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摘要：汾西矿业集团曙光煤矿针对矿井回风中丰富的余热热源，采用热泵技术提取其中的低品位热能，为工业场地生活区建筑提供冬季供暖、夏季制冷，并为全年洗浴热水提供热源，从而替代了燃煤锅炉，减少了污染物的排放。通过对矿井回风源热泵系统能量消耗的统计计算，同时与未采用该技术之前的能耗作对比分析，从不同方面阐述了回风源热泵的节能效果，表明了该系统对建设现代化绿色新型矿山有重要意义。
关键词：回风余热；热泵系统；供暖；制冷；节能
中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）24-0075-04
1 概述
随着经济的发展，能源需求急剧增加，随之带来的环境污染日益严重，能源供需和环境污染矛盾相当突出。据了解，目前越来越多的地区限制燃煤锅炉的使用，同时也衍生了各种新型的热源。汾西矿业集团曙光煤矿对矿区锅炉房进行改造，采用矿井回风源热泵机组替代了燃煤锅炉，为工业场地生活区建筑提供冬季供暖、夏季制冷，并为全年洗浴热水提供热源，取得了良好的效果。
2 矿井回风源热泵系统技术原理
矿井回风源热泵系统由矿井回风换热器和扩散塔（二者共同构成回风换热装置）、动力装置、集水池、汇水槽及附件组成。矿井回风热回收系统的核心装置是回风换热器。矿井回风在风机作用下压入扩散塔内，从而使矿井回风转变为低速、均匀、稳定的气流，该气流与回风换热器中喷淋出的高密度的雾化水滴充分接触，从而完成气水之间的热湿交换，交换后的矿井回风通过挡水板排至大气，喷淋水进入汇水槽，然后输送至热泵机组。
2.1 制热模式
如图1所示，矿井回风源热泵系统在制热模式时，矿井回风换热器实现将矿井回风中所蕴含的大量热能转移到循环水里面，循环水作为热泵系统的低位热源，循环水经热泵系统提取热量后，温度有所降低（一般为5℃），再重新送入矿井回风换热器进行热交换，循环往复。
热泵机组从低温热源（循环水）中提取热能后，输出50℃～55℃（一般不超过60℃）的热水，即热泵系统的高位热源，为建筑冬季供暖及提供洗浴热水。
2.2 制冷模式
与制热模式相反，矿井回风源热泵系统中在制冷模式时，矿井回风换热器实现将循环水里的热能转移到矿井回风中，循环水作为热泵系统的高位热源，循环水经热泵系统放热后，温度有所升高（一般为10℃），再重新送入矿井回风换热器进行热交换，循环往复。
热泵机组向高位热源（循环水）放热后，输出7℃的冷水，即热泵系统的低位热源，为建筑提供夏季空调。
3 曙光煤矿回风源热泵工程基本情况
3.1 项目概况
曙光煤矿位于山西省中部孝义市内，隶属于汾西矿业集团有限公司，本项目采用矿井回风源热泵系统，为工业场地生活区提供冬季供暖、夏季制冷（建筑面积为36500m2）以及常年提供每天900人的洗浴热水。冬季供暖进回水温度45℃/40℃，室内温度可达18℃～20℃；夏季空调进回水温度7℃/12℃，空调室内温度可达24℃～28℃；洗浴热水蓄水箱水温45℃，洗浴水温42℃左右。
3.2 项目内容
3.2.1 负荷需求。
采暖、空调：办公区、生活区，部分工业建筑，共计36500m2建筑。
洗浴：最大班出勤人数300人。
3.2.3 热泵机组配置。矿井回风源热泵机房共选择低噪低温涡旋水源热泵机组HE640型6台。
冬季：5台HE640热泵机组提供地面建筑供暖热量，1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源。
夏季：5台HE640热泵机组提供生活区和办公区空调，同时为洗浴热水提供热源。
过渡季：1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源。
3.2.4 运行情况。已经连续运行了4个采暖季、3个制冷季，冬季供暖室内温度18℃～20℃；夏季空调室内温度24℃～28℃；卫生热水蓄水箱水温≥42℃，满足设计要求。采暖、空调建筑面积共计36500m2。
4 系统运行费用对比分析
4.1 回风源热泵运行费用理论分析
4.1.1 运行费估算基本参数如表3所示。
4.1.2 中央空调系统运行费用。
运行费用=设备功率（kW）×运行天数×每天运行时数（h）×时间百分数（%）×负荷百分数（%）×电价
夏季5台HE640热泵机组提供中央空调冷源，最大功率：5×97.7=488.5kW
冬季5台HE640热泵机组提供中央空调热源，最大功率：5×136.6=683kW
