地源热泵在特殊领域的应用初探(专题)
专题一：地源热泵在煤矿矿井领域的应用初探
一、煤矿地源热泵的应用背景
煤炭在世界一次能源消费中所占比重为26.5%，在我国能源消费中的比重为70%左右。据已查明储量和分布，我国含煤面积约55万平方米，除上海外，各省和自治区均有煤炭资源分布，北部占探明储量的86%，南部占探明储量的14%，储量超过了5000亿吨的省/自治区有，新疆、内蒙、山西，储量超过1000亿吨的省油陕西、宁夏、甘肃、贵州、河北、山东、安徽等北方或西南省份。
目前煤炭开采基本为两种方式：露天开采（占比7%-8%）和地下开采（即矿井开采，占比92%-93%），其中绝大多数均为矿井开采。对于大型煤田，因面积大，储量多，小的可以由一个矿区开发，大的可以由几个矿区开发，有时，一个矿区还可以开发多个煤田。因煤矿一般均在离居住区较远甚至荒郊野外，因此给煤矿矿区工人的居住洗浴用热水乃至冬季采暖和夏季制冷带来一定的困难。因此利用煤矿矿井回收地热能是一个可行的办法。
地下煤矿矿井因采煤的需要需深入地下，同时需要为采煤工人时时补充新鲜空气，而地下温度普遍比地面温度高（约每开采深度提高100M，地下温度升高3度），而且深井里会伴有地下渗水需排出，这就给空气源热泵和水源热泵的运用创造了客观条件，限于本网要求，本文仅以水源热泵系统的运用为例并加以介绍。
水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术，水源热泵一词为我国特有名词，在国外统称为地源热泵，为了阐述方便，本文统一用地源热泵一词。地源热泵包括地下水热泵、地表水（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵等。
地源热泵系统能否正常运行的关键在于是否有稳定的热源，而地下煤矿井内的水常年保持了一定的温度，因此利用煤矿井内排出的废水作为水源热泵系统的热源或热汇便成为可能。因废水中含杂质较多，采用地源热泵或污水源热泵时需要做相应的处理。
二、地源热泵的原理和优点
地源热泵是一种通过利用浅层地热能（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量），既可供热又可制冷还可同时提供生活热水的高效节能系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能向高品位热能转移。一般在空调系统中，地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。
地源热泵机组与风冷热泵机及锅炉采暖相比，有以下优势：
（1）水源为深井水，水体温度较恒定，几乎不受环境温度的变化，机组运行更可靠、稳定，保证了系统高效性和经济性，且无须专人维护或操作，运行维护费用极少。
（2）室外机组无须专用除霜设备，设备简单。不需要锅炉，没有废气，废渣，废水排出。
（3）由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。而锅炉制热系数仅为0.7-0. 9，与锅炉相比可节省70%以上的能源和40%—60%运行费用。
（4）属可再生能源利用技术,地源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
（5）高效节能,地源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18-35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。
（6）运行稳定可靠,水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
（7）环境效益显著,地源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与锅炉供暖相比，相当于减少70％以上。地源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
（8）一机多用，应用范围广,地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。地源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
（9）自动运行,地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。
通过以上优点可以看出，地源热泵技术是一项绿色环保、高效节能的实用新技术。
三、在煤矿矿井中的地源热泵系统流程
与常规地下水水源热泵流程（图1）相似，煤矿矿井地源热泵系统也是通过水泵抽取水源进入热泵机组后，通过热泵机组对水体中的热量（或冷量）提取后送入末端（风机盘管或散热器等）后达到最终供暖或制冷的目的。下面以新汶矿业集团孙村煤矿和协庄煤矿地源热泵系统为例。
