可利用回收礦井水的熱能作為水源熱泵機(jī)組的熱源，滿足煤礦井筒保溫、工業(yè)場(chǎng)地生產(chǎn)、辦公及職工宿舍取暖等。夏季可通過水源熱泵借助冷卻塔為辦公、宿舍等場(chǎng)所提供冷氣。四季提供熱水，用于生活和職工洗浴。
二、資源分析
某礦礦井余熱資源豐富，主要分為礦井水余熱、WAT制冷系統(tǒng)余熱、壓風(fēng)機(jī)余熱、風(fēng)井排風(fēng)余熱等方面。
1.礦井水熱資源
礦井涌水量為1200m3/h，水溫40～42℃，蘊(yùn)涵豐富的低品位熱能資源。考慮到礦井水在地面處理過程中的散熱損失以及管道熱損失等，水源熱泵機(jī)組冬季可利用初始水溫為35℃，礦井水可利用溫差為20℃。
冬季礦井水理論可利用熱量：Q=1.163×（1220×103）×(35-15)=28377kW
2. WAT制冷系統(tǒng)熱資源
井下WAT一期共3臺(tái)制冷機(jī)組，正常使用2臺(tái)，單臺(tái)制冷量為3300kW，冬季降溫冷卻水量為700m3/h，冷卻水供回水溫度為18/23℃，可提供的熱負(fù)荷約為4083kW。
井下WAT二期共6臺(tái)制冷機(jī)組，正常使用4臺(tái)，單臺(tái)制冷量為3300kW，冬季降溫冷卻水量為1400 m3/h，冷卻水供回水溫度為18/23℃，可提供的熱負(fù)荷約為8167kW
3.壓風(fēng)系統(tǒng)熱資源
壓風(fēng)機(jī)房安裝6臺(tái)壓風(fēng)機(jī)，每臺(tái)功率400kW,壓風(fēng)機(jī)輸出功率80%轉(zhuǎn)換成熱量。根據(jù)工程實(shí)踐，可利用熱量折合壓風(fēng)機(jī)軸功率的65%。正常生產(chǎn)時(shí)空壓機(jī)房運(yùn)行2臺(tái)，可回收熱量為520kW。
選煤廠壓風(fēng)機(jī)房安裝14臺(tái)壓風(fēng)機(jī)，每臺(tái)功率250kW。正常運(yùn)行12臺(tái)，每小時(shí)可回收熱量為1950kW。
4.風(fēng)井排放廢氣熱資源
礦內(nèi)風(fēng)井排風(fēng)量為16657m3/min，折合999420m3/h，溫度28.6℃，相對(duì)濕度95%。按熱回收后溫度降低為15℃、相對(duì)濕度為70%計(jì)算。此時(shí)礦井排風(fēng)中每小時(shí)可提取熱量為16431kW。
北風(fēng)井排風(fēng)量為8164m3/min，溫度27.2℃，相對(duì)濕度95%。按熱回收后溫度降低為15℃、相對(duì)濕度為70 %計(jì)算,每小時(shí)可提取熱量為5984kW。
三、水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)
根據(jù)供暖地點(diǎn)分布，礦區(qū)建設(shè)6座水源熱泵機(jī)房，各機(jī)房機(jī)組配備情況如表1?，F(xiàn)以北工廣生產(chǎn)區(qū)水源熱泵機(jī)房為例，介紹水源熱機(jī)房及其配套設(shè)施的建設(shè)方案。
北工廣生產(chǎn)區(qū)水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝有5臺(tái)水源熱泵機(jī)組，總裝機(jī)制熱量為12605kW，其中三臺(tái)高壓離心機(jī)組主要負(fù)責(zé)井筒防凍和空調(diào)負(fù)荷，單臺(tái)制熱量2900kW。兩臺(tái)低壓螺桿機(jī)組主要負(fù)責(zé)浴室供熱負(fù)荷，單臺(tái)制熱量1952.4kW。該系統(tǒng)是在原制冷機(jī)房基礎(chǔ)上改造而成，包括熱源系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)、井筒防凍末端和聯(lián)合建筑浴室供熱系統(tǒng)。
表1 公司水源熱泵系統(tǒng)配置應(yīng)用情況 單位：KW1.確定機(jī)房建設(shè)用地
礦井北工廣用地面積320畝，目前已全部使用。礦井地面制冰站建筑面積812㎡，位于礦井水水源和北工廣生產(chǎn)區(qū)用熱地點(diǎn)中間，2012年停用閑置。因此選用地面制冰站作為北工廣生產(chǎn)區(qū)水源熱泵機(jī)房，減少土建費(fèi)用，縮短管網(wǎng)距離。
2.熱源系統(tǒng)
水源熱泵熱源來自井下礦井排水。在制冰機(jī)房東側(cè)新建1000m3地面水池作為礦井水循環(huán)水池，同時(shí)也作為井下消防灑水池。礦井水取自地面礦井水處理廠。
水池中的礦井水在循環(huán)泵作用下從水池南側(cè)經(jīng)礦井水過濾器過濾、熱源換熱器換熱后返回水池北側(cè)。水池的水溫呈南高北低趨勢(shì)。北側(cè)的低溫礦井水混合高溫礦井水循環(huán)至水池南側(cè)再次為水源熱泵提供熱源，完成礦井水循環(huán)。部分低溫礦井水經(jīng)排水泵排至井下用作消防灑水，剩余礦井水再排回地面礦井水處理廠。
3.主機(jī)系統(tǒng)
機(jī)房內(nèi)設(shè)5臺(tái)水源熱泵機(jī)組，總裝機(jī)制熱量為12605kW,可滿足井筒防凍、聯(lián)合建筑空調(diào)、浴室供熱熱負(fù)荷。主機(jī)系統(tǒng)采用母管制連接方式，提高機(jī)組的備用性、安全性、靈活性。
4.井筒防凍末端
礦井總通風(fēng)量為360m3/s，其中副井進(jìn)風(fēng)220 m3/s，1#、2#主井進(jìn)風(fēng)均為70 m3/s。
