張禮靜， 常德化， 徐　越

（1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島266590）

?

礦井中冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用分析

張禮靜1， 常德化2， 徐越2

（1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島266590）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的3種布置方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究和分析，提出了新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分散制冷，集中回?zé)?，能夠有效回收和再次加以利用井下無用的熱量，該技術(shù)應(yīng)用于某一礦井中降低了1.4~1.8倍的冷量損失，提升了2.33倍熱能綜合利用率，整體上也節(jié)約了前期投資費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)； 分散制冷； 集中回?zé)幔?熱能綜合利用

0　引言

隨著礦井開采深度的增加以及綜合機(jī)械開采能力的提高，礦井熱害越來越嚴(yán)重，對(duì)井下作業(yè)人員的身體健康和生命安全造成很大影響[1]。由于非人工制冷技術(shù)的局限性，冷水降溫空調(diào)制冷成為礦井熱害治理的主要手段[2]。目前人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)做了大量的研究，取得了豐碩的成果。陳平[3]研制了壓縮空氣供冷的新型礦井空調(diào)系統(tǒng)；何其愚[4]為錫卡房1600平臺(tái)深部開拓掘進(jìn)巷道的高溫問題提出了有效的空調(diào)降溫方案；楊建榮[5]、端木琳[6]、龍惟定[7]、唐興亮[8]、劉懷燦[9]等從節(jié)能和空氣品質(zhì)優(yōu)化方面對(duì)冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)做了進(jìn)一步的完善。但是，隨著礦井深度的增加以及國(guó)家對(duì)節(jié)能減排要求的進(jìn)一步提升，冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)在分散制冷減少冷損和集中供熱增加熱能綜合回收利用效率方面有待進(jìn)一步的提高。

1　傳統(tǒng)冷水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)

礦井空調(diào)系統(tǒng)是由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個(gè)環(huán)節(jié)所組成。目前有井上集中式空調(diào)系統(tǒng)、地面集中式空調(diào)系統(tǒng)、井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)。礦井空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是利用制冷機(jī)制出冷水，通過管道輸送到用冷地點(diǎn)，然后通過空冷器將冷量傳給風(fēng)流，達(dá)到制冷降溫的目的。目前國(guó)內(nèi)外常見的冷凍水供冷、空冷器冷卻風(fēng)流的礦井集中空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。

三種空調(diào)系統(tǒng)的降溫特點(diǎn)如下：

（1）井上集中式

冷源：采用制冷機(jī)在地面制成低溫冷水。

輸冷：低溫冷水通過保溫管路沿井筒送到井下的高低壓換熱器，通過高低壓換熱器轉(zhuǎn)化為低壓冷凍水，輸送到各用冷地點(diǎn)。

散冷：在采煤工作面的進(jìn)風(fēng)巷放置空冷器，降低進(jìn)風(fēng)溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：地面通過冷卻塔排放。

（2）井下集中式

冷源：井下建制冷硐室，安裝制冷機(jī)組，制成冷凍水。

輸冷：冷凍水通過保溫管路輸送到各用冷地點(diǎn)。

散冷：在采煤工作面的進(jìn)風(fēng)巷放置空冷器，降低進(jìn)風(fēng)溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：通過井筒的兩排管路到地面的冷卻塔排放。

（3）井上、下混合式

冷源：地面、井下同時(shí)設(shè)置制冷站，制成冷凍水。

輸冷：冷凍水通過保溫管路輸送到各用冷地點(diǎn)。

散冷：在采煤工作面的進(jìn)風(fēng)巷放置空冷器，降低進(jìn)風(fēng)溫度。工作面上布置小型空冷器。

冷凝熱的排放：通過井筒的兩排管路到地面的冷卻塔集中排放。

三種傳統(tǒng)冷水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)的降溫特征比較見表1。

2　新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的研究

2.1新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的提出

隨著礦井開采深度的增加，礦井風(fēng)流的溫度越來越高，一方面給礦井的安全生產(chǎn)帶來了重大的隱患；另一方面，由于礦井地下蘊(yùn)含巨大的熱能，可以通過一系列的措施，將能量提出，輸送到井上，供淋浴、取暖等使用，綜合考慮傳統(tǒng)冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合以上兩個(gè)方面，提出新型冷水降溫空調(diào)及熱能綜合利用系統(tǒng)，如圖2所示。

表1　三種傳統(tǒng)冷水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及特征

該系統(tǒng)采用井下分散降溫，集中回?zé)岬姆绞剑丛谟美涞牟擅汗ぷ髅婧途蜻M(jìn)工作面，分別布置制冷機(jī)，制冷機(jī)制取低溫冷水，送到工作面的換熱器中，冷卻水集中通過管路與井下的高低壓換熱器進(jìn)行換熱，高低壓換熱器與地面的冷卻塔和板式換熱器相連，排除熱量。

夏季，通過該系統(tǒng)能制取低溫冷水，供工作面使用，同時(shí)大量的熱量，一部分通過冷卻塔排掉，一部分可以通過換熱器供工人洗澡等生活熱水使用。冬季，把空冷器放置到回風(fēng)巷中，利用該系統(tǒng)提取回風(fēng)熱量，通過高低壓換熱器為地面提供熱水。當(dāng)外界環(huán)境溫度不是很低時(shí)，不需要開啟熱泵系統(tǒng)，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，啟動(dòng)熱泵系統(tǒng)，為井口及用戶提供足夠的熱量。

該系統(tǒng)具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)

