電輔助和空氣熱源泵+太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用

文_馬新 西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司

1 項(xiàng)目實(shí)施自然條件

新疆某礦山位于自治區(qū)西北部，距離克拉瑪依市65km，屬于標(biāo)準(zhǔn)大陸性氣侯，一般在9月底降雪，10月底結(jié)凍，翌年4月中旬解凍，冰凍期為11月至次年4月。

礦區(qū)太陽能光照資源具備太陽能采暖系統(tǒng)運(yùn)用的條件。新疆克拉瑪依地區(qū)全年日照時(shí)間數(shù)達(dá)3000h左右，光照年輻射總量達(dá)5430～6670MJ/m2， 屬于光照資源豐富的地區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶仲Y料，礦區(qū)全年溫度曲線圖和克拉瑪依地區(qū)太陽總輻射量和直接輻射量（MJ/m2）如圖1和表1所示。

圖1

表1 克拉瑪依地區(qū)太陽總輻射量和直接輻射量（MJ/m2·月）

2 系統(tǒng)方案及運(yùn)行方式

系統(tǒng)以充分太陽能為主，空氣熱源泵和電加熱為輔助措施的聯(lián)合供熱模式，太陽能管、水箱、電輔助和空氣源熱泵機(jī)組連接到礦區(qū)原供暖系統(tǒng)中。主能量來源為太陽能，配備空氣源熱泵機(jī)組，為保證供暖質(zhì)量，需考慮極寒天氣夜間溫度低、熱泵能效受影響因素，配備電加熱設(shè)施?？諝鉄嵩幢檬钱?dāng)前流行的熱泵技術(shù)之一，利用空氣壓縮制冷原理，以空氣中的熱量作為低溫?zé)嵩矗?jīng)過冷凝器進(jìn)行熱交換釋放熱能。系統(tǒng)中空氣熱源泵和太陽能采取混合式互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，提高進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，提高了熱泵制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，有利于保持較高的換熱效率，使熱泵機(jī)組制熱系數(shù)得以提高。太陽能是公認(rèn)的清潔能源，2015年我國把空氣能也納入可再生能源范疇，整套系統(tǒng)以太陽能為主要能源，以空氣熱源泵和安裝在儲熱水箱內(nèi)部的電加熱管為輔助能源設(shè)施，使用了太陽能、空氣能和電能三種能源形式，兼顧了清潔能源的使用和保障供暖質(zhì)量的需要，相比燃煤可實(shí)現(xiàn)零排放，更加節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，北方礦山冬季存在極寒時(shí)間段、晝夜溫差大，因此聯(lián)合供暖模式比單一能源供暖模式更具有可靠性優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)三種能源的優(yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)了太陽能系統(tǒng)冬季集熱效率相對較低、不能24h連續(xù)運(yùn)行的缺點(diǎn)。空氣熱源泵和電加熱輔助措施的聯(lián)合使用也有助于減少太陽能集熱器的使用數(shù)量和儲熱水箱的體積，可以減少太陽能系統(tǒng)的初期建設(shè)投資。

系統(tǒng)由太陽能集熱器、空氣源熱泵機(jī)組、儲熱水箱、換熱循環(huán)系統(tǒng)、自動控制等部分組成，詳見圖2。采用60組3000根高硼硅真空集熱管做為集熱元件，集熱器布置傾角約20°。采用兩級換熱方式運(yùn)行，集熱器與儲熱水箱之間使用高溫導(dǎo)熱油進(jìn)行熱量傳輸，經(jīng)泵循環(huán)后，通過板式換熱器與儲熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行熱量交換；系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)均為自行優(yōu)化設(shè)置，現(xiàn)場設(shè)置水箱溫度超過55℃時(shí)，輔助系統(tǒng)停止運(yùn)行，當(dāng)水箱溫度低于45℃時(shí)空氣源熱泵和電加熱輔助系統(tǒng)開啟，以保證持續(xù)供熱。輔助系統(tǒng)啟停參數(shù)均可根據(jù)需要自行調(diào)整，也具備手動干預(yù)強(qiáng)制啟停功能。

圖2

水是一種廉價(jià)且性能理想的蓄熱材料，現(xiàn)場配置保溫儲熱水箱，白天利用光照輻射充分蓄熱，陰雨天氣和夜間釋熱供暖，減少電輔助系統(tǒng)耗能，保持系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)節(jié)能方式運(yùn)行，儲熱水箱需要安置在封閉室內(nèi)并采取完善的保溫措施，減少蓄熱過程中的熱量損失。

3 系統(tǒng)運(yùn)行成本

利用太陽能、空氣能等清潔能源的供暖系統(tǒng)在北方地區(qū)已經(jīng)推廣應(yīng)用，對于落實(shí)煤改電政策、減少煙塵排放具有積極意義，對于農(nóng)村等偏遠(yuǎn)分散地區(qū)的冬季供暖可以靈活布置，針對性強(qiáng)，在民用建筑供暖領(lǐng)域有較多應(yīng)用。但是在工業(yè)企業(yè)如礦山的應(yīng)用目前很少，這和礦山企業(yè)還不了解系統(tǒng)運(yùn)行的成本效益、對供暖電耗成本存在疑慮、初期建設(shè)投資較大等因素有一定關(guān)系。新技術(shù)的應(yīng)用不僅要響應(yīng)國家政策方向，也要符合企業(yè)降低生產(chǎn)成本的需求，投資效益、運(yùn)行成本等經(jīng)濟(jì)性分析是企業(yè)管理者在技術(shù)推廣階段無法回避的問題。

