浅谈水源热泵技术在煤矿中的综合应用

【摘要】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，本文以亭南煤矿为例，介绍和研究了水源热泵技术，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。

【关键词】矿井水；水源热泵技术；技术原理；工艺流程；技术应用

1、地下水水源热泵技术的发展现状

作为热源热泵技术的一个分支，地下水水源热泵技术最早发源于欧洲。20世纪初期，瑞士专家首次提出关于“热泵技术利用地热源”的思想，此后，随着首台地下水源热泵系统在美国试验成功，地下水源热泵技术正式登上历史的舞台。该技术的发展在我国起步相对较晚，主要是受到当时国内经济形势与政治环境的影响。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，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。

2、水源热泵技术工艺原理

实际上矿井水热能利用是通过热量交换的原理来实现的。具体的讲，在夏季煤矿地面建筑物温度高，而使用的水源温度低，通过相应的技术手段可以将建筑物中的热量转移到水源中，从而将过高的热量带走，达到给建筑物降温的目的；在冬季，则是利用热泵技术从水源中汲取能量，通过水或空气作为煤质将汲取的热量输送到建筑设施中。一般来说，通过热泵技术用户可以得到高于4倍热泵（或水泵）消耗能量的热量（或冷量），例如使用热泵时每消耗1KW的能量，可供建筑物用热4KW左右。水源热泵可分为开式和闭式两种，其分类依据是泵对水源的利用方式。作为热泵供热和制冷的介质，水源也应满足两个条件：一是要保证水源存储量，二是要保证水温控制在7℃～30℃之间。矿井水可作为一种理想水源，它不仅储量丰富，而且水温基本恒定，水质也比较好。

2.1工艺流程

过程中所形成的矿井水通过水泵系统抽至地热交换系统，依据热泵原理机组运转并交换矿井水中的能量，然后通过管道输送至矿井建筑设施等，实现冬季和夏季的供暖、供热，从建筑设施交换能量过后的废水可做工业用水再次回收利用。图1为利用矿井水制热工艺流程。

2.2技术原理

1）夏季制冷。矿井水首先进入旋流除沙器除沙，再经过电子水处理仪除掉絮状物，然后进入水源热泵空调机组冷凝发器与氟利昂R22制冷剂进行热交换，通过氟利昂的形态液化，向矿井水释放热量，利用压缩机做功，再通过蒸发器中氟利昂与空调系统的循环水进行热交换，氟利昂吸收循环水中的部分热量，制出7℃的冷媒水，为井口送风设备提供冷量。

2）冬季供暖。与夏季制冷不同的是，当矿井水与氟利昂R22制冷剂进行热交换时，氟利昂是汽化的状态来吸收矿井水中的部分热量，此后利用压缩机做功将汽态氟利昂变为液态，释放热量后，再通过冷凝器与空调系统的循环水进行热交换，制出45℃～50℃的空调热水，为井口送风设备提供热量。

3、热泵技术特点

1）属再生能源利用技术。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。

2）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。

4、技术应用案例分析

以陕西亭南煤矿为例，根据地下水资源评估报告，该矿矿井水的水温夏季维持在22℃左右，冬季维持在15℃左右，涌水量为1000m3/h，符合热泵技术对水源选择的规定。该矿采用水源热泵技术，将矿井水作为水源热泵机组热源，供冬季主副井井筒保温、四季职工洗浴和18层公寓楼夏季制冷。

4.1应用效果

该技术在亭南煤矿应用两年多来，所取得成效非常显著。水源热泵技术所汲取的热量主要用于以下几个方面：①18层公寓楼夏季制冷，使室内温度维持在25℃左右；②井口保温，保证井口以下的空气温度在2℃以上，整个冬季不结冰；③洗浴热水，每天供应1000人次的洗澡热水，按60kg/人来算，每天共需60吨45℃的热水保证，实际也基本满足。同时，结合亭南煤矿建立瓦斯发电站，发电机组循环冷却水高温段360m3/h，温度达到48℃的特点，将瓦斯发电循环冷却水高温段的水作为热源，仅通过板式换热器后，出水直接用于洗浴。

4.2效益分析

1）经济效益。利用原有矿井水处理站消防水池作热源池、井口房两侧作立柜式空调机房，节省土建工程投资300万元；应用水源热泵空调系统比应用燃煤锅炉每年节约能源费85.6万元；每年节约蒸汽锅炉水处理成本费1.4万元；每年节约设备维护费15万元；每年节约排污费4万元，每年节约人工费10万元。合计每年取得经济效益416万元。虽然热泵整体配套工程初期投资稍多些，亭南煤矿采用BOT合同能源管理模式，有效解决了资金问题。水源热泵技术具有能量利用率高、环保等特点，只要完善系统相关技术的配套，就具有很好的推广应用价值。

2）社会效益。①该技术符合国家资源综合利用扶持政策及发展循环经济模式，保护了煤炭资源；②该技术应用后使矿区摆脱了燃煤锅炉供暖，节约了供暖成本，改善了矿区环境；③保证了矿井的提升安全，改善了井下工人的作业环境；④设备运行中不存在爆炸、燃烧等安全隐患，有利于安全管理；⑤开辟了矿井水利用的新途径。

5、结语

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，符合国家关于能源发展和环境保护的相关精神。水源热泵技术适应性强，可在煤矿中广泛推广应用。

参考文献

[1]姜子刚，赵旭东.节能技术（下）[M].北京：中国标准出版社，2010.

[2]王焕忠，王伟，刘善勇.煤炭企业水源热泵技术规模化应用[J].山东煤炭科技，2013（06）.

作者简介

刘红丽，出生于1982年5月，女，2004年毕业于西安工程科技学院机械电子工程专业，现在就职于陕西长武亭南煤业有限责任公司机电科，助理工程师，主要从事环保节能技术工作。

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