本文摘要：摘要:为了解决矿井目前采用燃气锅炉供暖燃气费用高、氮氧化物超标以及燃气紧缺的问题，有效替代锅炉，充分实现节能减排，对一些具有丰富矿井水资源的矿井，在项目可行性论证的基础上，提出了采用热泵技术实现矿井水余热资源利用的解决方案。介绍了热泵工作原
摘要:为了解决矿井目前采用燃气锅炉供暖燃气费用高、氮氧化物超标以及燃气紧缺的问题，有效替代锅炉，充分实现节能减排，对一些具有丰富矿井水资源的矿井，在项目可行性论证的基础上，提出了采用热泵技术实现矿井水余热资源利用的解决方案。介绍了热泵工作原理和技术参数，对系统方案和设备组成、机组配置进行研究，然后对矿井水余热系统运行费用和采用燃气锅炉运行费用进行了分析对比。
研究得出，采用矿井水余热利用经济，比燃气锅炉每年节约费用269.41万元，2.6年即可收回成本，经济效益显著。在降低煤矿生产成本同时，减少了环境污染，满足矿井冬季供暖、夏季制冷以及日常洗浴用热水的需求，实现替代锅炉，具有一定的推广应用价值。
关键词:余热利用,节能减排,水源热泵,热水供暖
0引言
赵固一矿位于辉县市冀屯乡，生产能力核定为300万t/a。矿内主要建筑包括行政办公楼9000m2、区队办公楼3910m2、2号—4号宿舍楼20100m2、1号宿舍楼10105m2、洗煤厂办公楼500m2、联合建筑5000m2、机电楼1000m2、食堂1800m2等，建筑面积约为51000m2。矿井行政办公楼为中央空调系统，其余建筑为水暖型暖气片散热装置，项目实施前采用燃气锅炉供暖，主要存在如下问题:①矿井经营成本增加，正常供暖无法保证。
由于全国范围内燃煤锅炉的取缔，天然气需求量急剧增加[1]，导致天然气价格上涨，运行费用急剧增加，同时出现了气荒现象[2]，燃气锅炉无法正常运行，给矿井生产带来了隐患，职工正常供暖无法保障。②氮氧化物超标[3]。燃煤锅炉改燃气锅炉后，虽然大大降低了烟尘、二氧化硫排放量，但在用燃气锅炉氮氧化物排放值是高于国家规定的150mg/m3。
为进一步降低供暖运行费用，确保供暖效果，促进环保工作的顺利开展，减少矿井废气排放量，实现达标排放[4-5]，经过调研，目前国内很多矿井采用空压机余热利用[6]、主通风机排出的废气[7]、矿井水余热利用方式，但是空压机余热利用存在产生热水少，不能满足矿井需求的缺点，而主通风机废气投资成本高，在扩散塔上施工难度大[8]。
结合赵固一矿实际情况，矿井水资源丰富，且水温四季保持在18℃以上，计划应采用热泵技术实现矿井水余热综合利用技术，此技术在国内已日趋成熟[9]，冬季满足所有建筑物供暖，夏季需满足行政办公楼供冷，并且常年给澡堂提供300m3/d的洗浴热水，满足日常洗浴需要。
1项目可行性
赵固一矿矿井水涌水量正常为850m3/h，经过水处理设备后的水温在18℃以上，水源热泵系统的制热量按照将矿井水降低到8℃的热能计算[10]，水源热泵每天提取矿井水的热能可提供的制热量为237240kW。按照0.07kW/m2计算，矿井每天热负荷为85680kW;按300m3/d洗浴用水量计算，用热量为10467kW。则每天需要热量96147kW<237240kW。水源热泵的制热量可满足矿井冬季供暖及职工洗浴的热负荷需求，因此采用水源热泵提取矿井水的热能替代锅炉，实现矿区供暖及供热是可行的[11]。
2系统设计及原理
水源热泵系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用，运行灵活且无污染的新型中央空调系统[12]。通过输入少量的电能，在冬季把热量从矿井水中提取出来，提高温度后供给室内采暖;夏季，把室内的热量取出来，释放到低温地能中去[13]。目前常用有常温机组和高温机组[14]，项目制洗浴热水采用常温螺杆式热泵机组，供暖采用高温型螺杆式热泵机组，冬季制热出水可达55℃。(1)制冷剂采用R134a的高温环保型制冷剂。常温机组的制冷COP值≥6.5，制热COP值≥4.2;高温机组的制冷COP值≥5.4，制热COP值≥3.0。(2)配置1台全热回收型螺杆机组，满足夏季洗浴热水加热与行政办公楼制冷的联供方案，系统设计能效比达7(夏季时)。
配置3台高温螺杆机组，满足全矿供暖需求。常温机组出现故障时，可投入高温机组临时代替运行，乙方需做好管路切换。(3)螺杆式水源热泵机组共设计4台。单台设备压缩机配置需2台或以上，制冷回路数量与压缩机数量匹配，设备能量12.5%～100%无级调节。(4)系统方案。水源热泵系统的主要设备由板式换热器、水源热泵机组、系统循环水泵、自动化控制、风机盘管和管道阀门管件等组成[15]。
(5)水源热泵机组选型。根据冷热负荷参数，初步方案拟选用螺杆式水源热泵机组4台，其中1台常温地源热泵(冷水)机组(表1，MWH280型)，3台高温热泵机组。(6)系统运行。①冬季:3台高温机组工作，1台常温机组备用。其中2台用于供暖，1台用于提供生活热水。②夏季:1台常温机组空调供冷，1台高温机组提供洗浴热水[16]。③春、秋季节:1台机组提供洗浴热水[17-19]。
3效益分析
(1)费用对比。
燃气锅炉每年天燃气使用量129.31万m3，目前天燃气费用为4.5元/m3，需燃气费用581.89万元。矿井水余热利用装置运行后，夏季运行1台热泵(冷水)机组(252kW)供澡堂洗浴，每月用电量15万kWh，按照电费0.62元/kWh计算，电费每月9.3万元。
非采暖期4—11月份合计电费74.4万元;冬季运行1台252kW机组、2台391kW机组，每天实际电量2.1万kWh，每月电量63万kWh，电费39.06万元，采暖期12、1、2、3月份合计电费156.24万元，全年矿井水余热利用系统电费消耗230.64万元。另外，主副井井口电加热器用电量132万kWh，电费81.84万元。矿井水余热利用、主副井电加热全年使用电费312.48万元，较使用天燃气减少费用269.41万元。矿井水余热利用装置共投入资金721万元，2.6年即可收回成本。
(2)供暖效果对比。
采用燃气锅炉供暖时，由于冬季是燃气用量的高峰期，用气量紧张，燃气公司实施了限供，从而造成了生活区供暖效果差。矿井水余热利用系统运行后，能够连续稳定的进行供暖，效果较好。
4结论
(1)项目兼顾环境保护和经济发展需要，根据“节约资源、保护环境、发展经济”的技改方针，把生产和节能、环保工作有机地结合起来，为企业的长期生存奠定坚实的基础。
(2)利用矿井水余热替代燃气锅炉后，水源热泵消耗1kW的能量，可产生6kW以上的热量或冷量，与使用天然气锅炉相比，每年可节约运行费用为269万元。
(3)项目实施后，消除了环境大气和热污染，水源热泵机组的运行没有污染、没有燃烧、没有排烟，不产生任何废弃物，促进了矿区节能环保工作的正常开展。既达到了环保的要求，又节约经济成本，具有实实在在的经济效益和社会效益。
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