地源熱泵在特殊領(lǐng)域的應用初探(專題)
專題一：地源熱泵在煤礦礦井領(lǐng)域的應用初探
一、煤礦地源熱泵的應用背景
煤炭在世界一次能源消費中所占比重為26.5%，在我國能源消費中的比重為70%左右。據(jù)已查明儲量和分布，我國含煤面積約55萬平方米，除上海外，各省和自治區(qū)均有煤炭資源分布，北部占探明儲量的86%，南部占探明儲量的14%，儲量超過了5000億噸的省/自治區(qū)有，新疆、內(nèi)蒙、山西，儲量超過1000億噸的省油陜西、寧夏、甘肅、貴州、河北、山東、安徽等北方或西南省份。
目前煤炭開采基本為兩種方式：露天開采（占比7%-8%）和地下開采（即礦井開采，占比92%-93%），其中絕大多數(shù)均為礦井開采。對于大型煤田，因面積大，儲量多，小的可以由一個礦區(qū)開發(fā)，大的可以由幾個礦區(qū)開發(fā)，有時，一個礦區(qū)還可以開發(fā)多個煤田。因煤礦一般均在離居住區(qū)較遠甚至荒郊野外，因此給煤礦礦區(qū)工人的居住洗浴用熱水乃至冬季采暖和夏季制冷帶來一定的困難。因此利用煤礦礦井回收地熱能是一個可行的辦法。
地下煤礦礦井因采煤的需要需深入地下，同時需要為采煤工人時時補充新鮮空氣，而地下溫度普遍比地面溫度高（約每開采深度提高100M，地下溫度升高3度），而且深井里會伴有地下滲水需排出，這就給空氣源熱泵和水源熱泵的運用創(chuàng)造了客觀條件，限于本網(wǎng)要求，本文僅以水源熱泵系統(tǒng)的運用為例并加以介紹。
水源熱泵是利用地球水所儲藏的太陽能資源作為冷、熱源，進行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)，水源熱泵一詞為我國特有名詞，在國外統(tǒng)稱為地源熱泵，為了闡述方便，本文統(tǒng)一用地源熱泵一詞。地源熱泵包括地下水熱泵、地表水（江、河、湖、海）熱泵、土壤源熱泵等。
地源熱泵系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵在于是否有穩(wěn)定的熱源，而地下煤礦井內(nèi)的水常年保持了一定的溫度，因此利用煤礦井內(nèi)排出的廢水作為水源熱泵系統(tǒng)的熱源或熱匯便成為可能。因廢水中含雜質(zhì)較多，采用地源熱泵或污水源熱泵時需要做相應的處理。
二、地源熱泵的原理和優(yōu)點
地源熱泵是一種通過利用淺層地熱能（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量），既可供熱又可制冷還可同時提供生活熱水的高效節(jié)能系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。一般在空調(diào)系統(tǒng)中，地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。
地源熱泵機組與風冷熱泵機及鍋爐采暖相比，有以下優(yōu)勢：
（1）水源為深井水，水體溫度較恒定，幾乎不受環(huán)境溫度的變化，機組運行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)高效性和經(jīng)濟性，且無須專人維護或操作，運行維護費用極少。
（2）室外機組無須專用除霜設(shè)備，設(shè)備簡單。不需要鍋爐，沒有廢氣，廢渣，廢水排出。
（3）由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60％。而鍋爐制熱系數(shù)僅為0.7-0. 9，與鍋爐相比可節(jié)省70%以上的能源和40%—60%運行費用。
（4）屬可再生能源利用技術(shù),地源熱泵是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
（5）高效節(jié)能,地源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12-22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18-35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運行費用。
（6）運行穩(wěn)定可靠,水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。
（7）環(huán)境效益顯著,地源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計良好的地源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當于減少30％以上，與鍋爐供暖相比，相當于減少70％以上。地源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
（8）一機多用，應用范圍廣,地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。地源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的地源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
（9）自動運行,地源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計簡單的系統(tǒng)，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高，使用壽命長可達到15年以上。
通過以上優(yōu)點可以看出，地源熱泵技術(shù)是一項綠色環(huán)保、高效節(jié)能的實用新技術(shù)。
三、在煤礦礦井中的地源熱泵系統(tǒng)流程
與常規(guī)地下水水源熱泵流程（圖1）相似，煤礦礦井地源熱泵系統(tǒng)也是通過水泵抽取水源進入熱泵機組后，通過熱泵機組對水體中的熱量（或冷量）提取后送入末端（風機盤管或散熱器等）后達到最終供暖或制冷的目的。下面以新汶礦業(yè)集團孫村煤礦和協(xié)莊煤礦地源熱泵系統(tǒng)為例。
（例1）新汶礦業(yè)集團孫村煤礦地源熱泵系統(tǒng)工藝流程
新汶礦業(yè)集團孫村煤礦地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的主要工藝流程為：被熱泵機組提取熱量后的10℃左右的冷水，進入噴淋室換熱器，與回風進行充分的熱交換，溫度上升為20℃左右，落入出風口下面的積水槽，自流進入出風口一側(cè)的100 m3地下積水池，再利用潛水泵泵至機房，經(jīng)簡單水處理后進入熱泵機組提取熱量，提取熱量后的水再經(jīng)入噴淋換熱器與回風進行熱交換循環(huán)使用。下圖為水源熱泵機房系統(tǒng)圖。
圖1 常規(guī)地下水水源熱泵流程
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圖2 新汶礦業(yè)集團孫村煤礦地源熱泵系統(tǒng)流程圖
