[摘 要]水源热泵是一种节能、环保、高效的能源利用技术，它充分发挥了浅层岩体的储冷储热作用，实现对建筑物的供暖和制冷，是一种典型的绿色技术。本文分析了水源热泵技术原理与工艺流程，估算了山西某矿和全国矿井废水的热量储备，通过计算分析，水源热泵技术在节能、经济、环境和社会效益等方面具有显著优势，可在煤矿推广应用。
[关键词]水源热泵；技术原理；工艺流程；热量计算
中图分类号：TK529 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0284-02
煤炭企业由于生产的特殊性，特别是井工开采的煤矿，有两种资源可进行水源热泵技术开发应用，一是矿井水，二是矿井通风系统回风。两者都温差稳定在一定温度范围，无疑给水源热泵技术的应用提供了一种特别能量，分别可作为热泵机组良好的热源和热汇。因此，在煤矿推广应用水源热泵技术是一项很好的节能和环保项目。
1 水源热泵技术工艺原理
实际上矿井水热能利用是通过热量交换的原理来实现的。具体的讲，在夏季煤矿地面建筑物温度高，而使用的水源温度低，通过相应的技术手段可以将建筑物中的热量转移到水源中，从而将过高的热量带走，达到给建筑物降温的目的；在冬季，则是利用热泵技术从水源中汲取能量，通过水或空气作为煤质将汲取的热量输送到建筑设施中。一般来说，通过热泵技术用户可以得到高于4倍热泵（或水泵）消耗能量的热量（或冷量），例如使用热泵时每消耗1KW的能量，可供建筑物用热4KW左右。水源热泵可分为开式和闭式两种，其分类依据是泵对水源的利用方式。作为热泵供热和制冷的介质，水源也应满足两个条件：一是要保证水源存储量，二是要保证水温控制在7℃～30℃之间。矿井水可作为一种理想水源，它不仅储量丰富，而且水温基本恒定，水质也比较好。
1.1 工艺流程
过程中所形成的矿井水通过水泵系统抽至地热交换系统，依据热泵原理机组运转并交换矿井水中的能量，然后通过管道输送至矿井建筑设施等，实现冬季和夏季的供暖、供热，从建筑设施交换能量过后的废水可做工业用水再次回收利用。图1为利用矿井水制热工艺流程。
1.2 技术原理
（1）夏季制冷。矿井水首先进入旋流除沙器除沙，再经过电子水处理仪除掉絮状物，然后进入水源热泵空调机组冷凝发器与氟利昂R22制冷剂进行热交换，通过氟利昂的形态液化，向矿井水释放热量，利用压缩机做功，再通过蒸发器中氟利昂与空调系统的循环水进行热交换，氟利昂吸收循环水中的部分热量，制出7℃的冷媒水，为井口送风设备提供冷量。
（2）冬季供暖。与夏季制冷不同的是，当矿井水与氟利昂R22制冷剂进行热交换时，氟利昂是汽化的状态来吸收矿井水中的部分热量，此后利用压缩机做功将汽态氟利昂变为液态，释放热量后，再通过冷凝器与空调系统的循环水进行热交换，制出45℃～50℃的空调热水，为井口送风设备提供热量。
2 技术特点
热泵是一种以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能装置。水源热泵技术是利用地球表面浅层水，如地下水、地表水等水中蕴含的低位能源作为热泵的低温侧热源，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。其优点为：
（1）它是目前热泵中能效比（COP 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）它利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉或风冷热泵机组， 特别是对于同时有供热及制冷需求的建筑物， 机房面积大大小于常规供热空调系统， 节省了建筑空间，有利于建筑的美观，减少了设备的初投资，安装容易，工期短；
（3）它供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗，是理想的绿色环保产品；
（4）水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动， 使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；
（5）采用全电脑控制，自动程度高。基于以上优点，近十几年来，水源热泵空
调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展。近五年来，中国的水源热泵市场也日趋活跃，使该项技术得到了相当广泛的应用，成为一种有效的供热和供冷空调技术。
3 水源热泵技术的应用
某煤矿坐落在山西境内，是一座生产能力200万吨/年的现代化大型矿井。
3.1 可利用热量计算
矿井排水量为9000m3～12000m3/d，水温18～20℃左右，冬季供热与夏季空调每天平均按20个小时计算，平均每小时水量为：9000/20=450m3/h。冬季水温按18℃，提取热量后的水温度为8℃，则可以从矿井水中提取的热量为：
Q冬季=1.163×L×（T1-T2）=1.163×450×（18-8）=5233kW
式中：Q冬季――冬季从矿井水提取的热量，kW
T1――冬季矿井水温度，℃
T2――提取热量后水温度为，℃
L――矿井水量，m3/h。
夏季水温按20℃，吸取空调热量后的水温度为35℃，则矿井水可排走的热量为：
Q夏季=1.163×L×（T2-T1）=1.163×450×（35-20）=7850kW
式中：Q夏季――夏季矿井水换热量，kW
T1――吸取空调热量后的水温度为℃
T2――夏季矿井水温度为℃
L――矿井水量，m3/h。
3.2 低温热能汇总
以上废热资源经过热泵机组转换后可形成的供热、制冷能力计算如下：
1）冬季供热能力
Q= 式中：Q――热泵机组输出热负荷
COP――水源热泵机组制热能效比，取4.5
冬季供热面积指标按60W/m计算，折合供热面积为：
6728÷0.06=112133.3m2，即可供11万m2建筑的采暖。
折合标煤：
1千克标准煤的热值，29271KJ（千焦）/kg，每天按20个小时供热，一个冬季按120天计算，折合标煤计算如下：
6728×20×3600×120÷29271÷1000=1985吨标准煤
2）夏季制冷能力
式中：Q――热泵机组输出冷负荷
COP――水源热泵机组制冷能效比，取5.0
夏季空调面积指标按100W/m2计算，折合供热面积为：6542/0.1=65420m2，即可供6.5万m2建筑的空调。
4 全国矿井排水废热资源估计
矿井涌水量与矿山所处的地理位置、气候、地质构造、开采深度和开采方法等因素有关。就地区而言，一般规律是东、南部地区涌水量大，西、北部地区涌水量小。多年的实测数据表明，矿井水在开采过程中排放量相对稳定，作为水资源其水量是有保证的。据统计，目前全国煤矿矿井每年涌水量在42亿m3左右。
提取废热温差按10℃计算，水的比热是4.2×103千焦/（吨×℃），则全年提取废热量为：
42×10×4200=1764000亿千焦（即17640×104百万千焦）
这些废热资源假如有一半被利用，即8820×104百万千焦。标准煤折标系数0.0341（t/百万千焦），那么以上可提取的热量可以折合成标煤8820×104×0.0341=300万吨/年标煤，相当于减少CO2排放780万吨/年。
5 结束语
水源热泵机组可充分利用煤矿每天排放的井下废水提取热量，取代矿区目前所使用的部分燃煤锅炉和分体空调，实现由热泵机组对办公楼、公寓、浴池等建筑物的冬季供暖和夏季制冷，对井口冬季保温防冻，提供生活洗浴用水和用于衣服烘干等，真正实现废物利用，达到节能减排及降低运行费用的目的。通过计算分析，水源热泵技术在节能、经济、环境和社会效益等方面具有显著优势，可在煤矿推广应用。
参考文献
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