第２１卷第３期２０２１年３月R E F R I G E R A T I O N A N D A I R ＧC O N D I T I O N I N G ６４Ｇ６７收稿日期:２０２０Ｇ１１Ｇ２６,修回日期:２０２１Ｇ０１Ｇ１２作者简介:殷喜德,硕士,主要研究方向为冷热系统技术研究与应用.空气源热泵在煤矿井口防冻供热系统中的应用殷喜德㊀李爽(松下冷机系统(大连)有限公司)摘㊀要㊀井口防冻是北方煤矿行业冬季安全生产的一个重要保证.本文以山西某煤矿空气源热泵供热改造项目为例,根据不同井口类型的供热需求,设计并分析２种不同形式的空气源热泵井口防冻供热系统,并与其他供热方式进行经济性对比.结果表明:与燃煤锅炉供热方式相比,采用空气源热泵年可节省运行费用约７％,投资回收期约为５．８５年,在环保性㊁节能性㊁投资回收期等方面均具有一定的优势,是煤矿清洁能源供热方式的较好选择.关键词㊀供热系统;空气源热泵;煤矿;井口防冻A p p l i c a t i o no f a i r s o u r c e h e a t p u m p t ow e l l h e a da n t i f r e e z i n g h e a t i n g s ys t e mo f c o a lm i n e Y i nX i d e ㊀L i S h u a n g(P a n a s o n i cA p p l i a n c e sC o m pr e s s o r (D a l i a n )C o ．,L t d ．)A B S T R A C T ㊀W e l l h e a d a n t i f r e e z i n g i s a n i m p o r t a n t g u a r a n t e e f o r t h e s a f e t ypr o d u c t i o no f n o r t h e r n c o a lm i n e i n d u s t r y i nw i n t e r ．T a k i n g t h e a i r s o u r c eh e a t p u m p h e a t i n g tr a n s f o r Ｇm a t i o n p r o j e c t o f a c o a lm i n e i nS h a n x i p r o v i n c e a s a ne x a m p l e ,a c c o r d i n g t o t h eh e a t i n g d e m a n d s o f d i f f e r e n tw e l l h e a dt y p e s ,t w of o r m so fw e l l h e a da n t i f r e e z i n g h e a t i n g s ys t e m u s i n g a i r s o u r c eh e a t p u m p a r ed e s i g n e da n da n a l y z e d ,a n da ne c o n o m i c c o m pa r i s o nw i t h o t h e r h e a t i n g m e t h o d s i sc o n d u c t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t c o m pa r e dw i t ht h ec o a l Ｇf i r e db o i l e r h e a t i n g m o d e ,t h e a i r s o u rc eh e a t p u m p c a n s a v e a b o u t ７％o f t h e a n n u a l o p e r a t i n gc o s t ,a nd t he p a y b a c k p e r i o d of i n v e s t m e n t i s a b o u t ５．