（1）分散式制冷，制冷機(jī)與工作地點(diǎn)較近，輸送過程的冷損小，能提高其利用率。

（2）冷卻水集中回水，管路不需要保溫。

（3）冬季能用該系統(tǒng)提取礦井回風(fēng)的熱量，同時(shí)井筒中的兩條管路能均勻加熱井筒的空氣，防止井筒結(jié)冰。

3　工程實(shí)踐

某礦平均地溫梯度為1.9℃/100m，屬地溫梯度正常區(qū)。煤礦的開采水平為-1100m，由于開采深度過大，加上設(shè)備容量大（面內(nèi)裝機(jī)容量為2330 kW），導(dǎo)致夏季井下熱害問題特別突出。該礦西軌運(yùn)輸大巷的通風(fēng)距離達(dá)到1300m以上，巷道斷面積22.6m2，平均溫度33.5℃，圍巖溫度34℃，個(gè)別地點(diǎn)接近35℃，濕度系數(shù)0.25（迎頭底板有積水，濕度系數(shù)取0.3）；選用800mm的單層風(fēng)筒進(jìn)行通風(fēng)，需風(fēng)量約350m3/min，其中風(fēng)筒百米漏風(fēng)率取1.5%，風(fēng)筒傳熱系數(shù)為6.73W/m2·℃。風(fēng)流進(jìn)風(fēng)干球溫度為31℃，濕球溫度29.6℃，相對(duì)濕度為92%，風(fēng)機(jī)功率為120kW，每班工作人數(shù)18人。

僅靠原有的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)降溫已經(jīng)不能滿足礦井安全生產(chǎn)的需求，因此必須采用機(jī)械降溫技術(shù)對(duì)該礦井進(jìn)行降溫。經(jīng)專家勘測(cè)和核算，結(jié)合格拉索冷凍系統(tǒng)（上海）有限公司提供的降溫設(shè)備資料對(duì)該礦井?dāng)M采用的4種降溫方式，即井上集中式空調(diào)系統(tǒng)、地面集中式空調(diào)系統(tǒng)、井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)及新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了初步估算分析。分別從裝機(jī)功率的選擇、工程投資、年運(yùn)行費(fèi)用、輸送線路長(zhǎng)度、冷損比例、熱能的綜合利用、系統(tǒng)的可靠性、承壓性、排熱效果、擴(kuò)容性、負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能、井底車場(chǎng)占用的空間、采掘影響13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了比較，得到相應(yīng)的指標(biāo)值，見表2。

表2　四種冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)的指標(biāo)

通過表2可以看出，在滿足同等情況的降溫效果作用下，采用新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)降溫設(shè)備功率的要求上、投資費(fèi)用方面有一定程度的降低，對(duì)冷量的損失方面有1.4~1.8倍的降低，熱能的綜合利用方面提升至原來的2.33倍。

4　結(jié)語

針對(duì)冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)在礦井降溫過程中存在冷損大、熱能回收利用低、經(jīng)濟(jì)效益不夠理想等缺點(diǎn)和不足，新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)既繼承了其降溫、熱能回收于一體的優(yōu)良特點(diǎn)，還改進(jìn)了其不足。為驗(yàn)證其熱能回收效果和經(jīng)濟(jì)效益，從理論上對(duì)某一礦井分別應(yīng)用該新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的3種冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合礦井降溫和熱能利用技術(shù)的13個(gè)指標(biāo)，得出了相應(yīng)的指標(biāo)值，其結(jié)果在滿足相同降溫效果的前提下，新型冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)降低冷損，提升了熱能有效回收率，節(jié)約了運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗德俊，常德化，曹毅，等.新型礦用降溫除濕設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2016，35（3）：238，239.

[2]吳麗麗，羅新榮，李浪.高溫礦井空調(diào)制冷技術(shù)概況及發(fā)展 [J].制冷與空調(diào)，2012，26（1）：97~100.

[3]陳平.采用壓氣供冷的新型礦井集中空調(diào)系統(tǒng) [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31（3）：1~3.

[4]何其愚，余慶華，王文科等.金屬礦井深部開拓空調(diào)通風(fēng)降溫的研究[J].有色金屬（礦山部分），2009，61（1）：65，66.

[5]楊建榮，李先庭，彥啟森，等.個(gè)性化送風(fēng)波動(dòng)對(duì)熱感覺和室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（10），1405~1407.

[6]端木琳，舒海文.工位空調(diào)送風(fēng)氣流微環(huán)境評(píng)價(jià)[J].暖通空調(diào)，2004，34（12），7~9.

[7]龍惟定.建立適應(yīng)建筑節(jié)能的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)機(jī)制[J].暖通空調(diào)，2008，38（10），48~52.

[8]唐興亮，唐中華.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行自動(dòng)控制的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào)，2015，29（6），725~728.

[9]劉懷燦，張龍愛.全熱回收型空氣源熱泵冷（熱）水機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2016，16（1），21~24.

修回日期：2016-04-14

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.018

中圖分類號(hào)：TD727

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）02-0079-03

作者簡(jiǎn)介：張禮靜（1994-），女，山東棗莊人，本科，工學(xué)學(xué)士，主要從事制冷空調(diào)相關(guān)技術(shù)研究工作。

收稿日期：2016-03-22

Study of Cold Water Cooling Air Conditioning System of Mine and Application Analysis

ZHANG Li-jing1， CHANG De-hua2， XU Yue2
（1.College of Civil Engineering and Building，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：Research and analysis on the advantages and disadvantages of 3 kinds of arrangement modes of the traditional cold water cooling air conditioning system.This paper presents a new type of cold water cooling air conditioning system. The system uses distributed refrigeration，centralized heat recovery to be able to effectively recycle and recycle the unused heat in the mine.The technology is applied in a mine to reduce the loss of 1.4~1.8 times of the cold and increase the comprehensive utilization of heat energy 2.33 times.In addition，the overall savings of the upfront investment costs.

Key words：air conditioning system； dispersion refrigeration； concentration regenerative； heat integration