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摘要：煤矿企业利用矿井恒定温、湿度的回风热能资源，辅以水源热泵系统来制备供暖、空调、生活热水所需的热量和冷量，取代传统的锅炉＋冷水机组冷热源形式，从而达到节能降耗和减少污染物排放目的。
关键词：煤矿；矿井回风；供暖；空调；水源热泵；节能减排
Abstract: The coal mine enterprises use air heat resource mine constant temperature and humidity, and water source heat pump system for heating, air conditioning, preparation of domestic hot water for heat and cold, to replace the traditional boiler and chiller cold source form, so as to achieve the purpose of saving energy and reducing pollutant emissions purposes.Key words: coal mine; mine ventilation; heating; air conditioning; water source heat pump; energy-saving emission reduction
中图分类号：TU96+2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
为贯彻执行发展煤炭工业的各项法律法规和方针政策，促进高产高效矿井建设，提高煤矿经济效益，因地制宜地采用新技术、新工艺、新设备，国内煤炭工业矿井的建设和发展正在发生重大的变化。大型矿井担负着回报社会、保护环境等诸多社会责任，其中之一就是节能减排。大型矿井在很多方面存在巨大的减排空间，比如矿井开采、运输、通风等设备方面，很多矿井也在这些方面作了很多努力，效果显著。但是，不少矿井都没有意识到，一些看似无用的东西实际上却蕴藏着巨大的能量，是潜在的节能主力军，它们其中的代表就是矿井回风。每座矿井的回风量都很大，一般都在100~500 m3/s，矿井回风的温度、湿度在一年中基本稳定，冬季可作为低温热源由热泵系统从中吸收热量来制备供暖、井筒防冻、浴室供热热媒及生活热水，夏季可作为一座大型天然冷却塔来接收制冷系统放出的热量。下面以山东梁宝寺煤矿矿井回风热能利用工程为例对回风热能利用系统作详细分析。
工程概况
梁宝寺煤矿属于国家煤炭基地巨野矿区规划主要煤矿之一，位于山东省西南部，矿井距济宁市嘉祥县城约20 km。矿井设计生产能力为1800 kt/a，设计服务年限为51.4 a。当地供暖期室外计算温度－5.5℃，冬季极端最低温度－19.3℃；夏季空调室外计算干球温度34.1℃，夏季极端最高温度39.9℃。梁宝寺煤矿矿区总占地面积22.85公顷，矿区内工业建筑面积26039 m2，行政福利建筑面积42013 m2，根据生产需要和舒适性要求，全矿区工业建筑设置集中供暖设施，行政福利建筑设供暖空调设施，需要解决供暖空调的冷热源问题。该矿区内有主、副、风三座立井，其中主井井深1020 m，井筒入井风量82 m3/s；副井井深1020 m，井筒入井风量140 m3/s；中央风井井深925 m，风井回风量约220 m3/s。矿井回风温、湿度基本不受室外气温影响，全年回风温度20~22℃，相对湿度80~90%，回风热能资源丰富。
矿井回风热能资源分析
2.1回风换热量计算
2.1.1冬季回风换热量
冬季回风温度按20℃计算，相对湿度为85%，提取热量后的回风温度为6℃，相对湿度为98%，则可以从回风中吸收的热量为：
Q d =ρV (h1d－h2d)
=1.223×220×(52.2－20.5)
=8529 kW
式中：Q d——冬季回风换热量，kW；
ρ ——回风平均空气密度，1.223kg/m3；
V ——风井回风量，220 m3/s；
h1d——回风温度为20℃、相对湿度为85%时的湿空气焓值，52.2kJ/kg；
h2d——回风温度为6℃、相对湿度为98%时的湿空气焓值，20.5kJ/kg；
按照热泵机组制热工况的综合能效比COP为4.77计算，则可产生的热量为：
Q a = Q d/(1－1/COP)
=8529/(1－1/4.77)
=10791 kW
