引言煤矿企业的工作地点普遍位于地下500 m甚至更深处，需要源源不断地补充新鲜空气。经过巷道的空气经煤矿回风井排出时，空气温度可以达到10 ℃以上，诸如此类的矿井余热资源还有很多。这些余热资源长期以来得不到合理地回收利用，不仅造成资源浪费，而且严重污染环境[1]。将这些余热资源回收利用可以解决现在大部分煤矿工业场地的井口防冻、洗浴热水和建筑采暖等用热需求，有效减少燃煤或燃气锅炉的使用[2]。应用于矿井的余热资源回收处理技术，能够针对传统的煤矿供热方式进行革新，对节能减排的实施具有重要意义。山西某磁窑沟煤矿坐落于山西省忻州市河曲县东南部偏西方向，该矿属于现代化储存矿井，其中可利用的余热资源包括矿井排风、矿井排水以及洗浴废水。将这些余热资源化再利用，可以取代现有的燃煤锅炉[3]，增加企业能源利用效率，既可以达到节能减排的目的，还可以满足当前的环保要求。1工程概况磁窑沟煤矿内主要用热负荷包括建筑物采暖、生产系统采暖和井口防冻。（1）建筑物与生产系统热负荷计算。矿井工业场地建筑全部有用热需求，根据采暖方提供的建筑物特征统计表，矿井工业场地建筑物冬季热负荷如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T001表1建筑冬季热负荷建筑名称建筑物面积/m³耗热量/W合计—2 204 780生产系统14 550794 430办公建筑车间46 9001 410 350（2）井筒防冻热负荷。磁窑沟煤矿主井目前进风量35 m³/s、副井进风量81.7 m³/s，根据《煤炭工业供热通风与空气调节设计规范》（GB/T 50466—2008）[4]及《煤矿安全规程》[5]规定，计算进风井井口冬季防冻供热热负荷为[6]：Q=L×c×ρ×(ts- tw)×k (1)式中：Q——进入风井口冬季防冻时供热热负荷，kW；L——进风井井口进风量，m³/s；c——新风进入井口时的温度下的空气比热，kJ/(kg·℃)；ρ——井下的空气质量密度，kg/m³；ts——新风进入井口时的温度，℃；tw——冬季室外井口防冻设计温度，℃；k——管网热损失系数。按上述计算，主、副井井筒防冻耗热量分别为1 221 kW和2 851 kW。分析可知，按照室外极端最低温度平均值进行计算，在确保进风温度达到2 ℃以上，井口防冻负荷合计4 072 kW。（3）总热负荷。计算磁窑沟煤矿内用热总负荷为2 204+4 072=6 276 kW。2矿井可利用余热资源2.1矿井排水余热资源磁窑沟煤矿矿井每天至少排水（含深井水）1 000 m³，水温一般不低于12 ℃。通过矿井排水多级提取利用技术，可双级提取水温降至4 ℃以下。矿井排水余热量为：Qs=c×m×∆t (2)式中：Qs——可从热源中提取的热量，kW；c——水的比热容，J/(kg·℃)；m——水的质量流量，m³/h；∆t——温差，℃。计算可得矿井水余热量为387.6 kW，在设计运行工况下，则矿井排水可提供的热量为：Qq=Qs÷(1- 1COP) (3)式中：Qq——热源提供热量Qs情况下热泵的制热量，kW；Qs——可从热源中提取的热量，kW；COP——热泵机组性能系数。高效率的水源热泵是实现低温余热综合利用的最有效设备，其供热性能系数COP可达4~5[7]，计算可得出供热量为516.9 kW。2.2矿井回风余热资源矿井回风冬季温度相对当地大气空气温度较高，据调研，本矿供暖季回风平均温度12 ℃，相对湿度85%以上。根据现场调研回风量116.7 m³/s，通过换热器取热后，余热利用提取热量后的回风温度可降至2 ℃以下。矿井回风余热量为：Q0=h1d- h2d×ρv (4)式中：h1d——冬季回风平均温度12 ℃、相对湿度85%时的焓值，kJ/kg；h2d——取热后的回风温度2 ℃、相对湿度95%时的焓值，kJ/kg；ρ——矿井回风平均空气密度，kg/m³；v——矿井回风量，m³/s。计算可得通过乏风源热泵技术可回收热量为2 649 kW。低温热源提供的热量经热泵提升温度后，输出热量Qhp计算如下：Qhp=Q0÷(1- 1COP) (5)式中：Qhp——热源提取热量Q0情况下热泵的制热量，kW；Q0——可从热源中提取的热量，kW。按照高温热泵机组的综合能效4.0得出供热量为3 532 kW。余热资源如表2所示，磁窑沟煤矿供热负荷6 276 kW，总余热量为4 225.4 kW，其热量规模不能满足该厂区供暖需求，热负荷缺口为2 050.6 kW，不足的部分由电辅热提供。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T002表2矿井余热资源余热资源余热量合计4 225.4矿井回风3 708.5矿井回水516.9kW3余热利用设计方案3.1供热系统流程通过对磁窑沟煤矿余热资源的优势分析，以及节省工程项目工程成本、灵活调节运行负荷、降低运行费用低等原则，采取矿井排风余热、矿井排水余热和电锅炉三热源供热系统。（1）矿井排风余热系统。由于矿井回风井距离热泵机房较远，故系统采用直冷式深焓取热乏风热泵技术，系统形式为：在回风井设置乏风取热室，在取热室内放置14组取热器，取热器和热泵机组之间由防冻液管路相连。