地源熱泵在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用初探(專題)
專題一：地源熱泵在煤礦礦井領(lǐng)域的應(yīng)用初探
一、煤礦地源熱泵的應(yīng)用背景
煤炭在世界一次能源消費(fèi)中所占比重為26.5%，在我國(guó)能源消費(fèi)中的比重為70%左右。據(jù)已查明儲(chǔ)量和分布，我國(guó)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(chǔ)量的86%，南部占探明儲(chǔ)量的14%，儲(chǔ)量超過了5000億噸的省/自治區(qū)有，新疆、內(nèi)蒙、山西，儲(chǔ)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(duì)于大型煤田，因面積大，儲(chǔ)量多，小的可以由一個(gè)礦區(qū)開發(fā)，大的可以由幾個(gè)礦區(qū)開發(fā)，有時(shí)，一個(gè)礦區(qū)還可以開發(fā)多個(gè)煤田。因煤礦一般均在離居住區(qū)較遠(yuǎn)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?zé)崮苁且粋€(gè)可行的辦法。
地下煤礦礦井因采煤的需要需深入地下，同時(shí)需要為采煤工人時(shí)時(shí)補(bǔ)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(huì)伴有地下滲水需排出，這就給空氣源熱泵和水源熱泵的運(yùn)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(yùn)用為例并加以介紹。
水源熱泵是利用地球水所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷、熱源，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)，水源熱泵一詞為我國(guó)特有名詞，在國(guó)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(yùn)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(shí)需要做相應(yīng)的處理。
二、地源熱泵的原理和優(yōu)點(diǎn)
地源熱泵是一種通過利用淺層地?zé)崮埽ㄒ卜Q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(shí)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(shí)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(jī)組與風(fēng)冷熱泵機(jī)及鍋爐采暖相比，有以下優(yōu)勢(shì)：
（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(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)高效性和經(jīng)濟(jì)性，且無須專人維護(hù)或操作，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用極少。
（2）室外機(jī)組無須專用除霜設(shè)備，設(shè)備簡(jiǎn)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(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)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(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)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(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)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(yáng)輻射能量），而且是一個(gè)巨大的動(dòng)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(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無限的太陽(yáng)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(jī)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(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)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(yùn)行費(fèi)用。
（6）運(yùn)行穩(wěn)定可靠,水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。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(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)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(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)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(jì)良好的地源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少30％以上，與鍋爐供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。地源熱泵機(jī)組的運(yùn)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(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。
（8）一機(jī)多用，應(yīng)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(jī)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(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)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(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)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(dòng)運(yùn)行,地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15年以上。
通過以上優(yōu)點(diǎn)可以看出，地源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)綠色環(huán)保、高效節(jié)能的實(shí)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(jìn)入熱泵機(jī)組后，通過熱泵機(jī)組對(duì)水體中的熱量（或冷量）提取后送入末端（風(fēng)機(jī)盤管或散熱器等）后達(dá)到最終供暖或制冷的目的。下面以新汶礦業(yè)集團(tuán)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(tuán)孫村煤礦地源熱泵系統(tǒng)工藝流程
