某高層住宅樓熱害礦井廢熱采暖系統(tǒng)設(shè)計

楊偉¹，李薺²，孫躍¹

（1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，阜新市123000

    2、阜新市雙益熱力設(shè)計研究院        阜新市123000）

摘要：對某高層住宅樓采暖熱負荷按規(guī)范進行了詳細計算，得出了熱負荷指標，并繪制了采暖系統(tǒng)圖；對地?zé)釗Q熱器進行了計算并對采暖系統(tǒng)的實際運行費用進行了分析。結(jié)果得出與采用冬季集中供熱的采暖系統(tǒng)相比，在相同的熱負荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。利用礦井廢熱的地源熱泵系統(tǒng)可降低采掘工作面的溫度,回收一部分熱量用于建筑供暖，其應(yīng)用還會受多方面的影響。

關(guān)鍵詞：熱害礦井；地?zé)釗Q熱器；供熱；經(jīng)濟性分析；節(jié)能     

Design of a High-rise Apartment Building’s Heating System Usings Waste Heatfrom Heat Harmful Mine

Yang Wei¹ ，Li Qi²，Sun Yue¹

(1 College of Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin City, 123000

2 Academy of Shuangyi Heating power Design of Fuxin City, Fuxin City, 123000)

Abstract:According to specifications, the detailed calculation of the heating load of a high-rise apartment building shows the heating load index, the diagram of heating system is also presented. Based on  the calculation of geothermal heat exchangers and the analysis of actual operating costs, the comparation between the heating system with district heating and ground source heat pump system  of the same heating load shows great energy-saving effect of GSHPs. The ground source heat pump using waste heat of the mine is to decrease the temperature of working face, and recovery a part of heat for building heating. The application ofit to beaffected by many factors.

Keywords:heat harmful mine,geothermal heat exchanger; heat supply, economic analysis ,energy efficient

1 引言

     礦井開采深度的增加，采掘工作面溫度超過30℃的礦井數(shù)目日益增多，而且危害程度也日趨嚴重。高溫礦井的熱環(huán)境不僅降低工人的勞動生產(chǎn)率，影響礦井經(jīng)濟效益，而且嚴重地危及到礦工的身體健康和勞動安全。改善礦井內(nèi)氣候狀況，防止熱害，保障安全生產(chǎn)，加速我國礦井降溫理論的研究己是礦井生產(chǎn)現(xiàn)實所要求的緊迫任務(wù)。礦井降溫的關(guān)鍵是使井下巷道圍巖溫度降低。利用熱泵技術(shù)^[1]將地?zé)釗Q熱器布置在巷道內(nèi)，地?zé)釗Q熱器內(nèi)介質(zhì)（水）吸收巷道巖體熱量將巖體溫度降低，間接降低巷道內(nèi)空氣的溫度，達到改善熱環(huán)境的目的，同時將加熱后的介質(zhì)輸送至地面供建筑物采暖用。熱泵機組、循環(huán)泵布置在井下巷道內(nèi)。建設(shè)熱害礦井地源熱泵系統(tǒng)目的是降低采掘工作面的溫度,進行建筑供暖只是熱量的一部分回收。

2 住宅樓工程概況

    住宅樓位于東經(jīng)122°，北緯42°，為北溫帶大陸型季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為8.8℃。最冷月（1月）平均氣溫在-4.5～8℃之間。最熱月（8月）平均氣溫在24℃上下，平均相對濕度61％，最大相對濕度78％，最小相對濕度48％。平均凍土深度1.11米，最大凍土深度1.48米，最小凍土深度0.68米。

本建筑物是高層住宅樓，建筑面積7406.28m²，總高度34.800m。主建筑層數(shù)為十二層，地下室為車庫，無采暖；一～十二層為住宅，層高2.90m，三個單元，戶型一致。

3 供暖系統(tǒng)負荷計算

   設(shè)計熱負荷是供暖設(shè)計中最基本的數(shù)據(jù)，它直接影響供熱方案的選擇、供暖設(shè)備的容量以及供暖系統(tǒng)的使用效果和運行成本。建筑的供暖熱耗計算涉及建筑物圍護結(jié)構(gòu)傳熱耗熱、冷風(fēng)滲透耗熱及建筑物內(nèi)部得熱三部分。

住宅采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?，一~六層為低區(qū);七~十二層為高區(qū)。均使用節(jié)點閥進行入戶控制。供水溫度小于等于60⁰C，室外計算溫度為-17⁰C，冬季室外平均風(fēng)速為2.3m/s，室內(nèi)起居室、餐廳、衛(wèi)生間設(shè)計溫度均為18℃、廚房設(shè)計溫度為15℃，地溝及管道井內(nèi)管道均采用PP-R熱熔管，熱熔連接。修正后標準層房間總耗熱量170901.93W,頂層房間總耗熱量46030.5 W,修正后采暖總耗熱量Q=216932.43W(修正后采暖耗熱量：Q=170901.93W+46030.5W=216932.43W)。采暖熱指標29.29W/m²(216932.43/7406.28=29.29W /m²)。經(jīng)設(shè)計后單元采暖系統(tǒng)如圖1，樓梯間采暖表箱安裝如圖2。

4地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計^[6、7]

4．1確定地?zé)釗Q熱器的布置形式

    地?zé)釗Q熱器的布置方式主要有兩種形式，即豎直埋管和水平埋管^[3]．選擇哪種方式主要取決于冷熱負荷、工程場地大小、當?shù)貛r土類型及挖掘成本等因素。如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟。當場地面積有限時，適合采用豎直埋管方式，很多情況下選擇后者。從管路的連接上又分為串聯(lián)和并聯(lián)等形式。由工程特殊性決定了布置形式只能采用水平埋管，即將管路水平布置在非工作面?zhèn)缺诤退较锏赖撞?。具體布置形式如圖3。