（例1）新汶矿业集团孙村煤矿地源热泵系统工艺流程
新汶矿业集团孙村煤矿地源热泵系统技术的主要工艺流程为：被热泵机组提取热量后的10℃左右的冷水，进入喷淋室换热器，与回风进行充分的热交换，温度上升为20℃左右，落入出风口下面的积水槽，自流进入出风口一侧的100 m3地下积水池，再利用潜水泵泵至机房，经简单水处理后进入热泵机组提取热量，提取热量后的水再经入喷淋换热器与回风进行热交换循环使用。下图为水源热泵机房系统图。
图1 常规地下水水源热泵流程
.jpg)
图2 新汶矿业集团孙村煤矿地源热泵系统流程图
（例2）山东省新汶矿业集团协庄煤矿地源热泵系统技术流程：
在山东省新汶矿业集团协庄煤矿地源热泵系统中，通过利用矿井排出的地下水作低温热源，采用水源热泵机组替代燃煤锅炉，新风空调机组和风机盘管替代散热器，维修更新原有锅炉供暖所铺设的蒸汽供热管路，组成水源热泵供热空调系统，对副立井口进行冬季供热通风，确保冬季井口进风温度不低于4.5℃。下图为该水源热泵机房的系统图。
.jpg)
图3新汶矿业集团协庄煤矿地源热泵供热机房系统示意图
四、投资及运行费用分析
根据计算，新建矿井若采用地源热泵系统为矿区工作人员供暖或制冷和提供生活热水，其初投资比常规设计锅炉房加中央空调系统少10%左右，年运行费用节省50%以上，以300万吨矿井为例，年节省运行费用约350万元。对于老矿井的改造，若按照改造每1瓦供热量投资2.5元计算，以改造一个年产量100万吨的矿井，供热面积3万平米，每天1000人洗澡，1500kW井筒保温，需要投资约1000万元，年节省运行费用250万元左右，约4年可以收回投资。
表1地源热泵中央空调与风冷热泵中央空调的初投资费用比较
注：本表地源热泵中央空调系统初投资中，未计土建打井费用。
.jpg)
表4 年运行费用比较
|
|
地源热泵中央空调 |
风冷热泵中央空调 |
||
|
序号 |
项目 |
运行费用/元 |
项目 |
运行费用/元 |
|
1 |
地源热泵机(12kW) |
11880 |
风冷热泵机(16.8kW) |
16632 |
|
合计 |
|
11880 |
|
16632 |
.jpg)
.jpg)
.jpg)
2） 所有设备按年运行180天，每天运行18小时，电费0.55元/（kWh）计算。
（案例1）、枣矿集团田陈煤矿富源热电公司利用处理后的矿井水和深井水交换使用，按一台空调一年节约300KWh计算，每年仅空调投入就可节约费用2万余元，取得了较好的经济效益和环保效益。
（案例2）、山东省新汶矿业集团协庄煤矿地源热泵系统中，在系统改造前，燃煤锅炉供热冬季运行费约183.6万元。系统改造后，水源热泵供热冬季运行费为96.49万元，比原系统每年节约运行费87.11万元。改造前，原燃煤锅炉系统每年能耗1279.71吨标煤，水源热泵系统每年能耗折合343.28吨标煤，比原系统节约能耗936.43吨标煤，降耗约73.17%。减少的污染物排放量折算为：二氧化碳2453.45吨，一氧化碳1.31吨，二氧化硫7.96吨，氮氧化物6.93吨，硫化氢0.47吨，粉尘10.3吨。该项目获得了“2006年山东省百项节能项目科技成果奖”。
（案例3）、江苏油田在进行产业结构调整过程中，从2004年起加大了地热水的开发利用力度，在改进现有工艺流程，大胆引进使用具有国际领先水平的热泵技术基础上，发挥油区内地热资源丰富的优势，利用报废油水井开采地热水，对居民生活区、办公场所等实施冬季供暖，将地热供暖区域由过去的8．6万平方米，增加至18万平方米。据对使用地热暖气的住户进行抽样调查的结果显示，居民住户室内平均温度在16~19摄氏度。油区居民使用地热水暖气3个多月，节约燃煤5400吨，增效超过300万元，产生了良好的经济效益和社会效益。对属于资源型企业的油田来说，其每口井的整改费用，仅为新钻探一口地热井的1／10。目前，地热能已在全世界110多个国家和地区得到开发利用，我国开发利用地热资源也呈急剧升温之势。
五、应用前景
据中国煤炭工业协会统计，2013年全国煤矿数量为1.2万处。其中，年产120万吨以上的大型煤矿850多处。若加上其他矿种开采的矿井数量及油田开发（关于油田领域热泵的应用请看本专题系列的《地源热泵在油田领域的应用》）等领域应用地源热泵系统，这一数量也将相当可观。
此外，在新建矿井时，若尽可能的采用地源热泵这一新型的供热制冷技术来取代传统的燃煤锅炉加中央空调供热制冷系统，不用增加投资即可以达到节能减排的效果。而若在废弃后的矿井或采油地区有居民居住社区的话，对其废弃矿井的再次利用，还可变废为宝，为周边居住社区可继续发挥余热和做出贡献。
（本文为地源热泵网编辑和整理，原文部分数据和图表来源于《地源热泵》杂志及网络，未经本网授权，请勿转载！）
责编:Lis
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直线电话：18515158288（同微信）
