董憲偉，張九零，侯欣然

（1．河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山063009；2．河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009）

1 概述

導(dǎo)致礦井地?zé)岬脑蛴泻芏?，主要因素有四種，分別是礦區(qū)大氣環(huán)境、圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、礦物氧化散熱以及空氣自壓縮熱。除了這些主要因素之外，導(dǎo)致礦井地?zé)岬倪€有一些次要因素，如地表大氣狀態(tài)、地下熱水涌出、礦物散熱、人體散熱、爆破熱以及電纜電線散熱等［1］。礦井熱源包含兩類(lèi)，即相對(duì)熱源，由高溫圍巖和熱水產(chǎn)生；絕對(duì)熱源，由機(jī)電設(shè)備、風(fēng)流自壓縮以及各種化學(xué)反應(yīng)等產(chǎn)生［2］。

2 地?zé)嵊?jì)算

在地?zé)嶙饔孟拢邷貒鷰r會(huì)產(chǎn)生傳熱。放射性元素（比如鈾、釷等）的衰變是地?zé)岬闹饕獊?lái)源。這些放射性元素衰變所產(chǎn)生的總熱能值，目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但一些研究人員對(duì)此會(huì)有相關(guān)的估計(jì)。研究人員侯德封等認(rèn)為，隨著與地表距離的逐漸增加，井下原始巖溫會(huì)隨之上升，總地?zé)崮苤抵辽贋?．14×1021J／a。原始巖溫隨深度而上升的速度稱(chēng)為地溫梯度，原始巖溫的具體數(shù)值由溫度梯度與埋藏深度決定，地溫梯度的大小由巖石的熱導(dǎo)率與大地?zé)崃髦禌Q定［3］。

由于礦井熱害中的熱交換屬于不穩(wěn)定的復(fù)雜過(guò)程。所以，在計(jì)算圍巖散熱量時(shí)，常用類(lèi)似于穩(wěn)定傳熱的公式來(lái)計(jì)算，這樣計(jì)算就更為方便。

高溫?zé)崴蔀榈V井熱害的重要來(lái)源，其放熱量跟周?chē)h(huán)境溫濕度有一定的關(guān)系。水溫和水量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的大小主要決定了井下熱水的放熱量，該放熱量會(huì)影響礦內(nèi)的空氣，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)與空氣發(fā)生熱濕交換，總熱交換同時(shí)也在進(jìn)行，但其推動(dòng)力是焓差而不是溫差。所以，在計(jì)算熱水和風(fēng)流的換熱時(shí)，應(yīng)計(jì)算其潛熱交換［4－5］。

應(yīng)采取如下措施解決大量熱水涌出：集中用隔熱管道將其排走，或者用加蓋板的水溝排走。

3 河北省某礦水源熱泵方案設(shè)計(jì)

3．1 設(shè)計(jì)原則及技術(shù)路線

本方案充分利用礦井的余熱資源，實(shí)現(xiàn)冬季井口防凍、工業(yè)場(chǎng)地建筑供暖及浴室洗浴熱水加熱、聯(lián)合建筑的供暖及制冷。為減少礦井水的熱量損失，需在排水渠加設(shè)蓋板等保溫措施。礦井水經(jīng)由主井、副井排水管道排至排水渠，由排水渠進(jìn)入礦井水沉淀池，在此處水稍作沉淀處理，沉淀處理過(guò)的水再進(jìn)入泵房中的緩沖池里，經(jīng)過(guò)濾器把大顆粒懸浮物過(guò)濾出去，然后在循環(huán)泵的帶動(dòng)下輸送至熱泵機(jī)房，在這里熱泵機(jī)組完成熱量提取，最后礦井水被排至二級(jí)沉淀池下游。各個(gè)系統(tǒng)的熱泵機(jī)組集中設(shè)置在工業(yè)場(chǎng)地的熱泵機(jī)房?jī)?nèi)。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)流程圖Fig．1 Flow chart of water source heat pump system

3．2 熱泵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）井口防凍系統(tǒng)

