邢臺(tái)煤礦礦井水源熱泵系統(tǒng)可行性分析.doc

邢臺(tái)煤礦礦井水余熱回收系統(tǒng)可行性分析王景剛 高曉霞 杜梅霞 趙進(jìn)河北工程大學(xué) 邯鄲 河北摘要：在煤礦生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生大量的礦井涌水，這些含有豐富的低品位能的水往往被當(dāng)成廢水排放掉。本文將重點(diǎn)介紹礦井水源熱泵系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以最大限度的回收利用礦井水中的余熱。并以邢臺(tái)煤礦某辦公樓為例，進(jìn)行礦井水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)效益和能源環(huán)境效益分析。結(jié)果表明：礦井水源熱泵供熱制冷效果良好，具有顯著地經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，在礦井水資源豐富的華北南部地區(qū)，邢臺(tái)、邯鄲等地，值得廣泛推廣使用。關(guān)鍵詞：礦井涌水，余熱回收，礦井水源熱泵，經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，節(jié)能減排前言目前熱泵已被世界公認(rèn)為是一種有利于環(huán)境保護(hù)的高效節(jié)能裝置。其中水源熱泵是熱泵的主要分類之一。在世界范圍內(nèi)，水源熱泵的機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是，由于對(duì)水質(zhì)、水量的特殊要求以及在地下水回灌方面的諸多要求，使得以水作為冷熱源的水源熱泵的大范圍推廣遇到了一定的困難。但是，在諸多礦區(qū)，存在著大量的被當(dāng)作廢水處理掉的礦井涌水。在此情況下，一種將水源熱泵系統(tǒng)與礦井涌水完美結(jié)合的新型節(jié)能系統(tǒng)礦井水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。1. 礦井水使用現(xiàn)狀我國礦產(chǎn)資源豐富，礦山企業(yè)較多。在礦山的生產(chǎn)過程中，為了采掘作業(yè)的順利進(jìn)行，不可避免的要進(jìn)行多項(xiàng)安全保衛(wèi)措施，其中排除與隔絕地下水就是必須采取的措施之一。礦山井下排水量非常大，水溫恒定，蘊(yùn)含的豐富低品位能量，是一種穩(wěn)定的，利用價(jià)值很高的熱源。但多數(shù)礦井都忽視礦井水的利用價(jià)值, 利用率僅為10%2，除洗煤廠及電廠使用外，大部分被排放掉，其中的熱能往往隨礦井水的排放而流失,造成熱源的浪費(fèi)。隨著礦業(yè)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生越來越多的礦井水。為了充分利用寶貴的礦井水資源，為企業(yè)職工創(chuàng)造良好的生活和生產(chǎn)效益，可通過水源熱泵技術(shù)充分提取其中的低品位能量，轉(zhuǎn)化為可利用的高品位能量，為礦山挖潛節(jié)能改造闖出一條新路，同時(shí)可節(jié)約大量的資金，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2. 礦井水源熱泵原理及技術(shù)路線簡介2.1 礦井用水使用工藝流程采礦時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的井下水，這些水在井下收集、處理后，進(jìn)入井下中央水倉。然后通過井下中央水泵排到地面。到地面后，礦井水一般分為三路。一路輸送至洗煤廠和電廠，一路經(jīng)地面高位水池重新輸入井下使用，一路輸送至排水溝排走。由于礦井用水水體一般很大，完全可作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源。礦井水經(jīng)過熱泵系統(tǒng)后，只是進(jìn)行冷熱量交換，溫度稍有變化而已，水質(zhì)和水量并無變化。因此可先將礦井水送往熱泵系統(tǒng)使用，再將熱泵系統(tǒng)的排水供洗煤廠，電廠使用或者外排2。礦井水的使用工藝流程見圖1?！盁岜谩笨蓪⒌臀粺崮堋氨盟汀保ń粨Q傳遞）到高位熱能提供利用。礦井水源熱泵是指以礦井涌水作為熱源或熱匯的熱泵系統(tǒng)。