井筒防凍的末端加熱裝置采用工業(yè)熱風(fēng)器，工業(yè)熱風(fēng)器將部分新風(fēng)加熱到20℃，再與其余滲風(fēng)混合到2℃進(jìn)入井筒。礦井總通風(fēng)量為360m3/s，其中副井進(jìn)風(fēng)220 m3/s，1#、2#主井進(jìn)風(fēng)均為70 m3/s。
為滿足井筒防凍的要求，副井進(jìn)風(fēng)需工業(yè)熱風(fēng)器加熱的風(fēng)量為361305m3/h，主井進(jìn)風(fēng)需工業(yè)熱風(fēng)器加熱的風(fēng)量為114937 m3/h。
根據(jù)以上計(jì)算，共選用10臺(tái)工業(yè)熱風(fēng)器，單臺(tái)風(fēng)量為：65000 m3/h，電功率：18.5kW。其中副井選用6臺(tái)；1#、2#主井各選用2臺(tái)。
副井的工業(yè)熱風(fēng)器布置在井口房兩側(cè)，并對(duì)現(xiàn)有空氣加熱室進(jìn)行改造。主井的工業(yè)熱風(fēng)器布置在現(xiàn)有空氣加熱室內(nèi)。
夏季，工業(yè)熱風(fēng)器利用水源熱泵系統(tǒng)制取的低溫冷凍水降低進(jìn)入井筒的空氣溫度，為井口房和井下提供一定的冷量，緩解井下降溫負(fù)荷。
5.浴室供熱系統(tǒng)
為合理利用現(xiàn)有設(shè)施及設(shè)備，浴室加熱系統(tǒng)利用現(xiàn)有聯(lián)合建筑水泵間內(nèi)的3座水池作為循環(huán)加熱水池。3個(gè)水池輪流交替加熱。冬季，4#熱泵機(jī)組通過提取礦井水的熱量制取55℃的高溫?zé)崴?。洗浴水通過板式換熱器中與高溫?zé)崴M(jìn)行熱交換，逐漸升溫至45℃。加熱后的洗浴水再通過全自動(dòng)供水設(shè)備供至各用水點(diǎn)。
夏季，充分利用制取空調(diào)冷凍循環(huán)水時(shí)產(chǎn)生的冷凝廢熱制取高溫?zé)崴?，不足部分由礦井水的熱量進(jìn)行補(bǔ)充。達(dá)到充分利用各種熱能資源，實(shí)現(xiàn)最大限度節(jié)能減排的目的。
5#熱泵機(jī)組可作為浴室供熱的備用機(jī)組，增強(qiáng)浴室供熱系統(tǒng)的安全性，確保洗浴熱水供應(yīng)。
四、設(shè)計(jì)特點(diǎn)
公司水源熱泵機(jī)房在設(shè)計(jì)上具有以下幾方面特點(diǎn)。
1.冷熱聯(lián)供
礦井井下溫度超高，為保障工人職業(yè)健康，必須進(jìn)行制冷降溫。該系統(tǒng)在滿足冬季井筒保溫、職工洗浴、區(qū)隊(duì)辦公樓采暖的同時(shí)，利用提熱之后的副產(chǎn)品——冷卻水，進(jìn)行井下灑水降溫，相當(dāng)于免費(fèi)冷源，節(jié)能效果十分顯著。
2.多功能聯(lián)合運(yùn)行
通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)、洗浴供熱、井口防凍、礦井降溫等各種功能的方便切換，相互利用，便于運(yùn)行管理。夏季制冷工況，可利用井口冬季防凍系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)。
3.系統(tǒng)穩(wěn)定可靠
采用處理后的礦井水，并通過板式換熱器隔絕礦井水與熱泵機(jī)組，防止了機(jī)組的堵塞和腐蝕。礦井涌水量穩(wěn)定，水體溫度恒定，保障了熱泵機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)具有高效的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
4.自動(dòng)化控制
集控室可以直觀顯示機(jī)房每個(gè)角落，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，能夠自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，方便運(yùn)行管理。集控系統(tǒng)配置計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能夠提供數(shù)據(jù)交換、資源共享等基本功能，具有良好的可擴(kuò)展性、升級(jí)性以及強(qiáng)大的服務(wù)功能；系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、報(bào)表及流程圖生成、打印功能，提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
五、效益分析
1.經(jīng)濟(jì)效益
（1）北工廣生產(chǎn)區(qū)水源熱利用原制冷機(jī)房進(jìn)行改造，選煤廠水源熱泵機(jī)房利用鍋爐房改造而成，節(jié)約土建投資1000余萬元。
（2）應(yīng)用水源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐每年減少運(yùn)行費(fèi)用2000余萬元，減少鍋爐檢驗(yàn)費(fèi)7.8萬元。
2.環(huán)境效益
該項(xiàng)目的研究實(shí)施，徹底取消了礦區(qū)鍋爐，每年節(jié)能量折標(biāo)煤2萬多噸，每年減排二氧化碳3.4萬噸，減排二氧化硫235噸，環(huán)境效益顯著。
3.社會(huì)效益
水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，方便運(yùn)行管理，解放了大量的人力資源，提高了生產(chǎn)效率。項(xiàng)目運(yùn)行后，改善了井下工作環(huán)境，保障了工人職業(yè)健康。
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