井口防凍系統(tǒng)要求的溫度較低，最終進(jìn)風(fēng)溫度不小于2℃即可滿足要求。采用37℃的熱水加熱新風(fēng)，這樣既能減少能源消耗，又可滿足井口防凍的要求。在滿足井口防凍要求的前提下，由于離心機(jī)組的能效比遠(yuǎn)高于螺桿機(jī)組，所以充分考慮系統(tǒng)效率，本方案選擇3臺(tái)離心式水源熱泵機(jī)組，其中一臺(tái)機(jī)組作備用。離心式熱泵機(jī)組礦井水側(cè)的供出水溫度為10／5℃，供暖循環(huán)水側(cè)的供回水溫度為40／35℃。

采用礦井水余熱實(shí)現(xiàn)井口防凍，空氣加熱室內(nèi)的末端散熱器需進(jìn)行改造。主、副井的空氣加熱室內(nèi)設(shè)備拆除，安裝9臺(tái)65 000m3／h低溫水工業(yè)熱風(fēng)器（主井3臺(tái)，副井6臺(tái)）。改造過(guò)后的設(shè)備，將室外空氣溫度－18．4℃加熱后，溫度升高至15℃以上。因?yàn)榧訜岷蟮娘L(fēng)溫較低，所以為滿足井口防凍的熱負(fù)荷，需增大加熱的風(fēng)量，但受風(fēng)道截面積的限制，僅采用空氣加熱室加熱的原風(fēng)道可能無(wú)法滿足井口防凍的要求，為此，可新增加風(fēng)道直接送風(fēng)至副井井口房。由于加熱風(fēng)量增大，空氣加熱室的進(jìn)風(fēng)百頁(yè)窗也需改造以增大進(jìn)風(fēng)面積。最終，經(jīng)空氣加熱室和井口房新風(fēng)機(jī)組加熱，新風(fēng)與未加熱的冷風(fēng)混合，混合后進(jìn)入井筒的新風(fēng)溫度不小于2℃。這樣在井口原有空氣加熱室改造的基礎(chǔ)上，工業(yè)熱風(fēng)機(jī)組既保證井口防凍的工藝要求，同時(shí)還可以降低工程土建投資。

2）聯(lián)合建筑供暖及制冷

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，聯(lián)合建筑總建筑面積32 232．4 m2，總供暖負(fù)荷約1 838．2kW，制冷負(fù)荷約3 223．2 kW。由于該礦的礦井排水量大，而且水質(zhì)良好，冬季可用作熱源水，夏季可用作冷卻水?？紤]到冬季聯(lián)合建筑的供暖需求，該系統(tǒng)選用半封閉螺桿水源熱泵機(jī)組提取13℃礦井水的熱量，制取45℃的供暖循環(huán)水，通過(guò)供暖循環(huán)水在末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合建筑供暖。冬季水源熱泵機(jī)組的熱源側(cè)的供回水溫度為10／5℃，供熱循環(huán)水側(cè)的供回水溫度為45／40℃。夏季利用礦井水冷卻制取7℃的低溫冷凍循環(huán)水，通過(guò)冷凍循環(huán)水在末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管中的循環(huán)實(shí)現(xiàn)建筑制冷。熱泵機(jī)組選用全熱回收型，在夏季制冷時(shí)，回收冷凝熱加熱職工浴室用水，可以滿足夏季洗浴加熱負(fù)荷，洗浴專(zhuān)用加熱機(jī)組可以停開(kāi)，充分利用廢熱資源制取洗浴熱水，可節(jié)約大量電能。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合建筑供暖及制冷，原有的采暖系統(tǒng)需改造為風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。

3）工業(yè)場(chǎng)地職工浴室洗浴熱水加熱系統(tǒng)

洗浴用水包括淋浴用水和池浴用水。淋浴供水溫度45℃，池浴供水溫度45～60℃?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料得知，每天池浴用水量約240m3，水溫60℃。每天淋浴用水量約360m3，水溫45℃。

根據(jù)熱負(fù)荷現(xiàn)狀，本方案制取洗浴熱水采用梯級(jí)加熱的方式。洗浴水先利用空壓機(jī)的余熱進(jìn)行預(yù)熱，然后儲(chǔ)存在300m3的壓風(fēng)機(jī)房的低溫?zé)崴钏渲校ㄟ^(guò)水泵輸送至熱泵機(jī)房的300m3洗浴熱水加熱箱，再利用水源熱泵機(jī)組將洗浴水循環(huán)加熱至45℃或以上。加熱好的熱水根據(jù)需要直接供至聯(lián)合建筑的地下水箱內(nèi)，聯(lián)合建筑的原有淋浴系統(tǒng)無(wú)需改造，只需簡(jiǎn)單改造池浴水供水系統(tǒng)。