式中：Q a——热泵机组能提供的供热量，kW；
2.1.2夏季回风换热量
夏季回风温度按22℃计算，相对湿度为85%，吸收热量后的回风温度为30℃，相对湿度为99%，则可以向回风中释放的热量为：
Q x =ρV (h1x－h2x)
=1.166×220×(99.9－58.5)
=10620 kW
式中：Q x——夏季回风换热量，kW；
ρ ——回风平均空气密度，1.166kg/m3；
V ——风井回风量，220 m3/s；
h1x——回风温度为30℃、相对湿度为99%时的湿空气焓值，99.9kJ/kg；
h2x——回风温度为22℃、相对湿度为85%时的湿空气焓值，58.5kJ/kg；
按照热泵机组制冷工况的综合能效比EER为5.93计算，则可提供的冷量为：
Q b = Q x/(1＋1/EER)
=10620/(1＋1/5.93)
=9087 kW
式中：Q b——热泵机组能产生的制冷量，kW；
2.2冷热源容量校核
由以上计算得出，利用矿井回风作为供暖空调冷热源，其容量如表1所示：
表1冷热源容量统计表
由表1和表2对比可知，矿井回风热能作为供暖空调冷热源，完全能够满足冬季供暖空调、浴室热水供应、井筒防冻热量要求和夏季集中空调冷量要求。
回风热能利用系统设计
3.1项目建设规模
本项目矿井回风热能利用系统包括矿井回风换热系统、水源热泵机房和生活热水池三部分。矿井回风换热系统主要包括回风换热器和回风换热水池，设计在中央风井通风机房的两个扩散塔出口处共安装二台组合式回风换热器，设备回收矿井回風热量的同时可对回风进行降尘净化，同时也能对回风系统进行降噪处理；回风换热水池布置在扩散塔附近，用于临时储存和输送回风换热系统制备的热水，风井场地平面布置如图1所示；
图1风井场地平面布置图
水源热泵机房布置在生活污水处理站附近，距风井井筒中心约110 m，平面尺寸为44×20m，高6.4m，其内安装有十三台HE640型水源热泵机组及配套设备；生活热水池布置在水源热泵机房附近，用于储存水源热泵机房制备的浴室洗澡热水。
3.2关键技术设备
3.2.1回风换热机器
本工程选用的组合式回风换热机器性能参数如表3所示：
表3 回风换热器性能参数表
回风换热器采用回风源热泵专利技术，回收矿井总回风中的热能该设备特点如下：
(1)气——水换热，换热效率高，不但可以回收矿井回风显热热量，而且可以回收潜热热量；
(2)设备不产生瓦斯积聚，热交换单元无电动设备；
(3)不影响矿井主扇反风的要求；
(4)有很强的净化空气能力，经过回风换热后粉尘等污染物会大大降低；
(5)增加阻力小于50Pa，对风机无影响；
(6)降低风井排风噪音可达30dB(A)。
回风换热器能够在矿井回风恒温、高湿、粉尘大的条件下应用，将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热的方式转移到循环水中，使循环水满足作为水源热泵系统低温热源的条件。
3.2.2水源热泵机组
本工程选用十三台HE640型低噪低温涡旋水源热泵机组，机组互为备用，最大装机容量为1776kW。HE640水源热泵机组的性能参数如表4所示；
表4 HE640水源热泵机组性能参数表
热泵技术是一种以可再生能源——浅层低温热能（包括浅层地下水、生活污水、工业废水、矿井水、矿井总回风等蕴藏的低品位热能）为热源的新型、节能环保型冷暖中央空调系统。它具有冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷及常年提供洗浴热水的功能，是一种以消耗少量电能为代价，将大量无用的低温热能转变为有用的高温热能的装置，热泵系统的技术优点如下：
(1)高效节能
水源热泵是目前空调系统中能效比（COP/EER值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4~6。
(2)属可再生能源利用技术，本项目通过热泵技术回收矿井总回风中蕴藏的低温热能，为煤矿冬季采暖、井筒防冻、一年四季洗浴热水提供热源，为夏季集中空调提供冷源，废热回收利用，符合循环经济原理。
(3)节能、减排效益显著
水源热泵机组供热时省去了燃煤锅炉房系统，实现煤矿不燃煤，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染。水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。
(4)一机多用，应用范围广
