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太阳能矿井水源热泵系统节能环保分析

2023-10-27 31 上传者：管理员

摘要：从矿井水源热泵系统、太阳能热泵系统以及太阳能矿井水源热泵系统的工作原理方面对太阳能矿井水源热泵系统展开研究，重点针对太阳能矿井水源热泵系统中的太阳能热泵系统进行设计，最后从能耗、节能效果以及环保效果三个层面对太阳能矿井水源热泵系统的节能环保效果进行了综合分析。

关键词：
太阳能热泵系统
矿井水源热泵系统
耗电量
节能环保
集热器
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煤矿实际生产中，为了避免透水事故的发生，需要将矿井中的水大量排出。矿井水的直接排放不仅会造成水资源浪费，还会对环境造成污染。为了进一步解决矿区供水不足的问题，需要对矿井水进行处理并再次利用。从原理上讲，将矿井水与水源热泵相结合不仅可以充分利用矿井水中的低位热能，还能减少污染物的排放[1]。因此，太阳能矿井水源热泵系统在水资源利用、抑制环境污染、减少污染物排放等领域具有重要意义。本文将重点对太阳能矿井水源热泵系统开展研究，并对其节能环保效果进行分析。

1、太阳能矿井水源热泵系统概述

太阳能矿井水源热泵系统主要由矿井水源热泵系统和太阳能热泵系统组成[2]。本节分别对矿井水源热泵系统和太阳能热泵系统的具体工作原理进行分析，并在此基础上阐述太阳能矿井水源热泵系统的特点及工作原理，为后续的细化分析奠定基础。

1.1 矿井水源热泵系统

矿井水源热泵系统包括水源热泵机组、水源系统以及空调末端热交换设备等，其工作原理如图1所示。

图1 矿井水源热泵系统工作原理图

矿井水源热泵系统工作分为夏季制冷和冬季采暖。在夏季，矿井水作为冷却水进行制冷。在冬季，矿井水源作为冷冻水进行采暖。矿井水源利用的基础是将矿井水送至地面水池，具有取水方便的优势。

1.2 太阳能热泵系统

太阳能热泵系统是将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，主要包括集热器、热泵、蓄热器等。简单的说，太阳能热泵系统是将热泵技术与太阳能利用技术有机结合的系统[3]。根据太阳能利用技术与热泵技术融合方式的不同，太阳能热泵系统可分为直接膨胀式太阳能热泵系统、传统串联式太阳能热泵系统、并联式太阳能热泵系统以及混合式太阳能热泵系统。混合式太阳能热泵系统组成如图2所示。

图2 混合式太阳能热泵系统组成图

1.3 太阳能矿井水源热泵系统

基于太阳能热泵系统和矿井水源热泵系统，将二者以并联方式联合运行，二者相互独立工作。当太阳辐射足够强时，仅由太阳能热泵系统供能；反之，由矿井水源热泵系统和太阳能热泵系统共同运行供能[4]。工作原理如图3所示。

在冬季，太阳能热泵系统和矿井水源热泵系统共同运行，将低位热能转化为高位热能存储于储热器中，并由热量配送系统根据需要将热能分配至生活热水储水箱和采暖系统[5]。在夏季，由太阳能热泵系统供能将生活用水加热至所需温度，同时矿井水源热泵系统将向地面建筑物供冷。

2、太阳能矿井水源热泵系统技术分析

2.1 工程概况

结合以往实际应用经验，太阳能矿井水源热泵技术应用可行、经济效益可观。结合具体实践生产，进行太阳能矿井水源热泵系统的应用研究。根据现场调研结果，A矿业公司有采暖、制冷需求的建筑用能概况如表1所示。

图3 太阳能矿井水源热泵系统工作原理示意图

表1 建筑用能概况

结合《民用建筑暖通空调设计技术措施》的相关标准要求，经计算办公建筑所需热负荷量为704.5 k W，男女更衣室所需热负荷量为221.9 k W，则整个矿区所需热负荷总量为926.42 k W；计算得出办公建筑所需冷负荷量为880.6 k W，洗煤厂房所需的冷负荷量为1 532.6 k W，则整个矿区所需的冷负荷总量为2 413.2 k W。

结合GBZ1—2010《工业企业设计卫生标准》的相关标准要求，经计算生活用水的总热负荷量为2 741.4 k W。

2.2 太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能热泵系统的关键。为了保证太阳能热泵系统稳定输出热能，需要选择合适的集热器[6]。目前，常见的太阳能集热器包括平板型、闷晒式、热管真空管及真空类4种类型。综合对比上述4种集热器的优劣势，重点考虑性价比的要求，最终确定采用平板型集热器。

结合所研究矿业公司所处地理位置，为了更充分地利用太阳能，结合实践经验和数值模拟分析结果，最终确定将太阳能集热器朝向正南放置，并在所在区域纬度的基础上增加5°设置集热器的安装倾角。