4．2選擇換熱器管材

    目前國際上廣泛采用的高密度聚乙烯（美國牌號PE3408）管材，壁厚（強度）推薦按SDR11選取，管徑（內(nèi)徑）通常采用20－40mm。管徑的選擇應(yīng)根據(jù)熱泵的流量要求以及選用的連接形式確定。即一方面管中流體的流速應(yīng)足夠大，使管中產(chǎn)生湍流以利于傳熱，另一方面，該流速又不應(yīng)過大，以使循環(huán)泵的功耗保持在合理的范圍內(nèi)。設(shè)計中采用的是國產(chǎn)高密度聚乙烯管，內(nèi)徑為26mm，外徑為32mm。管內(nèi)設(shè)計流速為0.6m/s。

4．3地下?lián)Q熱器換熱量計算

    熱泵系統(tǒng)實際最大釋放熱量包括：熱泵機組釋放到水中的熱量、循環(huán)水在輸送過程中的得到的熱量、水泵釋放到循環(huán)水中的熱量，即：

最大吸熱量=Σ[Q×（1+1/COP）]+Σ輸送過程損失的熱量 - Σ水泵釋放熱量      (1)

式中， Q為建筑熱負荷，kW；COP熱為熱泵機組制熱時的性能系數(shù),3.9。

注：因輸送過程的損失熱量、水泵釋放熱量該兩項與管路的長短、水泵運行工況等都有關(guān)，公式中后兩項（一項為失熱量，另一項為得熱量）相互抵消，即上述公式可簡化為
              最大吸熱量= ×（1-1/COP）                                                                    (2)

因此冬季地下?lián)Q熱器的換熱量分別為：

最大吸熱量= ×（1-1/COP）=206932.43（1-1/3.9）=153872.83W=153.87kw

4．4確定循環(huán)液（水）的溫差與流量^[8]

    循環(huán)液（水）進、出蒸發(fā)器的溫度分別為27℃和23℃，即溫差為4℃，則循環(huán)液最大流量按下式計算；

                                           (3)

式中，  為循環(huán)液比定壓熱容，KJ/Kg為循環(huán)液溫差℃。

因此循環(huán)液最大流量為：

4．5地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)

    地埋管總過流斷面應(yīng)根據(jù)熱泵機組蒸發(fā)器的流量要求以及循環(huán)液的流速來確定。按下式計算；

                                  (4)

式中，n為地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)d為地埋管內(nèi)徑m;v為循環(huán)液流速m/s。

因此地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)為：

4．6確定地下埋管換熱器長度

    地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料如：地下溫度(圍巖溫度34.5℃)、傳熱系數(shù)（2.70W/m℃）、體積比熱（2345KJ/m³℃）。熱泵參數(shù)制熱量153.87KW、熱源水流量33.15m³/h、輸入功率60.4KW等。利用軟件模擬計算長度為9490.47 m。

4．7確定換熱器鉆孔長度

    在工程中單u形管，埋管長度一般為40～90 m，水平孔深40～90 m根據(jù)下式確定：

                                                  (4)

式中為地下?lián)Q熱器鉆孔長度，m;L為地埋管長度，m；

因此地下?lián)Q熱器鉆孔長度為：

單孔164m較長，對單孔進行調(diào)整。選擇每口井長平均約為40 m（已考慮富余量），調(diào)整鉆孔數(shù)為120（9490.47/（2×40）=118.63）個，連接選擇4個一組串聯(lián)連接，然后進行并聯(lián)連接。

5 地源熱泵采暖系統(tǒng)運行費用

    冬季采暖183天，每天24小時運行。設(shè)置循環(huán)水泵二臺, 一用一備，單臺功率為18.5KW, 熱泵機組二臺, 一用一備型號為SM180^[9],單臺機組電功率為43KW，運行系數(shù)0.49。根據(jù)有關(guān)實際運行情況及室內(nèi)外參數(shù),對系統(tǒng)在采暖期間的耗電量和運行費用進行了分析計算結(jié)果如表1所示。

表1  地源熱泵系統(tǒng)運行分析

電價計算時按0.5元計算在同樣的供熱負荷條件下，如僅采用冬季集中供熱，其供熱費為196266.42元（7406.28米26.5元/米²=196266.42元)，而采用冬季供熱時地源熱泵系統(tǒng)運行費用僅為66176.46元。與此相比地源熱泵可節(jié)約費用約33.72％。

6 結(jié)語

1) 與集中供熱采暖系統(tǒng)相比，在滿足相同的熱負荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省運行費用約33.72％。由于熱害礦井地源熱泵系統(tǒng)可以改善局部巷道內(nèi)環(huán)境，對環(huán)境保護有積極的促進作用。

2) 熱害礦井地源熱泵的應(yīng)用還受土壤或巖石特性影響，初投資較高、缺少針對土壤熱物性參數(shù)的研究成果、缺少最佳匹配參數(shù)、缺少動態(tài)特性研究等方面因素,需要設(shè)計人員多積累多思考,將技術(shù)的可靠性和節(jié)能性、環(huán)保性有效地結(jié)合起來。

3) 熱害礦井地源熱泵對礦井降溫只是一個輔助降溫方式，完全依靠他將使地埋管換熱器敷設(shè)量是巨大的，而且也是非常困難的。他的優(yōu)點是將巷道內(nèi)一部分熱量利用起來進行供暖。

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉(zhuǎn)載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。