夏季工況下，礦井水與熱泵系統(tǒng)冷凝器相連，則礦井水系統(tǒng)作為熱泵的冷卻水系統(tǒng)，吸收工質(zhì)放熱，通過熱量交換實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器制冷，蒸發(fā)器制得的冷凍水送往空調(diào)用戶，供末端使用；冬季工況下，礦井水與熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器相連，則礦井水系統(tǒng)作為熱泵的冷凍水系統(tǒng)，工質(zhì)吸收礦井水熱量，通過熱量交換實(shí)現(xiàn)冷凝器制熱，冷凝器制得冷卻水送往需要供熱的用戶，用于冬季末端供熱。礦井水源熱泵系統(tǒng)原理圖見圖2.3. 邢臺(tái)礦區(qū)礦井水可用性分析3.1 礦井水源熱泵對(duì)水源系統(tǒng)的要求礦井水的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響礦井水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素。應(yīng)用水源熱泵時(shí)，對(duì)水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。具體說，水源的水量，應(yīng)當(dāng)充足夠用，能滿足用戶制熱負(fù)荷或制冷負(fù)荷的需要。如水量不足，機(jī)組的制熱量和制冷量將隨之減少，達(dá)不到用戶要求。水源的水溫應(yīng)適度，必須維持在 1535 之間。因?yàn)楫?dāng)水溫低于15 供熱運(yùn)行或當(dāng)水溫高于 35 供冷運(yùn)行都將使水源熱泵的初投資運(yùn)行費(fèi)用大大升高 ,很難達(dá)到節(jié)能的目的1。水源的水質(zhì)，應(yīng)適宜于系統(tǒng)機(jī)組、管道和閥門的材質(zhì)，不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕損壞。水源系統(tǒng)供水保證率要高，供水功能具有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)長期和穩(wěn)定運(yùn)行。3.2 邢臺(tái)煤礦礦井涌水分析邢臺(tái)煤礦主井深484米，每天涌水量大概為7500m3,水溫常年保持在19左右，適合推廣使用礦井水源熱泵系統(tǒng)。4. 工程實(shí)例介紹4.1 工程概況該礦區(qū)內(nèi)存在一建筑面積大約為20103的辦公樓，需冬季供熱，夏季制冷。冷熱負(fù)荷分別為1724kW和1014kW。4.2 技術(shù)分析為了顯示礦井水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)越性，我們將其與傳統(tǒng)解決方案進(jìn)行對(duì)比分析。由此，我們提出兩個(gè)方案：方案一：鍋爐房+冷水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管；方案二：水源熱泵系統(tǒng)+風(fēng)機(jī)盤管。通過兩個(gè)方案的對(duì)比分析，可以看出礦井水源熱泵在節(jié)省投資，節(jié)能減排方面的突出優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閮煞N方案的末端設(shè)備一樣，所以僅考慮機(jī)房設(shè)備投資。在比較之前，根據(jù)實(shí)際情況，做如下考慮：l 夏季空調(diào)運(yùn)行按90天機(jī)算，冬季空調(diào)運(yùn)行按120天機(jī)算。每天白天運(yùn)行 l 8小時(shí)，夜間值班室考慮其他方式制冷取暖。l 該地區(qū)不實(shí)行分時(shí)電價(jià)l 當(dāng)?shù)刈詠硭畠r(jià)格為0.65元/t,電價(jià)為0.6元/kWh，燃煤價(jià)格按580元/t計(jì)算。l 年負(fù)荷率按0.7計(jì)算。4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析4.3.1 設(shè)備選型及初投資比較首先根據(jù)冷熱負(fù)荷的大小選擇設(shè)備，因末端設(shè)備一樣，都為風(fēng)機(jī)盤管，所以不考慮末端設(shè)備型號(hào)及價(jià)格。