1、1双水源热泵系统方案设计的应用摘要：通过双水源热泵技术，将不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能，从而回收电厂冷却水、矿井排水中的热能，以满足建筑采暖、设备防冻及职工浴室洗澡热水的需求，是一种节能、环保技术。 关键词：双水源热泵系统；电厂冷却水；矿井排水；节能 中图分类号：TH3 文献标识码：A 文章编号： 引言： 煤矿工业广场地面建筑（办公楼、生产系统、职工宿舍、食堂等）的供暖、井筒防冻及职工浴室洗澡热水需要消耗大量的热能，传统做法是通过燃煤锅炉提供热源以满足上述要求。这样，不仅消耗大量煤炭，而且煤炭燃烧时排放大量污染物造成环境污染。 矿井排水和坑口电厂冷却水，其水量大，蕴含热量大，以前这
2、部分热能没有被利用。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的装置。通过一种新型的热泵技术完全可以回收这部分“废热” ，从而满足工业广场地面建筑采暖、井筒防冻及加热职工浴室洗澡热水的需求，实现煤矿不燃煤，取消燃煤锅炉，减少大气污染。 通常情况下，热泵机组的 COP 值制热工况时可达 1:4.4，整个系统2（包括辅助设备等）的 COP 值制热工况时接近 1:4，热泵系统的效率高、运行费低，设备投资回收期短；同时，热泵系统无任何污染物排放，符合环保要求。 1. 双水源热泵系统方案设计 本系统以电厂冷却水和矿井排水双水源为热泵系统取热源，热源温度范围可以在 7
3、50之间变化，系统中采用高温热泵机组和低温热泵机组优化匹配，系统可以同时输出 7080高温热水、4055中温热水和 712空调冷水。 1.1 冬季运行方案 冬季，该系统用于提供散热器采暖、中央空调采暖、井筒防冻、供洗浴热水。 冬季常规运行流程 电厂正常发电时，电厂冷却水为首选热源，高温热泵机组和低温热泵机组两级提取电厂冷却水热能。 水源侧： 从电厂冷凝器出来的 2040左右电厂冷却水首先进入高温机组，被高温热泵机组提取热量后变成 1530左右的热水，再进入低温热泵机组，被提取热量后电厂冷却水回到电厂冷却塔水池。 用户侧： 高温热泵机组输出 6080高温热水，高温热水分两个系统，一个系统和原散热
4、器采暖系统连接供冬季采暖，一个系统和生活热水箱连接，加热生活热水。 3和原散热器采暖系统连接的高温热水系统采用串联方式进入两台热泵机组，系统供回水温差设计 10与原采暖系统匹配。 和洗浴热水水箱联接的高温热水系统也采用高温热泵机组供水串联的方式，这样循环水泵流量可以减小一半，相应水泵电机功率减小一半，节能。 普通低温热泵机组输出 4055低温热水，低温热水进入风机盘管末端中央空调系统与井筒防冻末端系统，由于水源温度高，热泵机组效率可以达到 5.0 以上。 冬季非常规运行流程 当电厂发电较小、室外温度很低时，电厂冷却水温度降低到 20 度左右，可采用备用方案运行, 此时为电厂冷却水和矿井排水双水
5、源运行。 水源侧：电厂冷却水、矿井水双水源运行。 高温热泵机组使用电厂冷却水为热源，电厂冷却水进入高温热泵机组换热后，水温降低低于矿井水，直接回到电厂冷却塔水池； 普通低温热泵机组使用矿井排水为热源，矿井排水直接进入低温热泵机组换热。 用户侧：高温热泵机组输出 6080高温热水，高温热水分两个系统，一个系统和原散热器采暖系统连接供冬季采暖，一个系统和生活热水箱连接，加热生活热水。 1.2 夏季运行方案 该系统提供中央空调冷源和生活热水热源。 夏季常规运行流程 4矿井排水为首选热源，此时为矿井排水单水源运行流程，基于水环热泵原理，利用矿井排水蓄水池为载体，夏季将空调冷凝热回收用于生活热水加热。
6、水源侧：从矿井排出 20左右矿井水首先进入制冷工况的普通低温热泵机组冷凝器，吸收冷凝热后变成 30左右的低温热水，低温热水进入高温热泵机组，被高温热泵机组回收低温热泵机组放出的冷凝热后水温降低，回到水池。 用户侧：普通地位温热泵向矿井水放热，输出 712空调冷冻水，空调冷冻水进入风机盘管末端中央空调系统，由于冷凝温度为 20左右的低温矿井水，热泵机组效率很高，可以达到 5.0 以上。 高温热泵提取已经吸收了空调冷凝热的矿井水，输出 7080高温热水加热生活热水。 夏季非常规运行流程 此时为电厂冷却水和矿井排水双水源运行流程。 由于夏季电厂冷却水水温更高，可以达到 45左右，如果直接提取电厂冷却
7、水加热生活热水，则更加节能，为此系统设计了双水源运行工况。 水源侧：从电厂冷凝器出来的 45左右电厂冷却水进入高温机组，被高温热泵机组提取热量后回到电厂冷却塔水池。 从矿井中出来的 20左右矿井排水，直接进入普通热泵机组，吸收普通热泵机组冷凝热后回到矿井水池。 用户侧： 5高温热泵提取电厂冷却水废热，输出 7080高温热水加热生活热水。 普通地位温热泵向矿井水放热，输出 712空调冷冻水，空调冷冻水进入风机盘管末端中央空调系统，由于冷凝温度为 20左右的低温矿井水，热泵机组效率很高，可以达到 5.0 以上。 1.3 春秋季 过渡季节，电厂冷却水水温较高，一般 40左右，系统只用于加热生活热水，
