煤炭与人们的生活息息相关,近年来煤炭消费占比急剧上升。煤矿在建设和生产过程中矿井通风系统是不可或缺的一个环节,该通风系统产生的矿井回风一年四季不间断且风量巨大,部分矿井的回风温度维持在15℃以上。近年来国家积极鼓励终端用能多能互补和综合梯级利用,如何利用矿井回风热量一直是从事煤炭能源环保领域相关学者致力于研究的热点,其中喷淋换热热回收-热泵供热技术是矿井回风余热利用的主要方式之一。针对该换热方式开展的主要研究工作如下:首先,对矿井回风余热利用的7种不同技术路线进行了分析研究,发现利用矿井回风余热进行供热能耗最低。对比分析了喷淋换热技术、直蒸换热技术及热管换热技术三种矿井回风余热回收技术路线,发现喷淋换热系统适用范围广,换热效率较高,其相对传统电锅炉供热节能量达到75%左右,回风余热回收系统的节能潜力巨大。其次,根据可用势将矿井回风余热资源划分为四个等级,其中一级余热资源应优先利用,宜采用直蒸式换热、间壁式换热、喷淋式换热、进风-回风直接换热等技术进行取热;二级余热资源宜尽量利用,宜采用直蒸式换热、间壁式换热、高效进风-回风直接换热等技术进行取热;三级余热资源可视情况选择利用,宜采用直蒸式换热、间壁式换热等技术进行取热;四级余热资源不宜利用。通过分析计算表明,矿井回风余热利用的节能潜力巨大,单位风量利用后的节能量是单位需求常规能耗的3.5～5.8倍,越是寒冷的地区节能潜力越大。再次,对喷淋换热装置内部水滴运动与换热特性开展了研究,对实际喷淋换热器进行了设计和数值模拟仿真研究。喷淋换热器内水滴受到粘性阻力与压差阻力的共同作用,喷淋水滴在一定的初速度下会急速达到收尾速度后匀速运动。其余条件不变时随着粒径的增加,阻力成上升趋势,合力与加速度成下降趋势。相同水气比下换热效率随着空气流速增大而增加,相同喷淋粒径时换热效率随水滴相对运动速度增加提高。研究表明在喷淋换热器基本尺寸定型时,换热效率与空气流速、水气比的相关性更大,且在喷淋水滴粒径已定时,水滴流速对换热效率的影响较小,水气比为1左右时,具备较高的换热效率。给出了喷淋换热效率的计算表达式,研究表明换热后的回风温度越低,换热效果越高。矿井回风喷淋换热器换热过程中会大量析出回风中的水蒸气,且喷淋水温度越低析出的水量越大。然后,本文提出一种喷淋换热系统主/备热源的新型计算选型方法,即采用历年极端最低温度平均值与供暖室外计算温度之间的平均值计算立/斜井防冻用热主热源负荷,采用供暖室外计算温度计算平硐/专用进风井防冻用热主热源负荷,采用规范规定的极端负荷与计算的主热源负荷差值为井筒防冻用热备用热源负荷,并以此为计算依据进行主/备热源的选型。通过该方法不仅可以使系统配置更加合理,运行能耗得到降低,还可以提高系统的可靠性。针对喷淋式换热系统提出了水环式冷热联供工艺流程设计方案,通过优化的设计计算选型方法与工艺流程,可以使得系统主热源设备负荷降低10%以上,提高系统的整体能效15%。最后,结合口孜东矿井回风余热利用项目实际运行情况,验证了本研究提出的喷淋换热系统计算选型方法与工艺流程设计方案,实际运行结果表明:2台洗浴热水机组相比于单独运行第一种模式能效提升了 3 7%,COP相比原有模式提高了 60%,冷机EER能效增加0.9,能效增加15%。充分证明了本论文方案的实用性、可靠性,节能效果显著。