刘家雷，强天伟，徐宏锦，陈倩倩
(西安工程大学，陕西 西安 710048)
全球气候变化是当今各国共同面临的挑战，深刻影响着人类的生存与发展。为应对气候变化，中国作出庄严承诺：“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取于2060年前实现碳中和”[1]。煤炭号称“工业的粮食”，是中国的主体能源。煤炭企业作为传统耗能大户、污染大户，要按照绿色低碳的发展方向，对标实现“双碳”目标，控制总量，有序减量替代，推动煤炭行业转型升级，践行“绿色矿山、生态矿山”的建设理念。
近年来，随着国家节能减排政策的不断推进及煤矿环保要求的愈发严格，回收利用煤矿低温余热资源来实现矿区的清洁取暖引起煤炭企业的广泛关注，尤其是矿井乏风余热利用，由于矿井乏风风量大，风温稳定，相对湿度大，焓值较高，其蕴含着大量的优质低温热能，是具有极高利用价值的余热资源[2]。利用间壁式取热热泵系统从乏风中提取热量用于矿区的建筑物供暖、井筒防冻及洗浴用热，可以取代燃煤锅炉供热系统，解决煤炭企业供热系统燃煤污染、运行成本高的现实问题，具有良好的经济效益和社会效益。
热泵技术是一种高效节能的供热技术[3]，间壁式取热热泵系统主要由取热装置、热泵机组、输配管路以及末端设备等组成。系统原理如图1所示，矿道风机把乏风从井下抽排到地面，在矿井回风立井上方设置乏风取热室，取热装置设置于取热室两面侧墙内，致使乏风强制流过取热装置内的翅片间隙，并将乏风的热量传递给取热装置中的取热介质，取热介质吸热相变后通过循环泵把热能输送到热泵机组的蒸发器端，热泵机组中的压缩机做功消耗一定的电能，把低品位热能提升制取高温热水供给末端用户侧[4]。
1-蒸发器；
2-冷凝器图1 间壁式取热热泵系统原理
该系统可提取乏风中的大量显热、液化潜热和固化热，乏风取热后的排风温度可降至-15 ℃[5]。整个系统采用闭式循环，余热回收热效率高，可靠性高，同时也保证了矿井通风安全，且热泵机房与乏风取热室之间相对位置更加灵活，不受取热装置与热泵机组间距和高差的限制。
2.1 项目背景
2019年3月28日，陕西省人民政府办公厅印发《陕西省蓝天保卫战2019年工作方案》，行动方案指出全省要开展燃煤锅炉综合整治。全省不再新建35蒸吨以下的燃煤锅炉，并加大燃煤、燃气、燃油、生物质锅炉改造力度。某煤矿自建有锅炉房，锅炉房共有3台SZL7-1.0/115/70-AⅡ型燃煤热水锅炉，单台供热量7 MW(折合蒸汽10蒸吨)，锅炉房的运行费用见表1，由表中数据可以看到煤炭消耗量巨大，且一般的燃煤锅炉效率只有60%～65%[6]，既污染环境，又造成能源浪费。3台燃煤热水锅炉属于政策淘汰范围，且燃煤锅炉改造不允许“拆小建大”。因此，为落实国家政策，满足清洁低碳、综合利用以及绿色矿山的生产要求，该企业拟采用更加清洁高效、节能环保的供热系统来代替燃煤锅炉。
表1 2019年锅炉房运行费用清单
2.2 项目设计要求
对原有燃煤锅炉房进行拆除，矿井乏风余热利用改造项目应遵循技术先进、经济合理、安全可靠及节能环保等原则，不影响煤炭企业矿井的正常安全生产运行，贯彻执行国家和地方的有关标准、规范，设计中体现以人为本、安全第一的先进理念，使建成后项目能够安全稳定运行。根据《煤矿安全规程》第137条规定，进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2 ℃以上[7]。该地区的逐时气象参数如图2所示。为保证井下安全生产，根据《煤炭安全规程》要求，该井筒在冬季需要进行保温防冻。此外，联建楼供暖需满足室内温度不低于18 ℃，充分利用矿井现有的资源，设计适合本矿井的乏风余热利用系统。
