楊靜

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015）

空氣源熱泵熱水器在露天煤礦熱水供應(yīng)工程中的應(yīng)用

楊靜

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015）

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)空氣源熱泵熱水器及電加熱熱水鍋爐進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，體現(xiàn)空氣源熱泵熱水器在礦區(qū)熱水供應(yīng)工程中的優(yōu)越性和適用性。

新能源技術(shù)；空氣源熱泵熱水器；技術(shù)原理；環(huán)保節(jié)能；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

露天煤礦行政福利區(qū)熱水供應(yīng)一般由區(qū)域燃煤鍋爐房解決，礦區(qū)熱水供應(yīng)負(fù)荷具有全年間歇運(yùn)行的特點(diǎn)。現(xiàn)由于加大了環(huán)保執(zhí)法力度[1-2]，燃煤鍋爐房紛紛改造，因燃油、燃?xì)饧爸苯佑秒娂訜嶂迫崴某杀具^(guò)高，對(duì)于礦區(qū)燃煤鍋爐，不是可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)久之計(jì)。近年來(lái)，隨著可再生能源的推廣及利用，以太陽(yáng)能為熱源的熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但由于我國(guó)太陽(yáng)能資源在地區(qū)上分布存在較大差異，南方大部分地區(qū)全年的日照率不足50%，這就意味著全年利用太陽(yáng)能熱水器的時(shí)候，有很大一部分熱量是來(lái)源于電加熱或其它輔助加熱，故利用太陽(yáng)能來(lái)制取熱水具有一定的局限性。空氣源熱泵熱水器作為先進(jìn)、成熟的新能源技術(shù)[3-5]，利用少量電力驅(qū)動(dòng)做功，能從自然界的空氣中獲取低品位熱能，輸出高品位熱能，既環(huán)保又節(jié)能，在礦區(qū)非采暖季的熱水供應(yīng)工程中廣泛應(yīng)用。

1 空氣源熱泵熱水器

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

空氣源熱泵熱水器由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥（節(jié)流裝置）、蒸發(fā)器等熱力設(shè)備組成。制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器中依次進(jìn)行壓縮、放熱冷凝、節(jié)流和吸熱蒸發(fā)4個(gè)主要熱力過(guò)程，從而完成制熱循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱介質(zhì)的加熱效果[6]。

熱泵的性能一般用能效比（COP）來(lái)評(píng)價(jià)。能效比是熱泵系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制熱量和輸入功率的比值。通?？諝庠礋岜玫哪苄П?.8～4.5，熱泵機(jī)組運(yùn)行能效由其實(shí)際運(yùn)行工況決定。

1.2 工藝流程

空氣源熱泵熱水機(jī)組通過(guò)壓縮機(jī)做功，使工質(zhì)產(chǎn)生相變，在往復(fù)循環(huán)相變的過(guò)程中，通過(guò)蒸發(fā)器不斷從室外空氣中吸收熱量，通過(guò)冷凝器不間斷地釋放熱量，使冷水逐漸升溫，制取的熱水經(jīng)保溫水箱貯存，通過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)供給末端用戶。當(dāng)保溫水箱內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空氣源熱泵熱水機(jī)組停止工作，水泵停止，制熱循環(huán)結(jié)束；當(dāng)保溫水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，水泵啟動(dòng)，空氣源熱泵熱水機(jī)組啟動(dòng)，制熱循環(huán)開(kāi)始工作；當(dāng)保溫水箱內(nèi)水位低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟水閥，通過(guò)自來(lái)水自動(dòng)補(bǔ)給；回水管溫度低于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)回水管溫度高于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)閥常閉，不予回水。

1.3 優(yōu)點(diǎn)

1）環(huán)保節(jié)能。機(jī)組從空氣中獲得大量的熱能，所耗電能僅為壓縮機(jī)用于搬運(yùn)空氣、陽(yáng)光能源時(shí)所需的能量，因此制取等量的熱水，其用電量是傳統(tǒng)電熱水器的25%左右，可節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用。

2）安全可靠。機(jī)組使用電力但并不利用電力直接加熱的供熱設(shè)備。因?yàn)椴皇褂秒娏χ苯蛹訜?，電流和淋浴用水完全隔離，安全系數(shù)進(jìn)一步提高，不存在電熱水器、燃?xì)鉄崴魇褂弥兴嬖诘囊子|電、易燃、易爆、易中毒等安全問(wèn)題。

3）全天候使用。機(jī)組運(yùn)行不受陰、雨、雪等惡劣天氣的影響，24 h全天候使用。

4）長(zhǎng)久耐用。機(jī)組安全性高，壓縮機(jī)具有欠電壓保護(hù)，過(guò)電流、過(guò)熱保護(hù)，高低壓力保護(hù)，壓縮機(jī)能長(zhǎng)期在制熱工況下工作，機(jī)組壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類(lèi)型的熱水器使用壽命。