泵功率按机组功率的15%考虑。
计算结果如表4所示。
4.1.3 热水系统运行费用。
运行费用=设备功率（kW）×运行天数×每天运行时数（h）×时间百分数（%）×负荷百分数（%）×电价
全年1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源，最大功率：136.6kW。
水泵功率按机组功率的15%考虑。
计算结果如表5所示。
4.2 热泵系统2009～2010年实际运行费用
4.3 采用传统燃煤锅炉加分体空调费用分析
4.3.1 传统锅炉加分体空调装机容量计算。曙光煤矿工业场地生活区冬季总热负荷为2555kW，生活热水热负荷为678kW，共计3233kW。每吨锅炉产热量按700kW计算，则至少需要考虑2台2吨锅炉及1台1吨锅炉，冬季3台同时运行，春夏秋季只运行1台1吨锅炉。
4.3.4 分体空调运行费用如表8所示。
4.3.5 运行人员工资。按3人考虑，每人3万元，每年9万。
4.3.6 年运行维护费。锅炉设备检修维护费用按2万考虑，锅炉水处理费用按3万元考虑，共计5万。
4.3.7 总运行费。
4.4 年节约运行费用
4.5 对比分析
由以上统计计算及对比，采用回风源热泵机组后系统节能效果显著，每年可以节约158.45万元的运行费用。同时取消燃煤锅炉后，每年减少CO2排放9812.4吨，减少SO2排放75.48吨，环境效益显著。利用矿井回风源热泵系统这项新技术，有效地提取了矿井回风中的低品位能源，降低能耗，真正意义上实现了系统的低碳、高效运行。
5 结语
矿井回风源热泵系统是利用矿井回风换热与水源热泵技术的结合，实现矿井排风余热热能的回收再利用，以满足矿区冬季建筑采暖、夏季建筑供冷、井筒防冻、全年洗浴热水的功能，达到节能减排的目的，实现“低碳运行建设生态矿山”的理念。矿井回风源热泵系统具有效率高、系统节能环保、易于实现自动化、运行管理方便等特点，能有效降低矿区生产耗煤量，减少污染物的排放，对建设现代化新型矿山有重要意义。
参考文献
[1] 马最良，姚扬，姜益强.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2] 邸建友.矿井乏风热能利用装置[P].中国，200820017343.9，2009.
[3] 朱晓彦.矿井回风热回收利用的方法及装置[P].中国，200610041512.8，2006.
作者简介：朱冬冬（1984—），男，中煤科工集团重庆设计研究院助理工程师，研究方向：煤矿暖通及水道专业设计。
关键词：回风余热；热泵系统；供暖；制冷；节能
中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）24-0075-04
1 概述
随着经济的发展，能源需求急剧增加，随之带来的环境污染日益严重，能源供需和环境污染矛盾相当突出。据了解，目前越来越多的地区限制燃煤锅炉的使用，同时也衍生了各种新型的热源。汾西矿业集团曙光煤矿对矿区锅炉房进行改造，采用矿井回风源热泵机组替代了燃煤锅炉，为工业场地生活区建筑提供冬季供暖、夏季制冷，并为全年洗浴热水提供热源，取得了良好的效果。
2 矿井回风源热泵系统技术原理
矿井回风源热泵系统由矿井回风换热器和扩散塔（二者共同构成回风换热装置）、动力装置、集水池、汇水槽及附件组成。矿井回风热回收系统的核心装置是回风换热器。矿井回风在风机作用下压入扩散塔内，从而使矿井回风转变为低速、均匀、稳定的气流，该气流与回风换热器中喷淋出的高密度的雾化水滴充分接触，从而完成气水之间的热湿交换，交换后的矿井回风通过挡水板排至大气，喷淋水进入汇水槽，然后输送至热泵机组。
2.1 制热模式
如图1所示，矿井回风源热泵系统在制热模式时，矿井回风换热器实现将矿井回风中所蕴含的大量热能转移到循环水里面，循环水作为热泵系统的低位热源，循环水经热泵系统提取热量后，温度有所降低（一般为5℃），再重新送入矿井回风换热器进行热交换，循环往复。
热泵机组从低温热源（循环水）中提取热能后，输出50℃～55℃（一般不超过60℃）的热水，即热泵系统的高位热源，为建筑冬季供暖及提供洗浴热水。
2.2 制冷模式
与制热模式相反，矿井回风源热泵系统中在制冷模式时，矿井回风换热器实现将循环水里的热能转移到矿井回风中，循环水作为热泵系统的高位热源，循环水经热泵系统放热后，温度有所升高（一般为10℃），再重新送入矿井回风换热器进行热交换，循环往复。
