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

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽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

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

結(jié)合工程實例，對空氣源熱泵熱水器及電加熱熱水鍋爐進行經(jīng)濟比選，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)負荷具有全年間歇運行的特點。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、燃氣及直接用電加熱制取熱水的成本過高，對于礦區(qū)燃煤鍋爐，不是可持續(xù)發(fā)展的長久之計。近年來，隨著可再生能源的推廣及利用，以太陽能為熱源的熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但由于我國太陽能資源在地區(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能熱水器的時候，有很大一部分熱量是來源于電加熱或其它輔助加熱，故利用太陽能來制取熱水具有一定的局限性?？諝庠礋岜脽崴髯鳛橄冗M、成熟的新能源技術(shù)[3-5]，利用少量電力驅(qū)動做功，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)簡介

空氣源熱泵熱水器由壓縮機、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、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器中依次進行壓縮、放熱冷凝、節(jié)流和吸熱蒸發(fā)4個主要熱力過程，從而完成制熱循環(huán)，實現(xiàn)對供熱介質(zhì)的加熱效果[6]。

熱泵的性能一般用能效比（COP）來評價。能效比是熱泵系統(tǒng)所能實現(xiàn)的制熱量和輸入功率的比值。通常空氣源熱泵的能效比2.8～4.5，熱泵機組運行能效由其實際運行工況決定。

1.2 工藝流程

空氣源熱泵熱水機組通過壓縮機做功，使工質(zhì)產(chǎn)生相變，在往復(fù)循環(huán)相變的過程中，通過蒸發(fā)器不斷從室外空氣中吸收熱量，通過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，通過管網(wǎng)系統(tǒng)供給末端用戶。當保溫水箱內(nèi)水溫達到設(shè)定值時，空氣源熱泵熱水機組停止工作，水泵停止，制熱循環(huán)結(jié)束；當保溫水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定值時，水泵啟動，空氣源熱泵熱水機組啟動，制熱循環(huán)開始工作；當保溫水箱內(nèi)水位低于設(shè)定值時，自動開啟水閥，通過自來水自動補給；回水管溫度低于設(shè)定值時，電動閥自動開啟，當回水管溫度高于設(shè)定值時，電動閥常閉，不予回水。

1.3 優(yōu)點

1）環(huán)保節(jié)能。機組從空氣中獲得大量的熱能，所耗電能僅為壓縮機用于搬運空氣、陽光能源時所需的能量，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)省大量的運行費用。

2）安全可靠。機組使用電力但并不利用電力直接加熱的供熱設(shè)備。因為不使用電力直接加熱，電流和淋浴用水完全隔離，安全系數(shù)進一步提高，不存在電熱水器、燃氣熱水器使用中所存在的易觸電、易燃、易爆、易中毒等安全問題。

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

4）長久耐用。機組安全性高，壓縮機具有欠電壓保護，過電流、過熱保護，高低壓力保護，壓縮機能長期在制熱工況下工作，機組壽命長達10年以上，遠遠高于其它類型的熱水器使用壽命。

5）全自動智能化控制。機組可采用微電腦智能化控制，全自動智能運行，無須人工管理，面板可調(diào)溫度和時間，各項參數(shù)可以在面板上直接操作和實現(xiàn)，真正實現(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)文對燃煤鍋爐噸位的限制，新建燃煤熱水鍋爐無法實現(xiàn)；經(jīng)調(diào)查在當?shù)夭捎锰柲軣崴?yīng)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性較差；對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)電加熱熱水鍋爐系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析比較，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)計技術(shù)參數(shù)

該工程主要設(shè)備選型計算原則是根據(jù)用戶當?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁亍⒂盟闆r及熱水用途等進行計算。

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]。

冬季當室外空氣側(cè)換熱盤管低于露點溫度時，換熱翅片上會結(jié)霜，大大降低機組運行效率，嚴重時無法運行。故為保證空氣源熱水器安全運行且熱水供應(yīng)的可靠性，當環(huán)境溫度低于-5℃，空氣源熱水器停用，啟動輔助電加熱設(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)量計算

供應(yīng)熱水量按下式計算：

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為用水時間，h；k為小時變化系數(shù)。

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

按式（1）進行計算，供應(yīng)熱水量V=21.6 m3?？紤]損耗，最大班次熱水供應(yīng)量為25 m3。

2.2.3 設(shè)計小時耗熱量

設(shè)計小時耗熱量[8]按下式計算：

式中：Qh為設(shè)計小時耗熱量，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為淋浴器同時使用百分數(shù)；T為加熱時間，s。

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

按已知數(shù)據(jù)按照式（2）進行計算，洗浴供熱小時耗熱量為Qh=368.4 kW。

2.3 設(shè)備選型

2.3.1 熱泵主機選型

根據(jù)以上計算所得空氣源熱泵制熱量需368.4 kW。選用4套PASHW250S-V型空氣源熱泵機組。單臺機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，機組COP達4.79，4臺機組總額定制熱量約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口品牌“德國威樂”不銹鋼管道循環(huán)泵。

1）主機加熱循環(huán)泵。額定流量Q=17 m3/h，揚程H=15 m，功率P=1.1 kW，共5臺，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，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)專用控制器。

2.4 熱水系統(tǒng)經(jīng)濟分析

2.4.1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要設(shè)備功率

熱泵機組輸入功率W1=79.2 kW，主機循環(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380 kW的電加熱熱水鍋爐代替空氣源熱泵熱水器。運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，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 運行耗電量及每年運行電費

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

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

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)約運行成本33.13萬元。

2.5 項目投資回收期及效益評價

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)總造價為120.4萬元，電加熱洗浴熱水鍋爐系統(tǒng)總造價為49.2萬元。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)年運行成本為10.57萬元，電加熱洗浴熱水鍋爐年運行成本43.7萬元，年節(jié)約運行成本33.13萬元。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，且熱泵主機的使用壽命可達15年，總體經(jīng)濟效益較好。

3 結(jié)語

針對礦區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)本身的特點，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)保投資費用、電鍋爐的高額運行費用及燃油燃氣鍋爐在礦區(qū)應(yīng)用的局限性使得空氣源熱泵熱水器在經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保上有很大優(yōu)勢，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準［S］．

［2］國務(wù)院辦公廳．大氣污染防治行動計劃［EB/OL］．（2013－09－12）［2016－6－16］．http://www.gov.cn．

［3］周峰，馬國遠．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)．熱水器未來發(fā)展的一個主題與兩個方向［J］．建筑熱能通風空調(diào)，2004，23（6）：35 39．

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

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

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

【責任編輯：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)大學供熱、供燃氣、通風及空調(diào)工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司。