設(shè)備選型及投資見下表：表1 方案1的初投資費(fèi)用表序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量總配電量（kW）總價(jià)（萬元）1制冷機(jī)房及鍋爐房402鍋爐及輔機(jī)Z1.4-1.25/95/70-A130153熱水泵ISZ-160-130-3002用1備223.24螺桿冷水機(jī)組(W-)LSLGF10005001375冷卻水泵ISZ-125-100-200A2用1備743.66冷凍水泵ISZ-125-80-200A2用1備604.27冷凍水補(bǔ)水泵ISZ-50-35-250B1用1備7.52.08冷卻塔250322.5139電子除垢儀DN2502.710配電設(shè)備費(fèi)25.411總計(jì)634246.1表2 方案2的初投資費(fèi)用表序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量配電量（kW）總價(jià)（萬元）熱泵機(jī)房20熱泵機(jī)組AWWSH2700/2362174冷凍水泵ISZ-125-80-2002用1備743.6冷卻水泵ISZ-125-100-200A2用1備744.25補(bǔ)水泵ISZ-50-35-250B1用1備7.52.06配電設(shè)備27.77電子除垢儀DN2502.7總計(jì)517.5234.2在表1和表2中，我們選擇的設(shè)備都是根據(jù)相關(guān)公司的產(chǎn)品報(bào)價(jià)。從上述兩表我們可以看出，方案一，即制冷機(jī)組+鍋爐房的土建工程不僅包括制冷機(jī)房，還包括鍋爐房，相比之下，方案二，即水源熱泵系統(tǒng)的土建只包括熱泵機(jī)房，僅土建工程就節(jié)約了20萬左右。同時(shí)，由于礦井水源熱泵的使用，使制冷機(jī)組不可或缺的冷卻塔也可以省去，單項(xiàng)節(jié)省13萬元。但是水源熱泵機(jī)組價(jià)格比冷水機(jī)組較高。最后，計(jì)算兩種方案的初投資，可以看出，方案二礦井水源熱泵系統(tǒng)的初投資比方案一制冷機(jī)組+鍋爐房設(shè)備節(jié)省大約12萬元。4.3.2 年運(yùn)行費(fèi)用比較運(yùn)行費(fèi)用的比較主要從年耗電量，耗煤量和人工費(fèi)三方面進(jìn)行討論。夏季空調(diào)按90天，冬季供暖120天計(jì)算。每天運(yùn)行8小時(shí)，年平均負(fù)荷按設(shè)計(jì)負(fù)荷的70%3計(jì)算。（1）方案一年度耗電量為其中：年度耗電量夏季耗電量冬季耗電量夏季設(shè)備總用電功率冬季設(shè)備總用電功率一天用電時(shí)數(shù)，取8用電天數(shù)，夏季取80，冬季取120年平均負(fù)荷率，70%計(jì)算得，系統(tǒng)年耗電量=371616 kWh冷卻塔運(yùn)行時(shí)，由于蒸發(fā)造成水量損失，需定時(shí)補(bǔ)水。取冷卻塔補(bǔ)水量為2%，年度耗水量為：其中系統(tǒng)冷卻水量系統(tǒng)補(bǔ)水率，取2%計(jì)算可得，系統(tǒng)年度耗水量= 6494 t 在采暖季節(jié)，鍋爐每天運(yùn)行8小時(shí)，鍋爐耗煤量為0.4t/h。年度耗煤量為：其中鍋爐小時(shí)耗煤量計(jì)算可得，系統(tǒng)年耗煤量=269t空調(diào)機(jī)房需安排4名工人進(jìn)行管理維護(hù)，鍋爐房需安排5名工人。根據(jù)當(dāng)?shù)毓べY標(biāo)準(zhǔn)，按每人每月800元計(jì)算，則年工資發(fā)放額為86400元?jiǎng)t全年運(yùn)行費(fèi)用為：其中、分別為電價(jià)，煤價(jià)和水價(jià)計(jì)算可得，方案一的年運(yùn)行費(fèi)用為46.96萬元。（2）方案二根據(jù)熱泵機(jī)組廠家提供數(shù)據(jù)，制冷時(shí)，電機(jī)輸入功率分別為181kW；供暖時(shí)，電機(jī)功率分別為287 kW，年耗電量計(jì)算可得，年耗電量為466956 kWh。因現(xiàn)在只有一個(gè)熱泵機(jī)房，只需四人進(jìn)行維護(hù)管理即可，因此，年工人工資為38400 元?jiǎng)t全年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算可得，方案二的年運(yùn)行費(fèi)用為31.86萬元。4.3.3 回收期計(jì)算方案一和方案二的綜合經(jīng)濟(jì)比較見下表：表3 各方案投資回收比較表方案名稱投資額（萬元）投資節(jié)省費(fèi)用（萬元）年運(yùn)行費(fèi)用（萬元）年節(jié)省費(fèi)用(萬元)系統(tǒng)回收年限(年)方案一246.111.946.965.12.33方案二234.231.86由計(jì)算可知，采用礦井水源熱泵解決礦區(qū)內(nèi)某建筑物采暖制冷，2其系統(tǒng)回收年限僅為2.33年，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。4.4 能源環(huán)境效益分析節(jié)能減排是各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可回避的問題，如何降低能源消耗，減少污染物的排放已經(jīng)成為政府和社會(huì)各界人士普遍關(guān)注的問題。