热泵机组向高位热源（循环水）放热后，输出7℃的冷水，即热泵系统的低位热源，为建筑提供夏季空调。
3 曙光煤矿回风源热泵工程基本情况
3.1 项目概况
曙光煤矿位于山西省中部孝义市内，隶属于汾西矿业集团有限公司，本项目采用矿井回风源热泵系统，为工业场地生活区提供冬季供暖、夏季制冷（建筑面积为36500m2）以及常年提供每天900人的洗浴热水。冬季供暖进回水温度45℃/40℃，室内温度可达18℃～20℃；夏季空调进回水温度7℃/12℃，空调室内温度可达24℃～28℃；洗浴热水蓄水箱水温45℃，洗浴水温42℃左右。
3.2 项目内容
3.2.1 负荷需求。
采暖、空调：办公区、生活区，部分工业建筑，共计36500m2建筑。
洗浴：最大班出勤人数300人。
3.2.3 热泵机组配置。矿井回风源热泵机房共选择低噪低温涡旋水源热泵机组HE640型6台。
冬季：5台HE640热泵机组提供地面建筑供暖热量，1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源。
夏季：5台HE640热泵机组提供生活区和办公区空调，同时为洗浴热水提供热源。
过渡季：1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源。
3.2.4 运行情况。已经连续运行了4个采暖季、3个制冷季，冬季供暖室内温度18℃～20℃；夏季空调室内温度24℃～28℃；卫生热水蓄水箱水温≥42℃，满足设计要求。采暖、空调建筑面积共计36500m2。
4 系统运行费用对比分析
4.1 回风源热泵运行费用理论分析
4.1.1 运行费估算基本参数如表3所示。
4.1.2 中央空调系统运行费用。
运行费用=设备功率（kW）×运行天数×每天运行时数（h）×时间百分数（%）×负荷百分数（%）×电价
夏季5台HE640热泵机组提供中央空调冷源，最大功率：5×97.7=488.5kW
冬季5台HE640热泵机组提供中央空调热源，最大功率：5×136.6=683kW
泵功率按机组功率的15%考虑。
计算结果如表4所示。
4.1.3 热水系统运行费用。
运行费用=设备功率（kW）×运行天数×每天运行时数（h）×时间百分数（%）×负荷百分数（%）×电价
全年1台HE640热泵机组提供洗浴热水热源，最大功率：136.6kW。
水泵功率按机组功率的15%考虑。
计算结果如表5所示。
4.2 热泵系统2009～2010年实际运行费用
4.3 采用传统燃煤锅炉加分体空调费用分析
4.3.1 传统锅炉加分体空调装机容量计算。曙光煤矿工业场地生活区冬季总热负荷为2555kW，生活热水热负荷为678kW，共计3233kW。每吨锅炉产热量按700kW计算，则至少需要考虑2台2吨锅炉及1台1吨锅炉，冬季3台同时运行，春夏秋季只运行1台1吨锅炉。
4.3.4 分体空调运行费用如表8所示。
4.3.5 运行人员工资。按3人考虑，每人3万元，每年9万。
4.3.6 年运行维护费。锅炉设备检修维护费用按2万考虑，锅炉水处理费用按3万元考虑，共计5万。
4.3.7 总运行费。
4.4 年节约运行费用
4.5 对比分析
由以上统计计算及对比，采用回风源热泵机组后系统节能效果显著，每年可以节约158.45万元的运行费用。同时取消燃煤锅炉后，每年减少CO2排放9812.4吨，减少SO2排放75.48吨，环境效益显著。利用矿井回风源热泵系统这项新技术，有效地提取了矿井回风中的低品位能源，降低能耗，真正意义上实现了系统的低碳、高效运行。
5 结语
矿井回风源热泵系统是利用矿井回风换热与水源热泵技术的结合，实现矿井排风余热热能的回收再利用，以满足矿区冬季建筑采暖、夏季建筑供冷、井筒防冻、全年洗浴热水的功能，达到节能减排的目的，实现“低碳运行建设生态矿山”的理念。矿井回风源热泵系统具有效率高、系统节能环保、易于实现自动化、运行管理方便等特点，能有效降低矿区生产耗煤量，减少污染物的排放，对建设现代化新型矿山有重要意义。
参考文献
[1] 马最良，姚扬，姜益强.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2] 邸建友.矿井乏风热能利用装置[P].中国，200820017343.9，2009.
[3] 朱晓彦.矿井回风热回收利用的方法及装置[P].中国，200610041512.8，2006.
作者简介：朱冬冬（1984—），男，中煤科工集团重庆设计研究院助理工程师，研究方向：煤矿暖通及水道专业设计。