本项目可供暖、空调、井筒防冻，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、系统。
(5)运行稳定可靠，维护方便
因此选择热泵作为供暖空调的冷热源，要明显优于目前传统的锅炉＋冷水机组的冷熱源形式。
3.3系统运行
冬季十三台热泵机组同时运作，其中1~6#、10~13#共十台机组提供建筑物供暖、空调及井筒防冻所需的热量，7~9#机组为浴室热水供应提供热量；夏季运行1~9#机组，其中1~6#机组提供建筑物集中空调所需的冷量，7~9#机组为浴室热水供应提供热量，10~13#机组作为备用机组，当空调负荷增大时，可选择性开启；过渡季节只运行7~9#机组为浴室热水供应提供热量。夏季系统运行时，矿井回风系统中温度较低的循环水进入1~6#制冷工况机热泵组的冷凝器，经机组提取冷量后，一部分温度较高的出水进入7~9#制热工况机组的蒸发器放出热量，制备浴室洗澡热水，其余热水回到回风换热蓄水池，从而实现了系统的热回收，减少废热排放，从而使整个系统更加节能环保。图2为水源热泵机房原理图。
效益分析
梁宝寺煤矿以矿井回风热能利用系统取代了原初步设计规划的锅炉房＋制冷机房传统供暖空调系统，以少量电能取代了大量燃煤消耗，节省运行成本；同时该系统投入使用减少了烟尘、SO2、CO2等有害污染物的排放，降低排污费用，在一定程度上改善了周边地区的环境质量，具有显著地社会、经济和环境效益。
图2水源热泵机房原理图
结语
矿井回风热能利用系统具有多项优点，是煤炭企业致力于实现“零排放、零污染”目标十分有效的手段，对国家节能减排、大力发展清洁绿色能源、建设节约型社会等宏伟目标起到十分重要的作用。该系统在探索其他余热资源利用领域也有一定的借鉴价值。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.GB 50366-2005 地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005
[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007
[3]马最良.地源热泵系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2007
[4]陈焰华.地下水地源热泵系统技术特性分析与研究[J].暖通空调，2009,39(6)：18-21
关键词：煤矿；矿井回风；供暖；空调；水源热泵；节能减排
Abstract: The coal mine enterprises use air heat resource mine constant temperature and humidity, and water source heat pump system for heating, air conditioning, preparation of domestic hot water for heat and cold, to replace the traditional boiler and chiller cold source form, so as to achieve the purpose of saving energy and reducing pollutant emissions purposes.Key words: coal mine; mine ventilation; heating; air conditioning; water source heat pump; energy-saving emission reduction
中图分类号：TU96+2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
为贯彻执行发展煤炭工业的各项法律法规和方针政策，促进高产高效矿井建设，提高煤矿经济效益，因地制宜地采用新技术、新工艺、新设备，国内煤炭工业矿井的建设和发展正在发生重大的变化。大型矿井担负着回报社会、保护环境等诸多社会责任，其中之一就是节能减排。大型矿井在很多方面存在巨大的减排空间，比如矿井开采、运输、通风等设备方面，很多矿井也在这些方面作了很多努力，效果显著。但是，不少矿井都没有意识到，一些看似无用的东西实际上却蕴藏着巨大的能量，是潜在的节能主力军，它们其中的代表就是矿井回风。每座矿井的回风量都很大，一般都在100~500 m3/s，矿井回风的温度、湿度在一年中基本稳定，冬季可作为低温热源由热泵系统从中吸收热量来制备供暖、井筒防冻、浴室供热热媒及生活热水，夏季可作为一座大型天然冷却塔来接收制冷系统放出的热量。下面以山东梁宝寺煤矿矿井回风热能利用工程为例对回风热能利用系统作详细分析。