太阳能集热器面积计算公式：

式中：Ac为太阳能集热器总面积的数值，单位m2;Qw为矿区每天平均用水量的数值，根据调研取1 815 L;c为水的定压比热容的数值，取3 600 k J/（kg·℃）；ρ为水密度的数值，取1 kg/L;tend为水预期温度的数值，单位℃；tL为水初始温度的数值，单位℃；f为太阳能保证率；JT为矿区所在位置每天平均辐照量的数值，取15.1 MJ/m2（以每年11月核算）；ηcd为集热器每年平均集热率，取0.5;ηL为热量在储水箱和管路的损失率，取0.25。

将上述参数代入式(1)得出，所需太阳能集热器的总面积为1 153.9 m2。

3、节能环保效益分析

为了验证上述太阳能矿井水源热泵系统的环保节能效果，将该系统与矿井水源热泵系统进行对比。

3.1 设备对比

太阳能矿井水源热泵系统由2台SGHP1500A型螺杆式水源热泵机组、3台KQL 100/185-18.5/2型水循环泵以及KQL 150/235-15/4型集热循环泵组成。

矿井水源热泵系统由2台SGHP1800A型螺杆式水源热泵机组、1台SGHP1200H型螺杆式水源热泵机组、3台KQL 100/185-18.5/2型以及2台KQL 125/170-22/2型循环泵组成。

3.2 节能效果对比

从太阳能矿井水源热泵系统与矿井水源热泵系统在实际运行过程中的能耗（耗电量）、节能效果、效费比、环保效益四方面进行分析。

3.2.1 能耗分析

太阳能矿井水源热泵系统除了采用传统的矿井水源热泵系统外还采用太阳能热泵系统，将低品位热能转化为高品位热能使用。2种方案对应的能耗对比如表2所示。

表2 太阳能矿井水源热泵系统与矿井水源热泵系统能耗对比

如表2所示，太阳能矿井水源热泵系统每年的耗电量明显少于矿井水源热泵系统每年的耗电量。

3.2.2 节能效果分析

相比于矿井水源热泵系统，太阳能矿井水源热泵系统节能量即为太阳能集热系统为矿区提供的能量[7]。根据该项目所布置的太阳能集热器的面积以及该区域的太阳辐照量等参数，综合考虑太阳能集热器的年平均效率以及管路损失率等因素，经计算得出，太阳能矿井水源热泵系统可直接节约能量2 410 815 MJ/a。

3.2.3 效费比分析

效费比指的是该项目的投资总价与寿命周期内的节能量之间的比值。太阳能矿井水源热泵系统在全寿命周期内预计投资2.27×106元，预计该项目的全寿命周期为15 a。根据式(2)计算得出效费比：

式中：RCE为效费比，单位元/（k W·h);Cd为太阳能矿井水源热泵系统全寿命周期投资的数值，2.27×106元；n为该项目全寿命周期的数值，15 a；ΔQs为该项目每年节能量的数值，2410815 MJ/a。

将上述参数代入式(2)得出，太阳能矿井水源热泵系统的效费比约为0.23元/（k W·h），远低于电价。

同理，可以计算得出太阳能矿井水源热泵系统在全寿命周期内CO2,SO2等有害物质均得到减排，具有直观的环保效果。

3.2.4 环保效益分析

太阳能矿井水源热泵系统减排统计如表3所示。

表3 太阳能矿井水源热泵系统减排统计

4、结束语

煤炭在当前能源结构中占据主导地位，但是可持续发展的策略要求多元化的能源结构[8]。太阳能矿井水源热泵系统相比于矿井水源热泵系统而言，充分利用了太阳能[9]。A矿业公司结合实践生产重点构建了太阳能矿井水源热泵系统中的太阳能热泵系统。对太阳能矿井水源热泵系统的节能环保效果进行了分析，总结如下。

1)根据矿区所在区域的条件，确定太阳能热泵系统对应的集热器总面积为1 153.9 m2，将集热器朝正南放置，并在所在区域纬度的基础上增加5°设置集热器的安装倾角。

2)太阳能矿井水源热泵系统相比矿井水源热泵系统具有明显的节能环保效果。太阳能矿井水源热泵系统年耗电量为1 240 763.4 k W·h，矿井水源热泵系统年耗电量为2 924 224.7 k W·h；太阳能矿井水源热泵系统的效费比为0.23元/（kW·h），远低于电价；CO2减排3 284.6 t,SO2减排24.7 t，烟尘减排12.3 t。

参考文献:

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[2]张晓明,王强,孙秋瑾,等.太阳能辅助地下水源热泵系统在严寒地区的运行特性分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2022,38(5):921-928.

[3]曲世琳,孙峙峰,吉玉保,等.蓄热水箱对太阳能-水源热泵系统性能特性的影响分析及实验研究[J].太阳能学报,2012,33(8):1405-1410.

[4]王景刚,高晓霞,杜洪彪,等.矿井水源热泵系统的经济学分析[J].暖通空调,2011,41(12):91-94.

[5]孙学梅,朱赛鸿.某矿井水水源热泵系统的冬季运行性能及经济性分析[J].建筑科学,2018,34(2):49-53.

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[9]鲍玲玲,魏莹,刘俊青,等.冀南某高校浴室用太阳能+污水源热泵系统运行性能分析[J].建筑科学,2022,38(10):36-43.

文章来源:王军.太阳能矿井水源热泵系统节能环保分析[J].能源与节能,2023(10):89-91.