图2 逐时气象参数
2.3 热需求分析
热负荷主要包括副平硐井筒防冻负荷及联建楼供暖负荷。查阅榆林市的气象数据，该矿区的室外设计参数见表2。
表2 榆林市室外计算参数
2.3.1 井筒保温防冻负荷
该矿副平硐进风量为6 200 m3/min，采暖季副平硐井筒防冻加热所需热负荷按下式计算
Q=KCp(Th-Tw)ρL
(1)
式中，Q为井筒防冻加热热负荷，kW；
K为富裕系数，取1.1；
Cp为空气定压比热容，kJ/(kg·K)，取1.01 kJ/(kg·K)；
Th为冷、热空气混合后的温度，℃，按规范规定取2 ℃；
Tw为室外最低平均温度值，℃，取-25.8 ℃；
ρ为空气密度，kg/m3，取1.137 kg/m3；
L为矿井进风量，103.33 m3/s。
2.3.2 联建楼供暖负荷
根据矿方提供的数据，联建楼热负荷总计856.3 kW，考虑10%的富裕后，联建楼热负荷总计为941.9 kW。副平硐井筒防冻负荷及联建楼供暖负荷统计汇总见表3。
表3 热负荷统计
2.4 乏风供热能力分析
该矿提供矿井乏风的相关数据参数，乏风量为9 500 m3/min，乏风温度在12～14 ℃之间，相对湿度70%以上。取乏风温度12 ℃，相对湿度80%进行设计计算。
矿井乏风余热量计算
QY=(h1-h2)ρL
(2)
式中，QY为冬季矿井乏风可提取热量，kW；
h1为冬季矿井乏风比焓，kJ/kg，查表取32.12；
h2为矿井回风提取热量后比焓，kJ/kg，查表取12.51；
ρ为矿井回风平均空气密度，kg/m3，取1.2；
L为回风量，m3/s，取158.33。
由(2)式计算得：QY=3 725.8 kW。
低温热源提供的热量经热泵提升温度后，输出热量按下式计算
(3)
式中，QG为热源提供热量QY情况下热泵的供热能力，kW；
Q0为热源可提取的热量，kW；
COP为热泵制热机组能效比，一般取4～5。
设热泵机组COP取4.2，Q0=QY，则中可从矿井回风中提取的余热供热能力为QG=4 890.1 kW，根据余热量与供热负荷需求可知，矿井乏风余热回收完全可以满足矿井副平硐井筒防冻及联建楼取暖的热需求。
3.1 乏风取热室
单台取热装置的取热量为200 kW，数量20台，取热介质为乙二醇防冻液，溶液浓度为28%，流量为300 m3/h，乏风取热室设备及管道布置如图3所示。
图3 乏风取热室设备及管道布置
3.2 热泵机房
采用4台涡旋式水源热泵机组HE-1200B，单台制热量1 193 kW，制热耗电功率259.8 kW，工质为R410A。同时配置1台700 kW的电辅助设备能够在极端天气作为备用取暖系统，用于热源补充。热泵机房实景如图4所示。
图4 热泵机房实景
3.3 空气加热室
副平硐入口旁的空气加热室内设置空气加热机组，水源热泵机组制取的50 ℃热水通过循环泵输送到空气加热机组，再通过风机把热风吹进副平硐井口与室外新风混合后送入井筒内。使用计算程序可通过约束边界条件，输入已知参数求取未知量，从而对空气加热机组进行选型。通过设计计算，空气加热机组数量为6台，单台设备的技术参数见表4，空气加热机组内的单支热管技术参数见表5。
表4 空气加热机组热管参数
表5 单支热管参数
3.4 联建楼
由于原有供热管网及末端与本系统不配套，故需拆除原有散热器片，将末端设备更换为风机盘管。根据联建楼各房间使用功能、室内设计温度和建筑面积的不同，分别设置型号为TC200D/300D/400D的风机盘管。