８５y e a r s ．I t h a s c e r t a i n a d v a n t a ge s i n e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ,e n e r g y Ｇs a v i n g a n d p a y b a c k p e r i o d ,a n d i t sab e t t e r c h o i c ef o r c l e a ne n e rg yh e a ti n g mo d e i n c o a lm i n e s ．K E Y W O R D S ㊀h e a t i n g s y s t e m ;a i r s o u r c eh e a t p u m p ;c o a lm i n e ;w e l l h e a d a n t i f r e e z i n g㊀㊀«２０１９年煤炭行业发展年度报告»[１]显示,我国绝大部分煤矿位于西北㊁华北等严寒和寒冷地区.煤矿作业过程中要保持井内空气的流通,保证空气的新鲜度.当矿区室外空气温度低于０ħ时,寒冷空气进入井筒后,井筒壁上出现的淋水会结冰,进而使矿井通风的横断面积减小,造成矿井通风量的不足,使矿井通风循环回路不能正常运转,对井下人员及财产的安全造成极大威胁.因此,井口防冻是煤矿行业冬季安全生产的一个重要保证[２].根据２０１６版«煤矿安全规程»(国家安全生产监督管理总局令８７号)第一百三十七条 进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在２ħ以上 .G B５０２１５ ２０１５«煤炭工业矿井设计规范»[３]第１５．５．１条规定 供暖室外计算温度等于或低于－４ħ地区的进风立井㊁等于或低于－５ħ地区的进风斜井和等于或低于－６ħ地区的进风平硐,当有淋帮水㊁排水沟和排水管时,应设置空气加热设备.传统井口防冻的热源来源于燃煤锅炉的热量,燃煤加热制出高温蒸汽或者高温水,这些高温㊀第３期殷喜德等:空气源热泵在煤矿井口防冻供热系统中的应用 ６５㊀ ㊀蒸汽或者高温水再经过空气加热器(井口加热器)进行汽Ｇ水的换热,从而加热一部分室外空气至５０~６０ħ,加热后的热空气再与部分室外空气混合至２ħ用于井筒防冻.但存在 高能低用 的高品位能源浪费㊁燃煤过程中排放的S O２和N O x以及烟尘等有害气体对环境污染严重㊁人员管理维护成本高等问题.随着清洁取暖政策的实施,近两年煤矿项目纷纷开展燃煤锅炉替代行动[４Ｇ６].利用热泵技术替代燃煤锅炉供热,可以减少大气污染与雾霾的产生,减少二氧化碳排放量,同时具有节能效果明显㊁系统运行稳定㊁施工安装简便㊁自动化控制程度高等特点[４Ｇ５].笔者主要分析空气源热泵在煤矿井口供热系统中的应用,根据不同的井口结构形式和供热温度要求,同时考虑矿井全年的冷热综合需求,设计了２种形式的空气源热泵井口防冻供热系统.１㊀山西某煤矿项目空气源热泵井口防冻供热系统应用案例该项目位于山西省,原井口有平硐和斜井２种结构形式,原井口供热采用燃煤蒸汽锅炉和辅助电加热方式.根据当地政府的煤矿 清洁供热 改造要求采用空气源热泵进行井口防冻供热系统改造.１)项目地点气象参数冬季采暖室外计算温度为－８ħ,极端最低温度为－１８ħ,供暖期室外平均温度为－０．７ħ,日平均温度ɤ５ħ的天数为１１４天,平均日运行时间为１２h,平均负荷系数为０．５.２)井口供热负荷计算根据G B/T５０４６６ ２０１８«煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准»及２０１６版«煤矿安全规程»的规定,采用如下公式计算进风井口冬季防冻供热负荷:Q＝αρV c p(t h－t w)(１)式中:Q为进风井口冬季防冻供热负荷(k W);α为热负荷损失系数,井口房不密闭时,取值为１．０５~１．１０;V为进风井口进风量(m３/s);c p为进风井口设计温度下的空气比热容,取１．