（例2）山東省新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)流程：
在山東省新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦地源熱泵系統(tǒng)中，通過利用礦井排出的地下水作低溫熱源，采用水源熱泵機組替代燃煤鍋爐，新風空調(diào)機組和風機盤管替代散熱器，維修更新原有鍋爐供暖所鋪設(shè)的蒸汽供熱管路，組成水源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)，對副立井口進行冬季供熱通風，確保冬季井口進風溫度不低于4.5℃。下圖為該水源熱泵機房的系統(tǒng)圖。
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圖3新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦地源熱泵供熱機房系統(tǒng)示意圖
四、投資及運行費用分析
根據(jù)計算，新建礦井若采用地源熱泵系統(tǒng)為礦區(qū)工作人員供暖或制冷和提供生活熱水，其初投資比常規(guī)設(shè)計鍋爐房加中央空調(diào)系統(tǒng)少10%左右，年運行費用節(jié)省50%以上，以300萬噸礦井為例，年節(jié)省運行費用約350萬元。對于老礦井的改造，若按照改造每1瓦供熱量投資2.5元計算，以改造一個年產(chǎn)量100萬噸的礦井，供熱面積3萬平米，每天1000人洗澡，1500kW井筒保溫，需要投資約1000萬元，年節(jié)省運行費用250萬元左右，約4年可以收回投資。
表1地源熱泵中央空調(diào)與風冷熱泵中央空調(diào)的初投資費用比較
注：本表地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)初投資中，未計土建打井費用。
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表4 年運行費用比較
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地源熱泵中央空調(diào) |
風冷熱泵中央空調(diào) |
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序號 |
項目 |
運行費用/元 |
項目 |
運行費用/元 |
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1 |
地源熱泵機(12kW) |
11880 |
風冷熱泵機(16.8kW) |
16632 |
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合計 |
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11880 |
|
16632 |
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2） 所有設(shè)備按年運行180天，每天運行18小時，電費0.55元/（kWh）計算。
（案例1）、棗礦集團田陳煤礦富源熱電公司利用處理后的礦井水和深井水交換使用，按一臺空調(diào)一年節(jié)約300KWh計算，每年僅空調(diào)投入就可節(jié)約費用2萬余元，取得了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。
（案例2）、山東省新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦地源熱泵系統(tǒng)中，在系統(tǒng)改造前，燃煤鍋爐供熱冬季運行費約183.6萬元。系統(tǒng)改造后，水源熱泵供熱冬季運行費為96.49萬元，比原系統(tǒng)每年節(jié)約運行費87.11萬元。改造前，原燃煤鍋爐系統(tǒng)每年能耗1279.71噸標煤，水源熱泵系統(tǒng)每年能耗折合343.28噸標煤，比原系統(tǒng)節(jié)約能耗936.43噸標煤，降耗約73.17%。減少的污染物排放量折算為：二氧化碳2453.45噸，一氧化碳1.31噸，二氧化硫7.96噸，氮氧化物6.93噸，硫化氫0.47噸，粉塵10.3噸。該項目獲得了“2006年山東省百項節(jié)能項目科技成果獎”。
（案例3）、江蘇油田在進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，從2004年起加大了地熱水的開發(fā)利用力度，在改進現(xiàn)有工藝流程，大膽引進使用具有國際領(lǐng)先水平的熱泵技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)揮油區(qū)內(nèi)地熱資源豐富的優(yōu)勢，利用報廢油水井開采地熱水，對居民生活區(qū)、辦公場所等實施冬季供暖，將地熱供暖區(qū)域由過去的8．6萬平方米，增加至18萬平方米。據(jù)對使用地熱暖氣的住戶進行抽樣調(diào)查的結(jié)果顯示，居民住戶室內(nèi)平均溫度在16~19攝氏度。油區(qū)居民使用地熱水暖氣3個多月，節(jié)約燃煤5400噸，增效超過300萬元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。對屬于資源型企業(yè)的油田來說，其每口井的整改費用，僅為新鉆探一口地熱井的1／10。目前，地熱能已在全世界110多個國家和地區(qū)得到開發(fā)利用，我國開發(fā)利用地熱資源也呈急劇升溫之勢。
五、應用前景
據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2013年全國煤礦數(shù)量為1.2萬處。其中，年產(chǎn)120萬噸以上的大型煤礦850多處。若加上其他礦種開采的礦井數(shù)量及油田開發(fā)（關(guān)于油田領(lǐng)域熱泵的應用請看本專題系列的《地源熱泵在油田領(lǐng)域的應用》）等領(lǐng)域應用地源熱泵系統(tǒng)，這一數(shù)量也將相當可觀。
此外，在新建礦井時，若盡可能的采用地源熱泵這一新型的供熱制冷技術(shù)來取代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加中央空調(diào)供熱制冷系統(tǒng)，不用增加投資即可以達到節(jié)能減排的效果。而若在廢棄后的礦井或采油地區(qū)有居民居住社區(qū)的話，對其廢棄礦井的再次利用，還可變廢為寶，為周邊居住社區(qū)可繼續(xù)發(fā)揮余熱和做出貢獻。
（本文為地源熱泵網(wǎng)編輯和整理，原文部分數(shù)據(jù)和圖表來源于《地源熱泵》雜志及網(wǎng)絡(luò)，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)，請勿轉(zhuǎn)載?。?/span>
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