203煤矿坑道水水源热泵设计实例分析

1煤矿坑道水水源热泵设计实例分析中国建筑科学研究院何涛孙峙峰开滦精煤股份有限公司梅海斌李颜国陈凯唐山阳光新能源有限公司李智杰摘要开滦精煤股份有限公司范各庄和吕家坨矿每天可产生10000m3坑道水，处理后的坑道水水温常年保持在15～18℃之间，非常适用于水源热泵的应用。两个矿区有全年大量的矿工洗浴、冬季坑道风加热、夏季洗煤车间降温的用能需求。目前矿区采用燃煤蒸汽锅炉供热，没有夏季降温措施，迫于节能减排指标的压力以及夏季供冷的需求，矿区拟采用坑道水水源热泵系统满足上述冷热需求。本文简要介绍了坑道水水源热泵系统的基本设计原理，系统类型，主要设备以及预期的节能减排效益。关键词煤矿坑道水水量水温冷热负荷系统形式节能减排1工程概况开滦精煤股份有限公司下属的范各庄和吕家坨煤矿所处的煤系地层共有三层主要含水层。含水随着开采过程涌出，由矿井直接排出。矿井每年都要投入巨大的人力、物力来将排出的矿井坑道水处理至饮用水水质标准，供给全厂生产生活用水需求。每天可产生10000m3坑道水，处理后的坑道水水温常年保持在15～18℃之间。范各庄矿业分公司水源热泵部分的供暖面积为10192.7平方米，供冷面积为19772.2平方米。范各庄煤矿男、女更衣室有全年生活热水需求，热水供应量2000吨/天。吕家坨矿业分公司水源热泵部分在采暖期供应矿井室和巷道新风加热负荷，新风温度需求：温度不小于2℃；风量需求：160m3/s。在非采暖期为吕家坨煤矿男、女更衣室有生活热水需求，热水供应量2000吨/天。2负荷估算2.1设计计算参数办公室、厂房和更衣室的室内外计算参数根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）选取，本文不再赘述。特别需要指出的是吕家坨矿业分公司的矿井室和巷道送风参数：根据吕家坨矿业分公司的提供的数据，矿井口和巷道送风的室外计算温度为-21℃，井口处的送风温度不得小于2℃。采暖时间为本年的11月7日至翌年的3月15日，采暖期127天，与民用建筑采暖期相同。2.2冷热负荷估算范各庄矿业分公司供暖总负荷为1611.5kW。根据甲方提供的资料，范各庄矿业分公司男、女更衣室的热水需求为2000吨/天，最大小时用水量为100吨/小时，设计小时耗热量为3954.4kW。范各庄矿业分公司空调冷负荷为3136.8kW。吕家坨矿业分公司矿井室和巷道加热新风负荷为5452kW。吕家坨矿业分公司男、女更衣室的热水需求为2000吨/天，最大小时用水量为100吨/小时，设计小时耗热量分为3954.4kW。吕家坨矿业分公司的井口加热新风负荷在采暖期，生活热水负荷在非采暖期，所以，井口加热新风负荷和生活热水负荷互不影响，选型时取最大负荷。23坑道水用量计算3.1范各庄矿业分公司水源热泵部分坑道水水量估算：3.1.1夏季坑道水水量本工程选用的水源热泵机组的参数为：制冷量1591kW，制热量1851kW，制冷COP为5.3，制热COP为4.4。夏季制冷工况下坑道水利用温差为11℃，需要向坑道水放热的热泵系统的负荷为3136.8kW，计算坑道水需要量为：)/(3600)/11(tcCOPQGlllG——坑道水需要量，单位：m3/h；lQ——空调冷负荷，单位：kW；COP——能效比，取5.3；c——水的比热容，取4.19kJ/（kg·℃）；——水的密度，取1000kg/m3；t——坑道水进出口温差，℃；所以，夏季制冷工况坑道水需要量为：lG＝3136.8×(1+1/5.3)×3600/（4.19×1000×11）=291.5(m3/h)范各庄矿业分公司的生活热水负荷全年都有，所以夏季还需要热泵机组制备生活热水。