該系統(tǒng)采用60組太陽能+水蓄熱+空氣源熱泵+電輔熱，每日太陽能供暖時(shí)間按8h計(jì)，太陽能每日產(chǎn)生的熱量：60組×11.5m2/組×17MJ/m2×0.6=7038MJ，相當(dāng)于1955kWh，詳見表2。

表2

系統(tǒng)采取自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警模式運(yùn)行，除電耗和零星維修外，無其他運(yùn)營費(fèi)用。2021年11月下旬至2022年4月底試點(diǎn)供暖，供暖面積1629m2，實(shí)際供暖天數(shù)169d，從試點(diǎn)電耗明細(xì)看，12月和1月電耗較高，這兩個(gè)月是氣溫最低、光照強(qiáng)度相對不足的時(shí)期，空氣熱源泵和電加熱輔助措施的保障作用主要體現(xiàn)在這兩個(gè)月，光照強(qiáng)度保證率越高，太陽能的使用率就越高，電能消耗越低。試點(diǎn)供暖區(qū)室內(nèi)白天溫度可保持18至20℃之間,期間電耗總計(jì)123828kWh，試點(diǎn)采暖期（169d）每平方米電耗約為76kWh，現(xiàn)場實(shí)際優(yōu)惠電價(jià)單價(jià)0.3元/kWh，試點(diǎn)采暖期電費(fèi)合計(jì)37148元，電耗費(fèi)用遠(yuǎn)低于同等供暖面積的燃煤消耗費(fèi)用，詳見表3。

表3

4 項(xiàng)目環(huán)保減排效益

碳達(dá)峰和碳中和是我國“十四五”時(shí)期著手推進(jìn)的重點(diǎn)工作?！笆奈濉币?guī)劃建議制定2030年前碳達(dá)峰行動方案，要求單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%和18%。北方地區(qū)的冬季供暖仍然高度依賴于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，實(shí)現(xiàn)碳減排需要改變傳統(tǒng)供暖方式，主動調(diào)整能源供給結(jié)構(gòu)，推廣清潔能源應(yīng)用、探索新的冬季供暖方式是時(shí)代所需，礦山企業(yè)應(yīng)當(dāng)在工業(yè)模式創(chuàng)新方面體現(xiàn)主動性，追求綠色發(fā)展的長期效益，避免被動應(yīng)對減排指標(biāo)的格局。

礦區(qū)原用2臺15t/h燃煤鍋爐供熱全區(qū)，小時(shí)平均耗煤量1.9t/h，小時(shí)平均產(chǎn)渣量0.275t/h，最近一個(gè)采暖季耗煤量7200t,根據(jù)燃煤鍋爐排放監(jiān)測數(shù)據(jù)，最近一個(gè)采暖季二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、爐渣排放量分別為：942.5kg、4873.7kg、856.8kg、1042t。試點(diǎn)區(qū)域一個(gè)采暖季經(jīng)核算節(jié)煤140多t，減少碳排放340t以上，太陽能和空氣熱能使用在試點(diǎn)系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中的占比約75%，減少二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、爐渣排放量分別為：18.33kg、97.47kg、17.14kg、20.84t，對于實(shí)現(xiàn)礦山能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少污染物排放，具有環(huán)保減排示范效益。

5 結(jié)語

礦山試點(diǎn)的供暖效果、運(yùn)行成本和環(huán)保效益符合預(yù)期，能夠保證冬季生產(chǎn)供暖需要，沒有產(chǎn)生過大電能消耗，降低冬季供暖的費(fèi)用，具有積極的減排效益。電輔助和空氣熱源泵+太陽能聯(lián)合的模式能夠適用于礦山分散片區(qū)的冬季供暖，具有推廣價(jià)值。

室內(nèi)取暖效果與建筑物密封性直接相關(guān)，需要提前完善房屋保暖封閉措施。太陽能集熱管比較脆弱易損，場地需要選擇相對避風(fēng)且開闊、日照不受影響的區(qū)域。

系統(tǒng)初期投資大，夜間和極寒天氣電耗較明顯，成本效益受電價(jià)影響大，應(yīng)爭取地方供電電網(wǎng)夜間谷電優(yōu)惠電價(jià)，防止投資回報(bào)周期過長，建設(shè)初期需要做好市場調(diào)研，實(shí)現(xiàn)供需雙贏。目前系統(tǒng)僅試點(diǎn)應(yīng)用于冬季供暖，在太陽能資源最豐富的夏季閑置，下一步計(jì)劃應(yīng)用于生產(chǎn)生活熱水供應(yīng)和光伏發(fā)電開發(fā)方向，實(shí)現(xiàn)清潔能源的充分開發(fā)利用。