空气能配合太阳能热水系统在煤矿的应用分析

陈文波

（山西高平科兴平泉煤业有限公司，山西 晋城 048400）

平泉煤业有限公司针对公司现有燃煤、燃气锅炉运行成本进行核算对比后，发现使用成本费用较大，能源消耗严重，且人员操作使用上存在很大安全隐患，如何能利用现有资源，在保证安全的原则上，来降低成本，成为了高平科兴平泉煤业一直研究的重点问题。经过长期研究，人们开发出了空气能配合太阳能热水系统装置来代替锅炉，把空气能应用到生产生活中，实现了绿色安全、低碳、环保。根据企业24h三班倒工作制特点，在规定时间内制取一班员工足量的洗浴热水，确保工人下班后洗个热水澡，轻松舒适休息。

1 高平科兴平泉煤业采暖洗浴系统现状及问题

高平科兴平泉煤业2017年清洁能源改造中，煤改气就占据了较大比例。突进的“煤改气”工程导致了天然气荒、气源紧张、基础设施不完善等一系列问题，这使得高平科兴平泉煤业采暖洗浴得不到及时保障，天然气的超常增长打破了供需平衡，使天然气价格上涨，后期燃气费用较高，负担大。政策的限制、未统筹的天然气总量、未规划各地天然气分配导致了在落实“宜电则电、宜气则气”政策时，不够科学，不够精准。主要问题如下：

（1）天然气属于化石能源，非可持续再生能源，天然气的燃烧会产生氮氧化合物的排放，大量使用会导致雾霾治理达不到预期的效果。

（2）天然气资源相对短缺，不能及时保证供暖需求。

（3）天然气在使用过程中，人员操作存在安全隐患，容易造成燃气泄漏、爆炸等。

2 具体设计思路

高平科兴平泉煤业春、夏、秋利用太阳能来制造热水满足职工洗浴，冬季可利用空气能制造热水来满足职工洗浴。在实际设计作业中，主要本着下列思路进行：

（1）应本着在尽量少占用永久性建筑空间的基础上，实现高效节能、安全环保，进行自动化、智能化控制，实现无人值守。

（2）充分发挥空气能配合太阳能热泵系统优势，最大程度降低运行费用，保证终端使用到恒温舒适的清洁热水。

（3）可在建筑物顶层或相关室外平台来安放热泵热水机组，省去设备专用锅炉房，这样可使设备结构完全达到水电分离，更好地保障安全生产。

3 空气能热水泵工作原理

对于空气能热水泵而言，其主要以空气加电这种清洁可再生原料为能源基础，这样不仅不会产生危害人体健康的气体，而且有助于缓解温室效应及大气污染。

热泵技术是基于逆卡诺循环原理，热泵所起的作用主要为从其四周环境中吸取空气能、地热以及太阳能等热量，并把吸取的这些热量顺利传至待加热对象。图1为热泵实际工作原理示意图。

图1 热泵工作原理示意图

热泵工作过程中，会借助蒸发器来吸收环境介质中贮存的各种能量QA；同时热泵自身工作也会消耗部分能量，在这些消耗的能量中有一些能量转化为热能QB；当热泵进行循环作业时，释放在冷凝器中的能量QC为QA与QB之和，对此，可知热泵输出的能量不仅包括机组做功产生的热能QB，而且还包括热泵在环境中实际吸收的热量QA；因此，采用热泵技术可起到大幅节约电能的效果。图2为热泵的实际节能原理图。

图2 热泵实际节能原理图

如TFS-SKR840（S）机组，在热泵系统实际输入功率为8.25kW，热泵四周环境温度20℃左右的情况下，实际输出的制热功率可达到36kW左右，表明热泵在工作过程中有很多热能都是从四周环境中吸收的，这部分热能都为免费热能。在此过程中，系统仅仅只消耗了8.25kW的电能，却等同于采用传统加热方式36kW/0.95=38kW的输入功率热水器实际完成的工作，这样以来，系统的能效系数则为COP=36/8.25=436%，能效效果较好。

4 设备选型计算

根据平泉煤业实际洗浴情况：设计淋浴用热水40m3/d，设计蓄热水箱容量30t+10t，利用太阳能制取淋浴用热水20m3，淋浴每天热水总量40t，按照春夏秋设计，生活热水设计温度50℃，自来水温度：冬季8℃，春秋10℃，夏季15℃，热泵工作时间12～20h，冬季室外计算温度-15℃。

4.1 热水热负荷

若自来水温度按照10℃计算，热水按照50℃，则可用下式来计算每天的实际热水热负荷情况：

式中：

Q-实际热负荷量，kW·h；

V-热水量，L；

c-水的比热，可取为1kcal/(L·℃)；

tr-热水温度，℃；

tl-冷水温度，也就是普通的自来水温度，℃。

4.2 机组选型，台数的计算

选用空气源热泵热水机组DKS-1800-(S)D，该机组在名义工况下，可制得78kW的热量。若让该机组在名义工况下连续工作10h（机组每天实际工作时间应小于等于20h），则应需要的机组数量为：

式中：

N-机组数量，单位为台；

Q-热负荷量，kW·h；

T-名义工况下机组的实际运行时间，h；

W-名义工况下，机组正常运行时的实际制热量，kW。

4.3 工作时间的校订

式中：

Ts-名义工况下机组实际运行时间，h；

Q-热负荷量，kW·h；

N-机组数量，台；

W-名义工况下机组实际制热量，kW。

用3台DKS-1800-(S)D空气源热泵热水机组，完全可满足使用热水的要求。

5 加热系统配置说明

图3 加热系统水路示意图

该系统采用机组直接对蓄热水箱循环加热的方式进行加热，达到设定温度后机组停止运行。系统采用了先进的高低水位继电器配合温控系统来进行定温定量补水（见图3）。在水箱底部温度比50℃高时（此温度可调节），也就是在水箱液位系统存在较大的存水空间的情况下,自动启动补水泵，开始进行补水作业；当水箱底部温度比45℃低时，补水泵停止工作，不再进行补水作业，以确保供水系统水温始终恒定，保证24h全天候、多点、同时即开即用。

6 结语

改造后的热水系统，不仅能节约大量电能，而且能实时提供更充足的热水，在为企业降低生产成本的同时，能更好地保障职工的安全舒适洗浴，此项设计值得推广与应用。