制热工况坑道水利用温差为9℃，需要向坑道水吸热的热泵系统的负荷为4535.9kW，)/(3600)/11(tcCOPQGnrs335)9100019.4/(3600)4.4/11(9.4536rsG(m3/h)夏季总用水量为335m3/h。3.1.2冬季坑道水水量冬季制热工况下坑道水利用温差可以达到9℃，热负荷为5566kW，计算坑道水需要量为：)/(3600)/11(tcCOPQGll式中温差t取9℃，COP值取4.4外，其他参数与上文中相同。冬季坑道水需要量为411m3/h。设计坑道水水量需求选取较大的冬季用水工况，即411m3/h。即使全天24小时都达到设计用水工况时，用水负荷为9864m3/天。范各庄矿业分公司矿井坑道水每天能够提供的水量为10000m3/天，可以满足工程所需水量。3.2吕家坨矿业分公司水源热泵部分坑道水水量估算：计算过程与范各庄矿业分公司工程相似。设计坑道水水量需求为402m3/h，即使全天24小时都达到最大用水工况，最大用水量为9648m3/天。吕家坨矿业分公司矿井坑道水每天能够提供的水量为10000m3/天，可以满足工程所需水量。4设计方案方案简介通过坑道水泵，蓄水池的坑道水直接进入热泵机组，作为冷热源用于供暖和供冷。3坑道水提取工艺按如下工序进行：蓄水池坑道水循环泵坑道水源热泵机组管道输送排入水池图3-9制热工况水利用流程图图3－10：制冷工况利用流程图5主要设备根据采暖、空调负荷状况，范各庄矿业分公司水源热泵部分选择四台SGHP1800型水源热泵机组作为空调主机，夏季制冷和提供生活热水，冬季供热和提供生活热水；吕家坨矿业分公司水源热泵部分选择三台SGHP1800型水源热泵机组作为空调主机，采暖期为矿井室和巷道供应暖风，非采暖期提供生活热水。机组主要技术参数如下：表3坑道水源热泵机组参数表机组型号运行工况冷冻水冷却水制冷（热）量（kW）输入功率（kW）初温（℃）终温（℃）水量（t/h）初温（℃）终温（℃）水量（t/h）SGHP1800A制冷12727418291481591300制热15614240491421851421SGHP1800A型热泵机组耗电功率：制热时421kW，制冷时300kW。全年制备生活热水需2台机组，耗电功率842kW，夏季制冷时需2台机组，耗电功率600kW，冬季采暖时需1台机4组，耗电功率421kW。范各庄矿业分公司水源热泵机组的总电容量为1442kW；吕家坨矿业分公司水源热泵机组的总电容量为1263kW。6技术经济分析6.1系统增投资此处系统概算包括机房中热泵机组、水泵、自动控制、室外管网、组合式空调机组、末端用户设备等增投资部分。经估算开滦精煤股份有限公司水源热泵工程总投资为2242.2万元，其中水源热泵机组1041万元，机房设备47.8万元，末端设备387.8万元，变电设备改造505.6万元，相关材料260万元。6.2常规能源替代量与传统的系统相比，开滦精煤股份有限公司水源热泵工程每年可以节约常规能源44，348，498kWh；若系统的使用寿命按照15年计算，总共可以节约常规能源665，227，469kWh。6.3费效比若开滦精煤股份有限公司污水源热泵改造工程的使用寿命按照15年计算，则该工程的费效比（增量成本/寿命期内常规能源替代总量）为0.04元/kWh。6.4与常规能源对比分析对于范各庄矿业分公司水源热泵部分，如果采用常规制冷机组对洗煤厂新厂房、净化水厂办公室和男女更衣室制冷，制冷机组的造价与水源热泵机组的成本相差不大，而采用常规制冷机组则应增加冷却塔等散热设备。按照冷负荷3136.8kW计算，若采用常规制冷方式，需增加冷却塔等散热设备的投资29.5万元。