系统工作流程为：防冻液在取热器中吸收井下排风热量，输送至下一级热泵机组的蒸发器内与机组内部的环保制冷剂（R22）进行换热，高温高压的环保制冷剂在热泵机组的冷凝器中放热后与下一级用户的水进行换热，每一个热交换系统都属于单独的闭式循环系统[8]。（2）矿井排水余热系统。排水余热系统利用热泵技术，直接从生活、生产废水中提取热量进行供热，以此达到热能综合利用的目的[9]。潜污泵将经过有机处理的液体污水输送至全自动刷式过滤器，经有机过滤后的液体污水直接输送进入热泵机组内部蒸发器，蒸发器内一种非常低温、无机放电和低阻力的有机制冷剂吸收入水源机组中，大部分污水热量形成一种非常低压的水蒸气。低压的冷凝制冷剂和热蒸汽又被空气压缩机挤密后转变成一种具有高温、耐腐蚀性的有机气体，继续高速流向高压冷凝器液化释放热量，用于加热供水。（3）电辅助加热系统。电锅炉加热系统内置22根电加热管，水箱内的水通过加热管循环加热达到指定温度后，由电锅炉循环泵将热水送至板式换热器，换热之后用于下一级用户供暖使用。3种热源供热系统制取出的热水进入分水器混合后通过管路统一输送至热用户，系统流程图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F001图1供暖系统流程3.2余热系统设备选型设计选用3台乏风水源热泵机组互为备用。选用1台水源热泵机组能够满足负荷要求。热泵主要技术参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T003表3热泵技术参数项目制热量/kW额定功率/kW（蒸发器进/出水）/℃（冷凝器进/出水）/℃风源热泵1 239247.015/815/8水源热泵798159.240/4540/453.3电辅热机组选型热负荷缺口为2 050.6 kW，本设计选用2台常压型锅炉，电锅炉能够满足负荷要求并且满足环保要求。电锅炉技术参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T004表4电锅炉技术参数项目参数运行水容积/m³3.6额定制热量/kW1 400输入电功率/kW1 540供/回水温度/℃85/603.4供热系统水泵选型供热系统水泵技术参数如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T005表5供热系统水泵技术参数设备名称流量/（m³/h）扬程/m功率/kW数量/台乙二醇循环泵23540452用1备潜污泵10525151用1备供热循环泵41040753用1备电锅炉循环泵13520111用1备4系统性能测试《可再生能源建筑示范项目测评导则》和《可再生能源建筑应用工程评价标准》中要求[10-11]，对供热系统的性能进行检测分析，主要包括机组的供回水温度、流量、吸热量、制热量等参数，并计算机组能效比。4.1水源热泵供暖末期由于室外温度达到-7 ℃以上，并未开启电锅炉，厂区供暖仅由水源热泵和风源热泵提供，测试数据较为准确，记录2021年3月4日12：00至3月5日12：00时段内，水源热泵性能测试结果如图2和图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F002图2水源热泵机组供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F003图3水源热泵机组制热量、吸热量测试期间热源侧供回水温差最大为3.7 ℃，最小值0.4 ℃，整体平均值为2.4 ℃。用户侧供回水温差最大值5.8 ℃，最小值1.1 ℃，整体平均值为4.0 ℃。根据供回水温差计算出的制热量、吸热量，机组制热量最高为750 kW，最低值为100 kW，机组吸热量最高值为490 kW，最低值为50 kW。热源侧和用户侧最低均出现在夜晚，原因是矿井排水的间歇性供给问题，夜晚供水不足，水源热泵机组无法满负荷运转，导致机组的吸热量和制热量大幅降低。使用超声波流量计对热泵机组热源侧、用户侧供回水管道进行流量测试，热源侧的平均供回水流量为105 m³/h，用户侧平均供回水流量为96 m³/h，总耗电量为3 143 kWh。4.2风源热泵风源热泵性能测试结果如图4和图5所示。风源热泵机组的测试时间要稍晚于水源热泵，风源热泵系统的热源虽然热源相对稳定，但供回水温差相对较低，最大值为3.9 ℃，最小值为2.6 ℃，整体平均值为2.9 ℃。用户侧供回水温差相对也比较稳定，最大值为5.1 ℃，最小值为3.6 ℃，整体平均值为4 ℃。根据供回水温差计算出的制热量、吸热量，机组制热量最高为1 100 kW，最低值为800 kW，机组吸热量最高值为810 kW，最低值为520 kW。虽然热源侧和用户侧供回水温差相对稳定，但是上下幅度较高，导致机组吸热量和制热量浮动较大，但整体趋于稳定。测试期间，测试方案与水源热泵相同，热源侧平均供回水水流量为180 m³/h，用户侧平均供回水流量为186 m³/h，总耗电量为2 640 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F004图4风源热泵机组供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F005图5风源热泵机组制热量、吸热量4.3电锅炉为了增加系统的节能性同时减少运行费用，尽可能多利用热泵系统制热。