工程概况
梁宝寺煤矿属于国家煤炭基地巨野矿区规划主要煤矿之一，位于山东省西南部，矿井距济宁市嘉祥县城约20 km。矿井设计生产能力为1800 kt/a，设计服务年限为51.4 a。当地供暖期室外计算温度－5.5℃，冬季极端最低温度－19.3℃；夏季空调室外计算干球温度34.1℃，夏季极端最高温度39.9℃。梁宝寺煤矿矿区总占地面积22.85公顷，矿区内工业建筑面积26039 m2，行政福利建筑面积42013 m2，根据生产需要和舒适性要求，全矿区工业建筑设置集中供暖设施，行政福利建筑设供暖空调设施，需要解决供暖空调的冷热源问题。该矿区内有主、副、风三座立井，其中主井井深1020 m，井筒入井风量82 m3/s；副井井深1020 m，井筒入井风量140 m3/s；中央风井井深925 m，风井回风量约220 m3/s。矿井回风温、湿度基本不受室外气温影响，全年回风温度20~22℃，相对湿度80~90%，回风热能资源丰富。
矿井回风热能资源分析
2.1回风换热量计算
2.1.1冬季回风换热量
冬季回风温度按20℃计算，相对湿度为85%，提取热量后的回风温度为6℃，相对湿度为98%，则可以从回风中吸收的热量为：
Q d =ρV (h1d－h2d)
=1.223×220×(52.2－20.5)
=8529 kW
式中：Q d——冬季回风换热量，kW；
ρ ——回风平均空气密度，1.223kg/m3；
V ——风井回风量，220 m3/s；
h1d——回风温度为20℃、相对湿度为85%时的湿空气焓值，52.2kJ/kg；
h2d——回风温度为6℃、相对湿度为98%时的湿空气焓值，20.5kJ/kg；
按照热泵机组制热工况的综合能效比COP为4.77计算，则可产生的热量为：
Q a = Q d/(1－1/COP)
=8529/(1－1/4.77)
=10791 kW
式中：Q a——热泵机组能提供的供热量，kW；
2.1.2夏季回风换热量
夏季回风温度按22℃计算，相对湿度为85%，吸收热量后的回风温度为30℃，相对湿度为99%，则可以向回风中释放的热量为：
Q x =ρV (h1x－h2x)
=1.166×220×(99.9－58.5)
=10620 kW
式中：Q x——夏季回风换热量，kW；
ρ ——回风平均空气密度，1.166kg/m3；
V ——风井回风量，220 m3/s；
h1x——回风温度为30℃、相对湿度为99%时的湿空气焓值，99.9kJ/kg；
h2x——回风温度为22℃、相对湿度为85%时的湿空气焓值，58.5kJ/kg；
按照热泵机组制冷工况的综合能效比EER为5.93计算，则可提供的冷量为：
Q b = Q x/(1＋1/EER)
=10620/(1＋1/5.93)
=9087 kW
式中：Q b——热泵机组能产生的制冷量，kW；
2.2冷热源容量校核
由以上计算得出，利用矿井回风作为供暖空调冷热源，其容量如表1所示：
表1冷热源容量统计表
由表1和表2对比可知，矿井回风热能作为供暖空调冷热源，完全能够满足冬季供暖空调、浴室热水供应、井筒防冻热量要求和夏季集中空调冷量要求。
回风热能利用系统设计
3.1项目建设规模
本项目矿井回风热能利用系统包括矿井回风换热系统、水源热泵机房和生活热水池三部分。矿井回风换热系统主要包括回风换热器和回风换热水池，设计在中央风井通风机房的两个扩散塔出口处共安装二台组合式回风换热器，设备回收矿井回風热量的同时可对回风进行降尘净化，同时也能对回风系统进行降噪处理；回风换热水池布置在扩散塔附近，用于临时储存和输送回风换热系统制备的热水，风井场地平面布置如图1所示；
图1风井场地平面布置图
水源热泵机房布置在生活污水处理站附近，距风井井筒中心约110 m，平面尺寸为44×20m，高6.4m，其内安装有十三台HE640型水源热泵机组及配套设备；生活热水池布置在水源热泵机房附近，用于储存水源热泵机房制备的浴室洗澡热水。
3.2关键技术设备
3.2.1回风换热机器
本工程选用的组合式回风换热机器性能参数如表3所示：
表3 回风换热器性能参数表
回风换热器采用回风源热泵专利技术，回收矿井总回风中的热能该设备特点如下：
(1)气——水换热，换热效率高，不但可以回收矿井回风显热热量，而且可以回收潜热热量；
(2)设备不产生瓦斯积聚，热交换单元无电动设备；