根据建设方提供的资料，对于公共建筑，采暖季采暖费用按照建筑面积核算，为21.3元/㎡；非采暖季供应生活热水的成本每年为277.35万元，生活热水成本费用为5.8元/吨。若坑道水水源热泵建成后，采暖部分的运行费用每年平均为9.4元/㎡，相对于常规采暖每年节约11.9元/㎡；生活热水每吨可以节约2.6元，就生活热水一项，每天就可以节约5200元。对于吕家坨矿业分公司水源热泵部分，根据建设方提供的资料，采暖期井口通风采暖费和非采暖期生活热水费用包括燃煤、电费、水费、人工费、材料费、维修费、折旧费等，合计每年需493万元。若吕家坨矿业分公司水源热泵部分能够实施，则每年的运行费用只需263.4万元。每年就可以节约运行费用229.6万元，节约率达到46.6％。经核算，综合考虑运行的电费、人员费、折旧费等各项运行费用，开滦精煤股份有限公司水源热泵工程的运行费用每年为618.4万元。表4开滦精煤股份有限公司水源热泵工程运行费用对比表费用名称常规能源（万元）水源热泵（万元）燃料费563.40.0电费220.7494.6水费145.910人工费145.516.7材料费24.25.0维修费40.015.0折旧费26.377.1合计1165.9618.47效益分析7.1节能预测分析节煤量根据下式计算：5标准煤QQGG－每年可以节约的标准煤，单位：吨/年；Q－每年可以节约的能量，单位：MJ/年；标准煤Q－标准煤的热值，29309MJ/吨；－锅炉及管网的效率；若开滦精煤股份有限公司水源热泵工程能够实施，每年可以节约标准煤10895吨。其中每年采暖节约标准煤1205吨，制冷节约标准煤239吨，生活热水供应节约标准煤9451吨，具有很好的节能效益。7.2经济效益分析开滦精煤股份有限公司水源热泵工程实施后，每年可以节约人民币562.6万元。工程的总投资为2242.2万元，投资回收年限为4年。7.3环境效益分析据资料统计，唐山市的大气环境污染日益严重，尤其是在冬季采暖季。造成大气环境污染的原因主要是能源消费结构以煤为主；而煤炭的消耗大部分又是用于冬季采暖。因此，如何在采暖供热方式的选择上突出环境保护的制约，具有重要意义。坑道水热泵工程无需锅炉，没有燃烧过程，不存在固体废弃物、有毒有害气体及烟尘排放等问题，不消耗水资源，不污染地下物质，因而是环保的空调系统。开滦精煤股份有限公司可再生能源工程若能实施，每年节约的常规能源，每年可以减少向大气排放二氧化碳(CO2)7343吨（按碳计），二氧化硫(SO2)217.9吨，粉尘108.9吨；环境效益非常明显。8结论8.1煤矿坑道水水温常年保持在15～18℃之间，非常适用于水源热泵的应用；8.2为达到节能减排的要求，煤矿坑道水水质必须抽至地面处理后有组织的利用，无需为了水源热泵应用另行打地下水井，节省了投资；8.3由于矿区原有锅炉建造年代久远，热源效率低，热网损失达，系统设计落后，能源浪费严重，因此运行费用居高不下，尤其是污染物排放严重超标，急需改造。煤矿坑道水水源热泵系统运行简单，效率高，与常规燃煤锅炉相比节能减排效果明显。参考文献[1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2003[2]国家标准GB50019-2003，采暖通风与空气调节设计规范[3]国家标准GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范何涛，男，1974年7月出生，高级工程师，北京市北三环东路建研院空调所，100013，电话：[phone]，传真：[phone]，[e-mail]。