8、运行方式简单，所以只考虑电厂水单水源运行。 水源侧： 从电厂冷凝器出来的 40左右电厂冷却水进入高温机组，被高温热泵机组提取热量后回到电厂冷却塔水池。 用户侧：高温热泵提取电厂冷却水废热，输出 7080高温热水加热生活热水。 1.4 总体方案系统切换 整体方案原理如图 1.1，整个系统要实现以上功能，必须设计运行转换阀门，运行切换方式如下： 冬季：运行方式一：阀 1、4、9、11 开 ，阀2、3、5、6、7、8、9、10 关，用电厂水 运行方式二：阀 1、3、4、7、8 开 ，阀 2、5、6、9、11 关 低温机组水池水，高温机组用电厂水。 夏季：运行方式一：阀 2、5、6、8 开，阀1、3、
9、4、7、9、10、11 关 用水池水（运行方式一） 6运行方式二：阀 2、3、4、8、10 开 ，阀 1、5、6、7、9、11 关 低温机组水池水，高温机组用电厂水（运行方式二） 春秋季： 阀 3、4 开 ，阀 1、2、5、6、7、8、9、10、11 关 用电厂水。 图 1.1 双水源热泵系统总体方案原理 2. 双水源热泵系统的应用 邯郸矿业集团云驾岭矿通过热泵技术，回收电厂冷却水、矿井排水中的热能，将不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能，满足广场地面建筑采暖、井筒防冻及加热职工浴室洗澡热水的需求，减少煤炭消耗，是一种节能、环保技术。 云驾岭煤矿是一座生产能力 157 万吨/年的现代化无烟
10、煤大型矿井，矿井排水量丰富。邯郸矿业集团云电厂与云驾岭矿只有一墙之隔，装备2 台 50MW 的发电机组，冷却水水温高，水量大。 云驾岭矿矿井排水量为 9000m312000 m3/d，水温 1820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：9000/20450 m3 /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=1.163L(T1-T2)=1.163450(18-8)=5233 kW 7式中： Q 冬季冬季矿井水换热量，kW T1冬季矿井水温度为 T2冬季矿井水温度为 L 矿井水量，m3 /h。 夏季水温按 20，吸取
11、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=1.163L(T2-T1)=1.163450(35-20)=7850 kW 式中： Q 夏季夏季矿井水换热量，kW T1夏季矿井水温度为 T2夏季矿井水温度为 L 矿井水量，m3 /h。 云宁电厂水温一般在 2040左右，循环水量为 4000m3 /h5000m3 /h，由于电厂冷却水温较高，所以只能冬季供热使用，而且水温变化大，要求废热回收机组能适应这种大的水源温度变化。 平均按 30水温计算，提取热量后的水温度为 8，则可以从电厂冷却水中提取的热量为： Q 电厂=1.163L(T2-T1)=1.1634000(30-8)=102
12、344 kW Q 电厂夏季矿井水换热量，kW T1夏季矿井水温度为 T2夏季矿井水温度为 L 矿井水量，m3 /h。 8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： 冬季供热能力 Q热泵机组输出热负荷 COP水源热泵机组制热能效比 4.5 冬季供热面积指标按 60W/m 计算，折合供热面积为： 1383130.06=2305217 m2 即可供 23 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： 138313203600120292711000=40826 吨标准煤 夏季制冷能力 Q热泵机组输出冷负荷 COP水源热泵机组制冷能效比 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=65420 m2 即可供 6.5 万 m2 建筑的空调。 9由上面计算可知，煤矿电厂冷却水、矿井排水热能储量巨大，假如这部分热能回收利用一半，可以节约标煤数千万吨，可有效减少 CO2 和SO2 的排放量，有非常广阔的推广前景。 参考文献： 1城镇供热管网设计规范 CJJ 34-2010. 2现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范GB50236-98. 3城市热力网设计规范CJJ34-90 .