5）全自動(dòng)智能化控制。機(jī)組可采用微電腦智能化控制，全自動(dòng)智能運(yùn)行，無(wú)須人工管理，面板可調(diào)溫度和時(shí)間，各項(xiàng)參數(shù)可以在面板上直接操作和實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)全方位管理和能量可調(diào)控制。

6）應(yīng)用廣泛。廣泛應(yīng)用于家庭、工廠、學(xué)校、賓館、酒樓、醫(yī)院、美容院、洗衣店、洗浴中心及熱水需求的較大單位，提供源源不斷的生活生產(chǎn)熱水。

2 工程案例

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古東勝區(qū)興旺露天礦礦區(qū)熱水供應(yīng)工程的熱源，因環(huán)保發(fā)文對(duì)燃煤鍋爐噸位的限制，新建燃煤熱水鍋爐無(wú)法實(shí)現(xiàn)；經(jīng)調(diào)查在當(dāng)?shù)夭捎锰?yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性較差；對(duì)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)電加熱熱水鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較，并與業(yè)主溝通，確定采用空氣源熱泵熱水器+輔助電加熱系統(tǒng)的熱水供應(yīng)方式。

2.2 工程設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

該工程主要設(shè)備選型計(jì)算原則是根據(jù)用戶當(dāng)?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁?、用水情況及熱水用途等進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 礦區(qū)氣象參數(shù)

興旺露天礦所在地東勝屬于半干旱、半沙漠的高原大陸性氣候，四季分明。夏季高溫炎熱，最高溫度35.3℃，冬季最低溫度為-28.4℃；夏季日平均溫度24.6℃，采暖季節(jié)（當(dāng)年10月—次年4月）平均氣溫為6.2℃，符合空氣源熱泵應(yīng)用條件[7]。

冬季當(dāng)室外空氣側(cè)換熱盤(pán)管低于露點(diǎn)溫度時(shí)，換熱翅片上會(huì)結(jié)霜，大大降低機(jī)組運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法運(yùn)行。故為保證空氣源熱水器安全運(yùn)行且熱水供應(yīng)的可靠性，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃，空氣源熱水器停用，啟動(dòng)輔助電加熱設(shè)備，從安全角度考慮，輔助電加熱設(shè)備必須具有抗干燒和防漏電的性能。

2.2.2 熱水供應(yīng)量計(jì)算

供應(yīng)熱水量按下式計(jì)算：

式中：V為熱水供應(yīng)量，m3；qh為淋浴器熱水的用水定額，L/h；n0為淋浴器數(shù)量；Ty為用水時(shí)間，h；k為小時(shí)變化系數(shù)。

礦區(qū)公共浴室內(nèi)設(shè)40個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭用水定額為540 L/h。按照最大班次淋浴用水量確定，用水時(shí)間按1 h計(jì)，小時(shí)變化系數(shù)取1。

按式（1）進(jìn)行計(jì)算，供應(yīng)熱水量V=21.6 m3。考慮損耗，最大班次熱水供應(yīng)量為25 m3。

2.2.3 設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量

設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量[8]按下式計(jì)算：

式中：Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kW；C為水的比熱，4.187 kJ（/kg·℃）；tr為熱水溫度，℃；tl為冷水溫度，℃，取4℃；ρr為熱水密度，kg/L；b為淋浴器同時(shí)使用百分?jǐn)?shù)；T為加熱時(shí)間，s。

該礦區(qū)工作班制為3班制，每班次間隔時(shí)間為8 h。熱水供應(yīng)屬于集中定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)熱水溫度按48℃計(jì)算，加熱時(shí)間按3 h計(jì)算。

按已知數(shù)據(jù)按照式（2）進(jìn)行計(jì)算，洗浴供熱小時(shí)耗熱量為Qh=368.4 kW。

2.3 設(shè)備選型

2.3.1 熱泵主機(jī)選型

根據(jù)以上計(jì)算所得空氣源熱泵制熱量需368.4 kW。選用4套PASHW250S-V型空氣源熱泵機(jī)組。單臺(tái)機(jī)組在室外干球溫度為20℃、熱水出水溫度55℃工況下的額定制熱量為95 kW，額定輸入功率19.8 kW，機(jī)組COP達(dá)4.79，4臺(tái)機(jī)組總額定制熱量約380 kW。

2.3.2 保溫水箱選型

由于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為儲(chǔ)熱式熱水系統(tǒng)，且本系統(tǒng)采用恒溫直供熱水系統(tǒng)（37℃～48℃可調(diào)），避免冷熱水混水存在的溫度不穩(wěn)定問(wèn)題，故系統(tǒng)的恒溫水箱需滿足最大班組淋浴的溫水（37℃～48℃）用量，即有效容積不小于25 m3。該系統(tǒng)選用成品不銹鋼模壓水箱。

