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        水源熱泵技術在煤礦生產中的研究與應用

        發布時間:2010/1/8

        摘要:該技術利用礦井生產過程中涌出的廢水作為熱源,通過水源熱泵空調機組實現礦井廢水熱量與礦井進風流之間的熱量轉換,實現一次性升溫,取代傳統的燃煤鍋爐供暖,保證冬季礦井井筒內不出現結冰現象;同時具備夏季供冷功能,為井下采掘工作面提供涼風,實現一機多用,節省設備投資。
        關鍵詞:礦井水熱能應用

          礦井在開采過程中,都要涌出一定量的礦井廢水。這部分礦井水一年四季溫度恒定,水量隨著礦井生產規模的不斷擴大和開采時問的增長會逐步加大,是一種穩定和利用價值很高的熱源。通過水質分析及測定,目前新汶礦業集團礦井水的水溫平均19℃、水量400m3/h,比較適合地下水源熱泵技術的應用。

        1 地下水源熱泵技術的發展

          地下水源熱泵是地源熱泵的一個分支。這項技術起始于1912年,瑞士Zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1948年,第一臺地下水源熱泵系統在美國俄勒岡州波特蘭市的聯邦大廈投入了運行。在其后的幾十年中,地下水源熱泵得到了更為廣泛的應用。我國地下水源熱泵從1997年開始學習和引進歐洲產品,到1999年底,全國大約有100套地下水源熱泵供熱或制冷系統。1997年,中國科技部與美國能源部簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書,其中一項就是地源熱泵的發展戰略。1998年,中美兩國確定在我國北京(代表北部寒冷地帶)、寧波(代表中部夏熱冬冷地帶)、廣州(代表南部亞熱帶)合作建立三個地源熱泵的示范工程。在這三個示范工程項目中,兩個為地下水源熱泵系統,一個為復合式地下水源熱泵系統。除了這些之外,還有其它一些工程實例,其中比較有代表性的工程有:
          (1)清華同方人工環境有限公司承擔的山東東營市勝泰大廈的地下水源熱泵系統和空軍豐臺招待所、辦公樓的地下水源熱泵空調改造系統;(2)內蒙古科技廳科力賓館的地下水源熱泵空調系統工程(國家試驗示范工程);(3)山東某煤礦地面建筑的地下水源熱泵系統工程。

        2 礦井水熱能利用工藝原理

          水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中,由于水源溫度低,可帶走熱量:而冬季,則從水源中提取能量,由熱泵原理通過空氣或水作為制冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵水泵消耗lkW的能量,用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。水源熱泵根據對水源利用方式的不同,可以分為閉式系統和開式系統兩種。水作為熱泵制熱、制冷過程的介質,滿足以下兩個條件即可利用:(1)水的溫度在7℃ 一30cC之間;(2)水量要充足。水源水可以是各種工業用廢水、生活用水、海水、江、河水等。
          2.1 工藝流程
          礦井水進入地熱交換系統(制冷系統和制熱系統),機組提取水中的能量后,實現冬季供暖和夏季供冷,礦井水釋放完能量后,再供做工業用水。
          2.2 技術原理
          (1)冬季供暖:水溫19~C礦井水首先進入旋流除沙器除沙,再經過電子水處理儀除掉絮狀物,然后進入水源熱泵空調機組蒸發器與氟利昂R22制冷劑進行熱交換,通過氟利昂的形態汽化,吸收礦井水中的部分熱量,利用壓縮機做功將汽態氟利昂變為液態,釋放熱量,再通過冷凝器與空調系統的循環水進行熱交換,制出45~50℃的空調熱水,為井口送風設備提供熱量。
          (2)夏季制冷:水溫19℃礦井水首先進入旋流除沙器除沙,再經過電子水處理儀除掉絮狀物,然后進入水源熱泵空調機組冷凝發器與氟利昂R22制冷劑進行熱交換,通過氟利昂的形態液化,向礦井水釋放熱量,利用壓縮機做功,再通過蒸發器中氟利昂與空調系統的循環水進行熱交換,氟利昂吸收循環水中的部分熱量,制出7℃的冷媒水,為井口送風設備提供冷量。

        3 技術特點及應用效果

          3.1 技術特點
          (1)屬廢棄能源利用技術。利甩了礦井生產廢水經驗。 作為冷熱源,通過水源熱泵機組進行能量轉換的冷暖空調技術。
          (2)屬經濟有效的節能技術。礦井水的水溫一年四季穩定,冬季比環境空氣溫度高,夏季比環境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調冷源,這種特性使得水源熱泵空調比傳統鍋爐及傳統空調要節能40%以上。
          (3)屬潔凈運行技術。水源熱泵空調的運行不產生燃燒、排煙、廢棄物等污染,環境效益顯著。
          (4)運行穩定可靠。機組壽命長、維護費用低。機組使用壽命長在20年以上,每年只需檢查、保養一次;整套機組結構緊湊、節省安裝空間;自動化控制程度高,可實現無人值守。
          3.2 應用效果
          礦井水地熱資源利用技術先后在新礦集團潘西、協莊等礦應用,經過兩年多的運行證明,效果明顯。夏季供冷時,礦井工業區辦公室的溫度保持在25℃左右,井口入風溫度在22℃左右,冬季時,利用該機組給礦井工業區辦公室、井口供暖,室內溫度在18℃左右,保證井口不結冰;同時將該項技術應用在井下泵房后,溫度由40℃降到了27℃,改善了作業環境。

        4 效益分析

          4.1 經濟效益
          以協莊礦水源熱泵應用情況為例,分析如下:
          (1)利用原有的蓄水池作熱源池、原鍋爐房作主機房、井口原有的暖風室作空調機房,節省土建工程投資320萬元:
          (2)應用水源熱泵空調系統比應用燃煤鍋爐每年節約能源費89.91萬元;
          (3)每年節約蒸汽鍋爐水處理成本費1.5萬元;
          (4)每年節約人工費9.6萬元;
          (5)每年節約排污費3萬元;
          (6)每年節約設備維護費l6萬元。
          合計每年取得經濟效益432.O1萬元。
          雖然熱泵整體配套工程初期投資稍多些,但該技術具有能量利用率高、環保等特點,只要完善系統相關技術的配套,就具有很好的推廣應用價值。
          4.2 社會效益
          (1)該技術符合國家資源綜合利用扶持政策及發展循環經濟模式,保護了煤炭資源;(2)該技術應用后使礦區擺脫了燃煤鍋爐供暖,節約了供暖成本,改善了礦區環境;(3)保證了礦井的提升安全,改善了井下工人的作業環境;(4)設備運行中不存在爆炸、燃燒等安全隱患,有利于安全管理;(5)開辟了礦井水利用的新途徑。

        5 地下水源熱泵技術應用的一點思考

          (1)地下水資源在某種程度上是國家的一種戰略物資,而且一些水文地質界的專家對當前地下水源熱泵的發展也持保留意見,因此,在推廣時應采取慎重的態度,要本著條件適宜、廢水利用、循環發展的原則去操作。
          (2)在應用地下水源熱泵系統之前,一定要做詳細的_灄x_0水文地質調查,以獲取地下溫度、地下水溫度、水質和出水量等數據,合理地配置整個系統。
          (3)設計、施工和運行等各個環節要持謹慎態度,確保系統不會因負荷不當、水泵功耗過高、管理不善而降低了效率。

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