但供暖中期室外气温低于-15 ℃，需要开启电锅炉辅助供暖。记录2021年1月3日15：00至2021年1月4日15：00的测试结果如图6和图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F006图6电锅炉供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F007图7电锅炉制热量电锅炉机组通过预先设定的供回水温度，使温度能够保持恒定。根据供回水温度以及加热管的启动组数，电锅炉的制热量处于相对稳定的状态。测试期间，同样使用超声波流量计对电锅炉用户侧供回水管道进行流量监测，用户侧平均供回水流量为97 m³/h，耗电量通过电表读数，总耗电量为49 504 kWh。4.4系统能效比分析机组性能系数是检验热泵机组运行情况是否正常的一个重要指标。在制热运行期间，可以根据测试出的热泵机组制热量与热泵能耗的比值，计算出机组的性能系数，用COP表示，计算公式为[12]：COP=QW (6)式中：Q——机组的平均制热量，kW；W——机组的平均输入功率，kWh。根据之前测试的机组制热量和耗电量绘制对应的能效比如图8所示。测试期间水源热泵系统能效比最高值为6.0，夜晚由于矿井排水具有间歇性供水的特点，导致机组不能正常运行，机组能效比大幅降低，最低达到1.96，水源热泵系统平均能效比为4.48。风源热泵热源相对稳定，能效比较为平均，最高值为5，最低值3.95，风源系统平均能效比4.2，电锅炉系统平均能效比0.99。虽然水源热泵系统由于供水量的问题，机组能效不够稳定，但平均能效比还是高于风源系统。总体比较后，水源热泵系统能效比风源系统能效比电锅炉能效比。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.F008图8机组COP对比5系统效益分析5.1经济分析供暖改造项目于2020年11月4日开始投入使用，至2021年4月中旬供暖结束，余热改造供暖系统共耗电2 533 620 kWh。煤矿的用电价格为0.47元/kWh，该煤矿余热供热系统在供暖季节总计消耗电量约为119万元，末端供暖设备用电量取自各供暖建筑的配电箱中，合计末端设备电费约为4.6万元，水费5万元。系统的初投资费用约为2 202万元，余热供暖系统的运行和管理人才需要配置3名，运行和管理费用大约为15万元。系统的维修可以按照总投资1%进行计算，本系统每个月的运行维修保养成本为：2 202×1%=22.02万元。余热改造系统年运行费用共计165.62万元。矿方原采用传统燃煤蒸汽锅炉供热方式，原有3台4 t锅炉，运行成本包括年耗煤费用389万元，电费65万元，水费5万元，脱硫除尘脱硝费用200万元，人工工资84万元，年维修费50万，总计793万元。具体费用分析如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T006表6费用分析表项目费用初投资2 202.00运行费用158.02管理费用15.00保养费用22.02原系统运行成本793.00万元采用余热回收利用系统，总投资规模约为2 202万元，结合分析方法计算，本工程项目竣工后，较原有供热系统全年可节省运行费用627万元。静态投资的回收期为3.5年，说明本项目实施具有良好的经济效益。5.2环保分析场地内原设3台4 t燃煤锅炉，每年耗煤约6 480 t，余热利用系统共消耗电能253万kWh。消耗1 kWh电相当于消耗0.1229千克标准煤，根据计算结果可知，原有供暖系统在供暖季运行时消耗4 628吨标准煤。工程项目建成投入使用后，标准煤燃烧总使用量预计将减少4 318 t，达到93%的节能低碳减排效果。减排污染物总体数量参数如表7所示，减排对环境价值如表8所示[13]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T007表7污染物排放量污染物排放量合计13 370.0CO211 247.0SO2103.8NOx30.3灰渣1 124.0PM2.5烟气865.0t10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.005.T008表8减排环境价值排放污染物种类排放量/t环境价值单价/（元/t）环境价值合计/万元合计13 370.0—49.1CO211 247.01213.5SO2103.81 40014.5NOX30.31 6004.8灰渣1 124.0202.2PM2.5烟气865.016314.16结语（1）多热源供热系统可行可靠，完全可以替代燃煤锅炉。（2）根据系统性能测试可知，水源热泵系统能效比风源系统能效比电加热能效比。水源系统能效比虽然最高，但是受限于供水，若是矿区排水量无法达到需求时，能效比大幅降低。（3）通过余热资源的综合利用，与2019年相比，运行费用可节省600多万元，减少标准煤燃烧约3 800 t，减排各种大气污染物约1.5万t，具有显著的经济和环境效益，真正意义上实现系统的低碳高效运行。