０１k J/(k g ħ);ρ为进风井口设计温度下的空气密度,取１．２８４k g/ m３;t h为冷热风混合后空气温度(ħ);t w为室外冷风进风温度(ħ),立井与斜井取极端最低温度,平硐取极端最低温度和采暖室外计算温度的平均值.１ １㊀空气源热泵供热设计方案该项目其中一个送风井为平硐,设计送风量为１５７８０m３/m i n,室外冷风进风温度t w为－１３ħ,冷热风混合后空气温度t h为２ħ,进风井口防冻热负荷为５６２８k W.经过对本项目现场勘查,原供热系统采用电加热热风机组,能耗大,由于现场无设备机房,本次改造最终确定采用空气源热泵作为热源.该供热系统流程如图１所示,由多个供热模块并联组成,每个供热模块由空气源热泵㊁热风换热器㊁送风机㊁送风防火阀㊁电动风量调节阀㊁止回阀㊁送风风道组合而成.１．空气源热泵;２．热风换热器;３．送风机;４．送风防火阀;５．电动风量调节阀;６．止回阀;７．送风风道;８．井口送风风道图１㊀某煤矿井口防冻供热系统流程示意图㊀㊀该系统中热泵采用专为严寒地区开发的低温型空气源热泵,采用补气增焓型涡旋式压缩机,可应用于室外环境温度－２６ħ以上,制热温度可达５５ħ.每个供热模块由７台制热量为６８．６k W的空气源热泵并联组成,在设计条件下每个供热模块总制热量为４８０．２k W.该项目共设计１３个供热模块,总制热量为６２４２．６k W.与常规热泵水系统相比,该井口防冻系统采用的是制冷剂与空气的一次换热系统,减少了水系统的二次换热及管路热损失,加热效率更高.减少水泵㊁水管路等,系统更加简单.每个供热模块设置独立的井口专用防爆送风机,每个送风机设计风量为５９２００m２/h,全压㊀ ６６㊀第２１卷㊀８８６P a.根据送风设定温度设定电动风阀开度,自动调节新风和热风的混合比例,每个送风支路设置止回阀,防止气流逆循环.为了防止热泵融霜时形成 冷岛 效应,造成气流短路,对气流组织进行C F D模拟,将热泵安装在钢结构支架上,支架高度根据当地风向㊁风速以及热泵台数综合确定.既保证了空气循环量,又使空气从下方吸入中部机组,解决高负压问题.该系统设计P L C控制系统以及I O T远程监控系统,可实现每个供热模块以及多个模块之间的多级能量调节,根据不同室外温度调节送风温度和送风量,以确保系统供热量与需求负荷匹配.同时该系统可通过P L C与主控制器中心进行远程通信及监控,实现远程诊断及实时预警,可以在P C端㊁手机A P P端远程监控,实现无人值守.项目施工安装情况如图２所示.图２㊀某煤矿井口防冻供热项目１ ２㊀空气源热泵＋组合式空调箱设计方案本项目中另一个送风井为斜井,主斜井和副斜井设计风量分别为２２８０m３/m i n和４０００m３/m i n,室外进风温度t w为－１８ħ,冷热风混合后空气温度t h为２ħ,主斜井和副斜井的井口防冻热负荷分别为１０８４k W和１９０２k W.该井口防冻供热系统流程如图３所示,由空气源热泵㊁组合式空调箱㊁电辅热㊁电子除垢仪㊁蓄热缓冲水箱㊁水泵㊁定压补１．空气源热泵;２．电辅热;３．组合式空调箱;４．电子除垢仪;５．缓冲蓄热水箱;６．定压补水装置;７．软化水箱;８．全自动软水器图３㊀空气源热泵＋组合式空调箱井口防冻供热系统流程示意图补水装置㊁软化水箱㊁全自动软水器㊁水系统管路等组成.该供热系统采用的是制冷剂Ｇ水Ｇ风的二次换热,因此要求空气源热泵制取热水温度为６０~７０ħ,在室外环境温度－１８ħ工况下,常规的涡旋式空气源热泵制取热水温度最高为５５ħ,无法满足要求.设计方案如下:１)采用３台双级压缩螺杆式热泵,R１３４a制冷剂,设计条件下单台制热量为１０８５k W,总制热量为３２５５k W,制取热水最高温度为８０ħ,可将－１８ħ的冷空气加热至２８~３０ħ,与新风混合后温度为５~１０ħ,满足井口防冻送风温度设计要求(ȡ２ħ).２)采用煤矿专用组合式空调机组,总制热量㊀第３期殷喜德等:空气源热泵在煤矿井口防冻供热系统中的应用 ６７㊀ ㊀４２００k W,总风量２０００００m２/h.