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摘要：随着社会经济的不断发展给煤矿业带来了新的发展机遇。煤矿开采工作过程是复杂的，在煤矿采暖制冷过程中最常见的是热泵技术，它具有低能源消耗的特点，能够有效实现低碳环保的效果，对生态环境有一定的保护意义。本文结合我国的煤矿采暖制冷工作现状，分析了热泵技术应用的实际作用，并对煤炭价值和煤矿业未来的发展方向进行了简要探究。
关键词：采暖制冷；热泵技术；应用；生态环保
一、研究背景
煤炭是我国一种常规燃料能源，也是采暖制冷依靠的主要燃料。由于煤炭的燃烧过程会对生态环境造成很大破坏，会对空气造成一定程度的污染，它所产生的二氧化硫、氮氧化合物、二氧化碳等有毒气体会引发全球气候变暖，并且严重的威胁着人类的身体健康，所以受到了我国乃至全世界环境保护部门的广泛关注。为了让企业对一些常规能源的索取有所节制，对人类生存的环境进行保护，我们提出了能源可持续发展战略，要不断的开发一些可以再生的能源，并且全社会中宣传能源节约理念，使人与社会共同参与到保护生态环保工作中来，顺应科技发展潮流，成就全社会的低碳环保可持续发展。煤炭开采工作较为特殊，它所产生的能力能够更加贴近生活，想要实现采矿业的节能环保，可以大力的推行应用新型的热泵技术，在不断的实践探索中总结经验与教训，从而有效的实现生态的可持续发展战略目标[1]。
二、热泵技术简介
热量传播的过程是从高温到低温的顺向传递，一般情况下是无法实现逆向传递的。但是根据力学原理研究我们可以发现，将机械功作为补偿条件是可以实现低温物体向高温物体传递的，这种反向热量传递的装置就是热泵[2]。热泵虽然消耗机械功或电能,但它运行时,不是直接将机械功(或电能)转变为热能来利用,而是借助于消耗机械功从大气等热能或室内余热连同热泵本身所消耗的机械功,对低位热源供热,从而有效地把难以直接应用的低品位热能利用起来,达到节能的目的。所以,热泵是一种充分利用低品位能的高效节能装置,其热效率可达350%以上。热泵的热源可以是空气、地表水、地热等,其中最好的热源利用方式是闭路地源热泵,它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中,流体从地下收集热量,再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行,即从室内带走热量,再通过系统将热量送到地下岩土中。因此,地下耦合热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点,同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。热泵的工作原理是利用工作流体在不同压力、温度下的蒸发和冷凝进行吸—放热的过程,通过压缩机驱动(电功),将热量从低温环境送到高温环境,达到制冷或制热的目的。如图1,工作介质按箭头所示在回路中循环。工作介质在A中压力为PA、在B中压力为PB,并有PA<PB,其对应的温度tA<tB。工作过程如下:
1)工质节流后的汽液混合物进入换热器A,在PA的压力下,吸收低温流体GA的热量QA,并蒸发成气态。
2)工质蒸汽在驱动源C(压缩机)作用下(驱动能量W)流向冷凝器B。
3)在B中,工质受介质GB的冷却作用,在PB压力下发生冷凝,放出冷凝热QB。
4)工质冷凝液体流出换热器B后,经过节流减压装置V,使其压力从PB降为PA,再进入冷凝器A。
5)如此周而复始,热量源源不断地从A传输到B。对流体GA来说,在A中放出热量,温度降低,产生制冷作用;而对流体GB,在B中吸收工质放出的热量,温度升高,产生制热作用。
三、煤矿矿井中的水源热泵技术
（一）煤矿中的水源热泵技术原理
在煤矿的采暖和制冷的过程中，用到的热泵技术主要是水源热泵技术。夏季煤矿建筑物的温度比较高，水的温度是相对较低的，这样水就能够将建筑物中的热量带走，冬季，水源的温度较高，建筑物内部的温度较低，水中的热量自然而然的就会流到建筑物中，完成对建筑物的供暖工作[3]。
（二）煤矿中水源热泵技术的制冷方式
1.制冷剂的有效循环
煤矿生产中应用到的水源热泵技术，主要是将由压缩机排出的高温和高压的制冷剂的气体送入矿井内部，制冷剂在这个过程中，能够转变为气体，再进入到压缩机内部，实现了制冷剂的循环工作。