新汶礦業(yè)集團(tuán)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(jī)組提取熱量后的10℃左右的冷水，進(jìn)入噴淋室換熱器，與回風(fēng)進(jìn)行充分的熱交換，溫度上升為20℃左右，落入出風(fēng)口下面的積水槽，自流進(jìn)入出風(fēng)口一側(cè)的100 m3地下積水池，再利用潛水泵泵至機(jī)房，經(jīng)簡(jiǎn)單水處理后進(jìn)入熱泵機(jī)組提取熱量，提取熱量后的水再經(jīng)入噴淋換熱器與回風(fēng)進(jìn)行熱交換循環(huán)使用。下圖為水源熱泵機(jī)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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?zé)嵩矗捎盟礋岜脵C(jī)組替代燃煤鍋爐，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)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(duì)副立井口進(jìn)行冬季供熱通風(fēng)，確保冬季井口進(jìn)風(fēng)溫度不低于4.5℃。下圖為該水源熱泵機(jī)房的系統(tǒng)圖。
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圖3新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦地源熱泵供熱機(jī)房系統(tǒng)示意圖
四、投資及運(yùn)行費(fèi)用分析
根據(jù)計(jì)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(jì)鍋爐房加中央空調(diào)系統(tǒng)少10%左右，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省50%以上，以300萬噸礦井為例，年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約350萬元。對(duì)于老礦井的改造，若按照改造每1瓦供熱量投資2.5元計(jì)算，以改造一個(gè)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(yùn)行費(fèi)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(fēng)冷熱泵中央空調(diào)的初投資費(fèi)用比較
注：本表地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)初投資中，未計(jì)土建打井費(fèi)用。
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表4 年運(yùn)行費(fèi)用比較
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地源熱泵中央空調(diào) |
風(fēng)冷熱泵中央空調(diào) |
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序號(hào) |
項(xiàng)目 |
運(yùn)行費(fèi)用/元 |
項(xiàng)目 |
運(yùn)行費(fèi)用/元 |
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1 |
地源熱泵機(jī)(12kW) |
11880 |
風(fēng)冷熱泵機(jī)(16.8kW) |
16632 |
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合計(jì) |
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11880 |
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16632 |
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2） 所有設(shè)備按年運(yùn)行180天，每天運(yùn)行18小時(shí)，電費(fèi)0.55元/（kWh）計(jì)算。
（案例1）、棗礦集團(tuán)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(tái)空調(diào)一年節(jié)約300KWh計(jì)算，每年僅空調(diào)投入就可節(jié)約費(fèi)用2萬余元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
（案例2）、山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)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(yùn)行費(fèi)約183.6萬元。系統(tǒng)改造后，水源熱泵供熱冬季運(yùn)行費(fèi)為96.49萬元，比原系統(tǒng)每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)87.11萬元。改造前，原燃煤鍋爐系統(tǒng)每年能耗1279.71噸標(biāo)煤，水源熱泵系統(tǒng)每年能耗折合343.28噸標(biāo)煤，比原系統(tǒng)節(jié)約能耗936.43噸標(biāo)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(xiàng)目獲得了“2006年山東省百項(xiàng)節(jié)能項(xiàng)目科技成果獎(jiǎng)”。
（案例3）、江蘇油田在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，從2004年起加大了地?zé)崴拈_發(fā)利用力度，在改進(jìn)現(xiàn)有工藝流程，大膽引進(jìn)使用具有國(guó)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?zé)豳Y源豐富的優(yōu)勢(shì)，利用報(bào)廢油水井開采地?zé)崴?，?duì)居民生活區(qū)、辦公場(chǎng)所等實(shí)施冬季供暖，將地?zé)峁┡瘏^(qū)域由過去的8．6萬平方米，增加至18萬平方米。據(jù)對(duì)使用地?zé)崤瘹獾淖暨M(jìn)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?zé)崴瘹?個(gè)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(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)屬于資源型企業(yè)的油田來說，其每口井的整改費(fèi)用，僅為新鉆探一口地?zé)峋?／10。目前，地?zé)崮芤言谌澜?10多個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到開發(fā)利用，我國(guó)開發(fā)利用地?zé)豳Y源也呈急劇升溫之勢(shì)。
五、應(yīng)用前景
據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年全國(guó)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?dāng)?shù)量及油田開發(fā)（關(guān)于油田領(lǐng)域熱泵的應(yīng)用請(qǐng)看本專題系列的《地源熱泵在油田領(lǐng)域的應(yīng)用》）等領(lǐng)域應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，這一數(shù)量也將相當(dāng)可觀。
此外，在新建礦井時(shí)，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(dá)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(duì)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(xiàn)。
（本文為地源熱泵網(wǎng)編輯和整理，原文部分?jǐn)?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(qǐng)勿轉(zhuǎn)載?。?/span>
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