礦井水源熱泵的使用，最大限度的利用了礦井涌水中的低品位能，節(jié)省了一次能源的消耗，減少了污染物的排放，具有顯著的能源環(huán)境效益。通過方案一和方案二的對(duì)比分析，我們可以看出礦井水源熱泵在節(jié)能減排方面的突出貢獻(xiàn)。我們知道，燃燒一噸煤，大概會(huì)產(chǎn)生CO2 2620公斤, SO2 8.5公斤, NO/NO27.4公斤，爐渣2.5噸4。同時(shí)，產(chǎn)生的污染物不僅需要交納排污費(fèi)，還污染了環(huán)境。其中SO2，NO/NO2 需繳納排污費(fèi)，表4是對(duì)污染物排污費(fèi)的簡單估算。表4 排污費(fèi)計(jì)算省煤量269污染物名稱SO2NO/NO2單位產(chǎn)污量（kg）8.57.4總產(chǎn)污量（kg）22861990污染當(dāng)量值(kg)0.950.95污染當(dāng)量數(shù)24062095排污費(fèi)單價(jià)（元）0.60.6排污費(fèi)14441257其中 污染當(dāng)量數(shù)=總產(chǎn)污量/污染當(dāng)量值 排污費(fèi)=污染當(dāng)量數(shù)排污費(fèi)單價(jià)同時(shí)，一噸CO2的減排成本大概是60120元5，因此，礦井水源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省減排成本6萬元。綜上，使用礦井水源熱泵每年可節(jié)省6.5萬元左右的減排效益。4.5 綜合分析通過上述分析，可以看出，礦井水源熱泵系統(tǒng)在初投資，年運(yùn)行費(fèi)用以及節(jié)能減排方面比傳統(tǒng)供熱制冷方案具有明顯的優(yōu)越性。此系統(tǒng)不僅節(jié)能環(huán)保且運(yùn)行維護(hù)簡單、方便。具體對(duì)比分析見表5.表5 方案一、二綜合比較分析方案名稱初投資（萬元）年運(yùn)行費(fèi)用（萬元）減排成本（萬元）鍋爐+冷水機(jī)組246.146.96礦井水源熱泵系統(tǒng)234.231.86節(jié)?。ㄈf元）11.915.16.55. 結(jié)論及展望礦井水源熱泵系統(tǒng)將礦井涌水與水源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，最大限度的開發(fā)利用了礦井涌水中的低品位能，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，相信將來也一定能有其廣泛的發(fā)展空間。通過總結(jié)分析，礦井水源熱泵系統(tǒng)還可以在以下幾個(gè)方面推廣應(yīng)用：l 冬季替代鍋爐房設(shè)備為建筑物供熱，同時(shí)提供熱水，實(shí)現(xiàn)礦井井口制熱，防止井口結(jié)冰。l 夏季替代制冷設(shè)備為空調(diào)末端供冷，實(shí)現(xiàn)建筑制冷降溫。l 礦井水源熱泵夏季作為冷卻水系統(tǒng)，可經(jīng)過板式換熱器制備生活用水，如洗澡水。l 對(duì)入井風(fēng)流實(shí)現(xiàn)一次升溫或降溫，改善井下工作條件?？梢钥闯觯诮鉀Q了主要的技術(shù)問題之后，礦井水源熱泵系統(tǒng)是一種高效節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展的綠色能源技術(shù)，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，相信將來也一定能有其廣闊的發(fā)展空間。參考文獻(xiàn)：1 陽季春. 水源熱泵在住宅空調(diào)中應(yīng)用的節(jié)能分析J, 煤炭技術(shù), 2003（4）pp83-84.2 李萌, 劉傳聚, 陳勁暉. 利用煤礦礦井水的水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析J, 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2004（6）pp48-50.3 李萌, 劉傳聚. 礦井水冷卻的空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析J, 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2004（3）pp117-119.4 范同軍, 于衛(wèi)平, 王青平, 張榮貴. 水源熱泵技術(shù)在山東協(xié)莊煤礦中的應(yīng)用J, 暖通空調(diào) HV&AC, 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