采用防爆电机,换热器采用高效不锈钢换热管和防腐铝翅片,大翅片间距设计,采用自动防冻措施,防止盘管内水温过低盘管冻裂.３)在系统中安装一个缓冲蓄热水箱,一方面减小空气源热泵融霜时系统内水温波动,另一方面可以在夜间进行谷电蓄热,节省运行费用.４)该系统可满足多项使用需求,在供暖季,主要满足井口送风新风加热,同时满足办公室供热需求.在非供暖季,可以替代燃气锅炉,为员工提供生活热水.２㊀空气源热泵井口防冻供热系统与传统供热方式对比分析空气源热泵供热方式与几种传统井口防冻供热方式对比分析结果如表１~表３所示.表１㊀不同井口防冻供热方式的环保和安全性对比项目燃气锅炉燃煤锅炉电加热空气源热泵环保性相对于燃煤锅炉,有效降低了有害气体的排放排放S O２,N O x以及烟尘等有害气体,环境污染严重无燃烧,环保性更好清洁能源安全性有泄漏风险,燃气有断供风险,运行不稳定容易引起火灾和人员窒息风险有漏电风险安全性好㊁运行稳定表２㊀不同井口防冻供热方式的运行费用对比项目燃气锅炉燃煤锅炉电加热空气源热泵总热量需求/k c a l３．３１ˑ１０９３．３１ˑ１０９３．３１ˑ１０９３．３１ˑ１０９能源热值８０００k c a l/m３５０００k c a l/k g８６０k c a l/(k W h)８６０k c a l/(k W h)年平均热效率０．８０．８０．９５２．５折算能源热值６４００k c a l/m３４０００k c a l/k g８１７k c a l/(k W h)２１５０k c a l/(k W h)能源消耗量５１７２８９．３０m３８２７６６２．８８k g４０５２２０５．０２k W h１５３９８３７．９１k W h 价格(以项目当地价格测算)３．０元/米３１．０元/千克０．５元/千瓦时０．５元/千瓦时总费用/(万元/年)１５５．２８２．８２０２．６７７．０表３㊀不同防冻井口供热方式的初投资和维护成本对比供热方式设备初投资与环保检测等费用/万元维护人员㊁设备保养㊁检测等成本/(万元/年)燃气锅炉１４０４０燃煤锅炉２００６０电加热１２０６空气源热泵５５０６㊀㊀通过上述对比分析,可以发现,空气源热泵在环保性和安全性方面最有优势.从运行费用方面对比分析,空气源热泵与电加热方式相比可节省约６２％,与燃气锅炉相比可节省约５０．３％,与燃煤锅炉相比可节省约７％.综合考虑初投资以及年运行费用㊁人员等费用,采用空气源热泵替代电加热方式,投资回收期为３．４２年,替代燃气锅炉方式,投资回收期为３．６５年,替代燃煤锅炉方式,投资回收期为５．８５年.３㊀结论笔者以山西某煤矿井口防冻供热改造项目中的平峒和斜井２种井口类型的供热需求为例,设计并分析２种不同形式的空气源热泵井口防冻供热系统,得出如下结论:１)对于平硐井口,宜采用涡旋式空气源热泵热风机组(制热温度５５ħ);对于斜井井口,宜采用双级压缩螺杆式空气源热泵机组(制热温度达８０ħ).２)空气源热泵应用于煤矿井口防冻供热系统,可以提供５５~８０ħ的热源,将室外冷风加热,与新风混合后送风温度为５~１０ħ,供热效果良好,运行稳定,满足设计要求.３)空气源热泵机组模块化设计,布置灵活,占地面积小,可缩短供热管网长度和减少热损失,实现分区供热.４)采用空气源热泵相比燃煤锅炉供热方式,每年可节省运行费用约７％,投资回收期约为５．８５年,具有一定的环保性和节能性,是煤矿清洁能源供热方式的较好选择.参考文献[１]㊀中国煤炭工业协会．２０１９煤炭行业发展年度报告[R]．２０２０Ｇ０５Ｇ１４．[２]㊀苗耀龙．寒冷地区基建矿井井筒结冰的危害及预防措施[J]．现代矿业,２０１６(５):２３４Ｇ２３５．[３]㊀煤炭工业矿井设计规范:G B５０２１５ ２０１５[S]．[４]㊀展海风,李云．水源热泵在煤矿行业的应用[J]．区域供暖,２０１０(５):２２Ｇ２５．[５]㊀王伟．低温热源热泵系统在煤矿采暖中的应用[J]．环境与生活,２０１４(６):４７Ｇ４８．[６]㊀煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准:G B/T ５０４６６ ２０１８[S]．。