(3)不影响矿井主扇反风的要求；
(4)有很强的净化空气能力，经过回风换热后粉尘等污染物会大大降低；
(5)增加阻力小于50Pa，对风机无影响；
(6)降低风井排风噪音可达30dB(A)。
回风换热器能够在矿井回风恒温、高湿、粉尘大的条件下应用，将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热的方式转移到循环水中，使循环水满足作为水源热泵系统低温热源的条件。
3.2.2水源热泵机组
本工程选用十三台HE640型低噪低温涡旋水源热泵机组，机组互为备用，最大装机容量为1776kW。HE640水源热泵机组的性能参数如表4所示；
表4 HE640水源热泵机组性能参数表
热泵技术是一种以可再生能源——浅层低温热能（包括浅层地下水、生活污水、工业废水、矿井水、矿井总回风等蕴藏的低品位热能）为热源的新型、节能环保型冷暖中央空调系统。它具有冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷及常年提供洗浴热水的功能，是一种以消耗少量电能为代价，将大量无用的低温热能转变为有用的高温热能的装置，热泵系统的技术优点如下：
(1)高效节能
水源热泵是目前空调系统中能效比（COP/EER值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4~6。
(2)属可再生能源利用技术，本项目通过热泵技术回收矿井总回风中蕴藏的低温热能，为煤矿冬季采暖、井筒防冻、一年四季洗浴热水提供热源，为夏季集中空调提供冷源，废热回收利用，符合循环经济原理。
(3)节能、减排效益显著
水源热泵机组供热时省去了燃煤锅炉房系统，实现煤矿不燃煤，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染。水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。
(4)一机多用，应用范围广
本项目可供暖、空调、井筒防冻，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、系统。
(5)运行稳定可靠，维护方便
因此选择热泵作为供暖空调的冷热源，要明显优于目前传统的锅炉＋冷水机组的冷熱源形式。
3.3系统运行
冬季十三台热泵机组同时运作，其中1~6#、10~13#共十台机组提供建筑物供暖、空调及井筒防冻所需的热量，7~9#机组为浴室热水供应提供热量；夏季运行1~9#机组，其中1~6#机组提供建筑物集中空调所需的冷量，7~9#机组为浴室热水供应提供热量，10~13#机组作为备用机组，当空调负荷增大时，可选择性开启；过渡季节只运行7~9#机组为浴室热水供应提供热量。夏季系统运行时，矿井回风系统中温度较低的循环水进入1~6#制冷工况机热泵组的冷凝器，经机组提取冷量后，一部分温度较高的出水进入7~9#制热工况机组的蒸发器放出热量，制备浴室洗澡热水，其余热水回到回风换热蓄水池，从而实现了系统的热回收，减少废热排放，从而使整个系统更加节能环保。图2为水源热泵机房原理图。
效益分析
梁宝寺煤矿以矿井回风热能利用系统取代了原初步设计规划的锅炉房＋制冷机房传统供暖空调系统，以少量电能取代了大量燃煤消耗，节省运行成本；同时该系统投入使用减少了烟尘、SO2、CO2等有害污染物的排放，降低排污费用，在一定程度上改善了周边地区的环境质量，具有显著地社会、经济和环境效益。
图2水源热泵机房原理图
结语
矿井回风热能利用系统具有多项优点，是煤炭企业致力于实现“零排放、零污染”目标十分有效的手段，对国家节能减排、大力发展清洁绿色能源、建设节约型社会等宏伟目标起到十分重要的作用。该系统在探索其他余热资源利用领域也有一定的借鉴价值。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.GB 50366-2005 地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005
[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007
[3]马最良.地源热泵系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2007
[4]陈焰华.地下水地源热泵系统技术特性分析与研究[J].暖通空调，2009,39(6)：18-21