2.开放式的循环
煤矿矿井在将温度在14度与16度之间的排水进行沉淀和过滤之后，会经过水泵进入到冷凝器当中，并与制冷剂完成一定程度的冷热交换，冷热交换完成后，等待水温进行上升，当水温上升到18度左右时，将水排掉。
3.封闭式的循环
这种方式的循环，是用户侧的温度为12度的水经过蒸发器进行制冷之后迅速变冷，温度降到7度，并通过水泵装置来制冷，经过制冷之后，温度变成12度，将其置于蒸发器中，不停的进行循环。
四、煤矿采暖制冷中应用热泵技术的重要意义
（一）能够实现节能环保的重要目的
煤炭制冷和采暖的过程中，所应用到的热泵能源，是具有很高的能效的，这种能效想要获得百分之百的能量，仅仅需要输入百分之二十的电能。因此，它的运行效率是特别高的[4]。因此，也就节约了能源，达到了环保的效果。
（二）能够节约煤矿的用地面积
将水源热泵技术应用在煤矿的采暖和制冷的过程中，能够将煤矿矿井中的水作为能源，节省了一些锅炉设施，这样就使得机房的面积有了大大的缩小。有效的节约了煤矿的用地面积。
（三）有效的减少了环境污染
在煤矿中将水源热泵技术进行应用，能够真正的做到绿色、环保，热泵技术在应用的过程中，也能够产生很少的污染物，对环境造成的危害比较小，这样就有效的降低了煤矿的减排压力。
（四）热泵技术的运行系统比较稳定
在煤矿矿井中，其水中的温度是比较稳定的，一年四季都处在一个范围内。这样的特点使得水源热泵机组的工作效率比较高。机组工作效率的提高能够保证其系统的平稳运行，有效的维持了这个系统的稳定，增强了水源热泵系统可靠性和安全性。
五、实际应用情况分析
5.1设计系数
某煤矿工业广场总建筑面积37527m2,根据《采暖通风与空气调节设计规范GBJ19-87》要求,供暖总负荷为2498kW,供冷总负荷为2929kW;根据矿井入井人数,浴室耗热量为1499kW;井筒防冻热负荷为2000kW。矿井总热负荷为5997kW,总冷负荷为2929kW。根据上述情况,采用HE1000型热泵机组6台,冬季6台工作,用于制热;夏季4台工作,3台用于制冷,1台制热;春秋季1～2台工作。经实际测试,冬季室温保持在18～20℃以上,夏季室温保持在22～24℃以下。
5.2运行费用
经统计并与相类似矿井比较,热泵系统年运行费用为168.36万元,燃煤锅炉+吸收式制冷机系统年运行费用为380.56万元(电价以0.55元/kWh,煤价以300元/t计)。
5.3在煤矿运行中需考虑的特殊问题
由于煤矿自身在采暖、制冷中,存在较复杂的工况,因此,在实际应用中需要对普通热泵系统进行优化改造。在煤矿运行中需要考虑煤矿自身存在的特点:①冷热负荷季节、昼夜变化大;②需满足洗澡集中与分散的要求;③需满足井筒防冻的要求。
5.4解决办法
根据上述状况,采用多台机组模块化、自动调配、变频调速等优化方案,具体如下:①采用模块控制技术,系统可自动调配运行机组数量与运行状态;②每台机组均采用变频调速,以最大化地利用电能;③采用了调控水池,既可对空调冷凝热回收,又可满足洗澡集中与分散的特点。
结语
综上所述，热泵技术在未来社会经济发展中拥有着无限的进步可能，在采暖制冷过程中将这一项技术广泛的应用起来，可以有效的实现能源的再生，对能源进行循环可持续利用，可以实现对生态环境的保护，为人类的长远发展创造优质的条件，实现人与自然资源的和谐相处，维持生态系统的平衡发展，对社会的进步和人类的生存都有着十分重要的现实意义。
参考文献
[1]张超.热泵与矿井回风余热回收装置耦合系统的研究[D].河北工程大学，2016(09)33-35.
[2]王鹏飞.矿井水水源热泵系统供暖工况分析[D].河北工程大学，2014(1)52-53.
[3]徐丽霞，盛勇.水源热泵技术在煤矿中的应用[J].煤炭技术，2015(08)186-186.
[4]张鑫山.低温热源热泵系统在煤矿采暖中的应用[J].环境与生活，2014(06)41-42.
论文作者:刘亚强,张亮亮
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/13
标签：热泵论文; 煤矿论文; 技术论文; 热量论文; 采暖论文; 矿井论文; 水源论文; 《防护工程》2017年第10期论文;