通過(guò)和現(xiàn)場(chǎng)溝通，了解到如下情況：通過(guò)調(diào)整工作流程，可利用45℃的熱水滿足池浴的要求，池浴水將不需要由45℃加熱至60℃，將節(jié)約大量的能源。為此，方案建議通過(guò)調(diào)整工作流程，使用45℃的熱水滿足池浴的要求。

4）工業(yè)場(chǎng)地采暖系統(tǒng)

該礦工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域現(xiàn)有采暖面積為142 420．54 m2，預(yù)計(jì)未來(lái)增加58 267．41m2，合計(jì)采暖面積為200 687．95m2?，F(xiàn)有建筑中包括辦公室、值班室等供暖要求較高的場(chǎng)所，也有大部分供暖要求不高的空間。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，已建工程采暖負(fù)荷為8．5 MW，選煤廠采暖負(fù)荷為2．6MW，去除聯(lián)合建筑采暖負(fù)荷，合計(jì)采暖負(fù)荷為9．3MW。系統(tǒng)選用5臺(tái)（其中1臺(tái)備用）半封閉螺桿水源熱泵機(jī)組提取13℃礦井水的熱量，制取55～65℃的供暖循環(huán)水，冬季供全礦建筑供暖。

5）礦井水處理系統(tǒng)

礦井排水含有大量的雜質(zhì)顆粒，為滿足機(jī)組的需求，礦井排水進(jìn)入機(jī)組之前，先經(jīng)過(guò)粗效過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，再經(jīng)過(guò)自清洗過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，使進(jìn)入機(jī)組的雜質(zhì)顆粒小于1mm。礦井水循環(huán)泵房設(shè)置在礦井水沉淀池附近。

過(guò)濾器工作原理如圖2所示：未處理的礦井水進(jìn)入過(guò)濾器，水中的雜質(zhì)沉積使濾網(wǎng)進(jìn)出水側(cè)產(chǎn)生壓差，壓差開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水口壓差變化值，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電控器輸出控制信號(hào)發(fā)出動(dòng)作指令：首先電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)除污刷旋轉(zhuǎn)，完成清洗濾芯，然后控制閥起作用打開(kāi)排污閥排污，整個(gè)清洗過(guò)程持續(xù)數(shù)十秒，接下來(lái)會(huì)進(jìn)入下一個(gè)過(guò)濾工序。此清洗過(guò)程揚(yáng)程損失約1%，流量損失3%，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 自清洗過(guò)濾器原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Self－cleaning filter principle and structure diagram

4 結(jié)論

利用水源熱泵技術(shù)，開(kāi)發(fā)利用這些礦區(qū)的地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)了供暖、洗浴、制冷等多種功能，該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為燃煤系統(tǒng)的1／3左右，年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用381．5萬(wàn)元。地?zé)豳Y源的綜合化應(yīng)用，既有助于礦井的安全生產(chǎn)，減輕礦井熱害，改善井下工作環(huán)境，又有利于改善礦區(qū)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染和增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，帶動(dòng)以余熱資源利用為龍頭的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)綠色礦區(qū)建設(shè)。

［1］ 周 靜，劉錫明，張國(guó)華．黑龍江省煤礦高溫?zé)岷Ψ治黾胺乐未胧跩］．中國(guó)礦業(yè)，2009，18（5）：104－106，109．

［2］ 舒孝國(guó)，肖福坤 ．深部礦井內(nèi)熱源分析［J］．煤炭科技，2006（7）：105－107．

［3］ 余恒昌 ．礦山地?zé)崤c熱害治理［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：37－40．

［4］ 袁東升 ．礦山熱災(zāi)害防治［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：98－99．

［5］ 許光泉，王偉寧，張海濤．淮南礦區(qū)深部熱害分析及熱水資源化研究［J］．中國(guó)煤炭，2009，35（10）：114－116，132．