该热泵系统自2020年11月初投入使用后，系统运行安全可靠、稳定高效、节能环保。2021年1月15日至17日进入现场进行测试。图5为府谷县2021年1月份室外气温。15日至17日，该地气温均低于0 ℃。图6为取热室实测温度，前室乏风平均温度为13.5 ℃，相对湿度77%，换热后排出的乏风平均温度为10.2 ℃，相对湿度88.6%，最大换热温差为3.6 ℃，平均换热温差为3.3 ℃。图7为热泵机组温度参数，热泵机组蒸发器进口母管乙二醇溶液平均温度为6.2 ℃，出口平均温度为2.9 ℃，乙二醇溶液进出热泵机组平均温差为3.3 ℃；
供向末端用户侧的热水平均供水温度为50.3 ℃，平均回水温度为46.1 ℃，平均供回水温差为4.2 ℃，供热能力稳定。图8为副平硐井筒进风温度与室外温度变化曲线，在副平硐井筒内30 m处设置测点1，50 m处设置测点2，井筒进风温度最低值出现在17日12时，测点1为2.1 ℃，测点2为2.3 ℃。在室外温度为-15 ℃时，无需开启辅助加热设备，井筒进风温度均满足《煤矿安全规程》要求，系统运行可靠，满足项目设计要求。
图5 府谷县2021年1月份室外气温
图6 乏风取热室实测温度
图7 热泵机组温度参数
图8 副平硐井筒进风温度与室外温度
16日10时至17日14时，使用Testo 174H型温湿度仪记录该矿区联建楼内某办公室的室内温度，16日室外气温为-14～-4 ℃，西北风三级，17日室外气温为-13～-3 ℃，西北风三级，室内温湿度数据如图9所示，末端设备采用风机盘管进行送风制热，室内温度基本保持在20～22 ℃之间，热舒适性良好，该套系统效果满足规范要求。
图9 联建楼某办公室室内温湿度
5.1 经济效益
采暖季联建楼供暖、副平硐井筒防冻按148 d计，热泵系统开启时间按24 h，在采暖期内本系统耗电量及运行费用如图10所示。该系统投入运行后第1个采暖季，共消耗电量202.3万kWh，电费单价按0.43元/kWh，则总电费为86.98万元，人工费按180元/人·d，人数按3人计算，则采暖季该系统运行费用为98.38万元，远远低于燃煤锅炉房的运行费用。
图10 矿井乏风余热利用项目运行费用
5.2 社会效益
热泵系统耗电量202.3万kWh，按照原煤平均低位发热量为20 908 kJ(5 000 kJ)/kg，折标准煤系数0.714 3 kg标准煤/kg计算，折合标煤305.5 t。采用燃煤锅炉供热，热效率按65%计算，采暖季消耗标煤约为1 701.5 t，该系统可减少标煤1 396 t，节能减排率为82%，污染物减排量见表6。
表6 污染物减排量
从表6可得出，该矿井回风余热回收系统投入使用一个采暖季后，可以减排各类污染物共计约0.39万t，环境效益良好。
通过介绍间壁式取热热泵系统在某煤矿的工程应用实例，从系统原理分析，工程项目介绍，方案设计选型，运行情况分析，以及运行费用同燃煤锅炉对比分析，发现该系统具有安全高效，环保节能的优越性。该煤矿利用间壁式取热热泵系统代替传统的燃煤锅炉系统，实现联建楼供暖及副平硐井筒防冻。该系统采暖季运行费用为98.38万元，节约标煤1 396 t，减排各类污染物0.39万t，该矿企响应国家节能减排、发展环境友好型经济政策，践行了绿色低碳的矿企发展理念，为该系统在其他煤矿的推广提供一定的参考。
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