2.3.3 水泵選型

熱水循環(huán)泵、熱水供水泵均采用進(jìn)口品牌“德國(guó)威樂(lè)”不銹鋼管道循環(huán)泵。

1）主機(jī)加熱循環(huán)泵。額定流量Q=17 m3/h，揚(yáng)程H=15 m，功率P=1.1 kW，共5臺(tái)，4用1備。

2）熱水供水泵。額定流量Q=50 m3/h，H=32 m，功率P=7.5 kW，共2臺(tái)，1用1備。

熱水供水泵宜采用變頻恒壓供水，選用集成化一體泵組，泵組自帶膨脹罐和變頻控制柜。

2.3.4 控制系統(tǒng)

根據(jù)工程用水情況，選用空氣源熱泵系統(tǒng)專(zhuān)用控制器。

2.4 熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

2.4.1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要設(shè)備功率

熱泵機(jī)組輸入功率W1=79.2 kW，主機(jī)循環(huán)泵總功率W2=4.4 kW，熱水供水泵總功率W3=7.5 kW。用于熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)備輸入功率為：

W=W1+W2+W3=91.1 kW

2.4.2 傳統(tǒng)電加熱熱水鍋爐系統(tǒng)主要設(shè)備功率

采用1臺(tái)380 kW的電加熱熱水鍋爐代替空氣源熱泵熱水器。運(yùn)行工況同空氣源熱泵熱水器。熱水供水泵額定流量Q=50 m3/h，H=32 m，功率P= 7.5 kW，共2臺(tái)，1用1備。熱水供水泵宜采用變頻恒壓供水，選用集成化一體泵組，泵組自帶膨脹罐和變頻控制柜。熱泵機(jī)組輸入功率W′1為380 kW，熱水供水泵總功率W′3為7.5 kW。用于電加熱熱水鍋爐系統(tǒng)設(shè)備輸入功率為：

W=W′1+W′3=387.5 kW

2.4.3 運(yùn)行耗電量及每年運(yùn)行電費(fèi)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)及電加熱熱水鍋爐經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 熱水供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選

與電加熱熱水鍋爐系統(tǒng)相比，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行成本33.13萬(wàn)元。

2.5 項(xiàng)目投資回收期及效益評(píng)價(jià)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)總造價(jià)為120.4萬(wàn)元，電加熱洗浴熱水鍋爐系統(tǒng)總造價(jià)為49.2萬(wàn)元?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)年運(yùn)行成本為10.57萬(wàn)元，電加熱洗浴熱水鍋爐年運(yùn)行成本43.7萬(wàn)元，年節(jié)約運(yùn)行成本33.13萬(wàn)元。初投資回收期為2.15年。雖空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資大，但運(yùn)行期間由于其節(jié)能環(huán)保效果顯著，一般2年左右可將成本回收，且熱泵主機(jī)的使用壽命可達(dá)15年，總體經(jīng)濟(jì)效益較好。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，燃煤鍋爐噸位的限制、燃煤鍋爐煙氣脫硫脫硝等高額的環(huán)保投資費(fèi)用、電鍋爐的高額運(yùn)行費(fèi)用及燃油燃?xì)忮仩t在礦區(qū)應(yīng)用的局限性使得空氣源熱泵熱水器在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保上有很大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)大力推廣礦區(qū)可再生能源技術(shù)的應(yīng)用。

［1］GB13271—2014.鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］國(guó)務(wù)院辦公廳．大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃［EB/OL］．（2013－09－12）［2016－6－16］．http://www.gov.cn．

［3］周峰，馬國(guó)遠(yuǎn)．空氣源熱泵熱水器的現(xiàn)狀及展望［J］．節(jié)能，2006（7）：13－16．

［4］倪德良，俞善慶．新型節(jié)能熱水器－空氣源熱泵熱水器（機(jī)組）［J］．上海節(jié)能，2004（4）：29－31．

［5］黃勝文，羅清海，湯廣發(fā)．熱水器未來(lái)發(fā)展的一個(gè)主題與兩個(gè)方向［J］．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23（6）：35 39．

［6］廉樂(lè)明，李力能．工程熱力學(xué)［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999：208－209．

［7］GB 50019—2015．工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［8］GB 50015—2003．建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

【責(zé)任編輯：陳毓】

Application of air source heat pump water heater in hot water supply project of Open-pit Coal Mine

YANG Jing
（China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the engineering example,the article carried out the economic comparison on air source heat pump water heater and electric heating hot water boiler,which reflected the advantages and applicability of air source heat pump water heater in the hot water supply project of the open-pit coal mine.

new energy technology;air source heat pump water heater;technical principle;energy-saving;economics

TK123

B

1671－9816（2017）01－0080－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.022

楊靜.空氣源熱泵熱水器在露天煤礦熱水供應(yīng)工程中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：80-82.

2016-08-02

楊靜（1985—），女，陜西西安人，工程師，碩士，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司。