第45卷第3期山西建筑VV35No.2
2021年2月SHANXI ARCHITECTURE Feb.2021•52•文章编号：1009-6525（2021）95-6052-65
罗申国
（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西太原030001）
摘要：介绍了煤矿供热负荷及介质参数要求，说明了各种煤矿清洁能源供热方式及特点，并举例论述了电加热、矿井回风空气源热泵和空气源热泵三种供热方式技术方案、投资费用及运行成本，提出了做好煤矿清洁能源供热设计的相关建议。 关键词：煤矿，清洁能源，供热，设计
中图分类号:TU533.2文献标识码:A
1煤矿供热负荷及供热介质参数
煤矿供热主要包括生产和行政福利建筑采暖热负荷、进风井井筒防冻热负荷和生活热水三部分，其中井 筒防冻部分占54%以上，生活用热负荷一般在10%以下。生活用热负荷为全年性热负荷，采暖热负荷和井筒防冻热负荷为采暖季热负荷。
煤矿供热介质主要有热水、蒸汽、热风和导热油几种介质。供暖时，行政福利建筑供水温度不大于55七，工业建筑热水供水温度不大于55°C；使用热泵时，热水供水温度不大于60C。井筒防冻供热系统中，采用热水供热时，供水温度不小于75°C，严寒地区不小于55°C；采用热泵供热时，供水温度不小于54°C；采用蒸汽供暖时，压力不小于03MPa。采用热泵机组供生活热水时，供水温度不小于54°C，浴池热水加热2h，淋浴水加热3h；直接换热时加热1h；余热制备热水设贮热水箱（罐），浴水加热3h~5h。
2煤矿清洁能源供热方式及特点
替代燃煤锅炉的清洁能源供给技术主要有集中供热、空气压缩机和瓦斯电站余热、燃油燃气锅炉、瓦斯蓄热氧化装置、热泵、电加热和太阳能等，技术路线及特点如下：5集中供热：利用集中供热管网供热可靠，投资省，运行费用低，流程如图1所示。
集"供热锅炉房、热电站等一►高温热水一►二级换热站一►建筑4暖
I1
井筒89生活热水
图1流程图
2）余热：主要为空气压缩机组和内燃机瓦斯电站余热。空气压缩机运行过程中会散发大量的热量，由循环冷却水或润滑油带走，通过加装板式换热器可换取54C~66C 洗浴热水，或利用水源热泵技术回收产生70C〜75C热水，用于供暖。不同机型的空气压缩机组可回收的热量不同，但一般在65%以上。利用煤矿瓦斯通过内燃机发电过程中，只有约44%的能量转化为电能，其他能量排放到烟气和冷却水系统，以及机组本体表面辐射散热。以13MW 机组为例，输入能量中44%转化为电能，烟气34.4%，冷却水25.3%，辐射热2.5%。内燃机余热主要有烟气、高温冷却水和低温冷却水余热三部分，通过余热锅炉回收烟气余热可产生蒸汽或高温热水，用于发电或供热，通过板式换热器回收高温冷却水余热，换取66C~85C热水，用于供暖或洗浴热水；通过板式换热器换取低温冷却水余热可提供洗浴热水或利用水源热泵技术回收产生20C~60C热水，用于供暖。余热供暖稳定可靠，投资省，可优先考虑。
3）燃气（油）锅炉：利用井下抽采煤矿瓦斯、地面抽采管输煤层气、柴油、液化石油气等作为燃料。瓦斯浓度大于34%可直接燃烧，就近从抽放泵站接入，没有运输问题；煤层气、柴油和液化石油气通过汽车运输，需在锅炉房旁建设储罐储存，一次投资小，但燃料成本较高，且冬季雨雪天气燃料运输存在问题。
4）瓦斯蓄热氧化装置：因风排瓦斯存于矿井通风中，浓度较低，而抽放泵站之中存在低浓度瓦斯，二者都不能被直接利用，将其与矿井乏风或空气掺混至浓度13%，通过瓦斯蓄热氧化装置氧化，通过余热锅炉产生蒸汽或热风用于供热或井筒防冻。
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5）热泵技术：煤矿主要有乏风、井下排水、洗浴废水、水环真空泵冷却水等低温热源可以回收利用。空气源热泵技术直接提取大气热量产生40C~54C热水，通过井筒空气加热机组送热风。矿井回风水源热泵技术是通过回风与水换热将热量传递至水中，再通过水源热泵提取热量产生44C~45C热水，用于冬季供暖和井筒防冻、夏季制冷、全年供应洗浴热水，效率高、阻力小、噪声小。矿井回风空气源热泵技术利用蒸发器直接换取乏风中的热能，取热后乏风温度可低至-10C，能效比达3.7，与水源热泵相当，具有可自动冲洗、实现无缝滚动除霜、降低换热器风阻、提高传热效率、取热箱与热泵机房的间距可以达到440m等优点。
0）电加热：红外线电加热管在电能的驱动下，可将空气加热，将电能转化为热能，后经风机将热风送到井口，用于井筒防冻。系统简单、投资省。
7）太阳能：太阳能供热具有节能环保、装置灵活、运行投资成本低等优点，但受季节性、天气影响较大，阴雨天无法满足太阳能蓄热需求，供热稳定性差；占地面积大，无法实现大规模集中供热。
3三种常用供热方案比选
下面以某煤矿进风井井筒防冻供热为例，井筒进风井通风量7300m3/miv，按室外极端最低平均温度-21.9C 加热至2C，所需热负荷为4254kW，对电加热热风炉、矿
收稿日期：222220-27
作者简介：罗申国（582-），男，正高级工程师
第47卷第3期2021年2月山西建筑
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井回风空气源热泵和空气源热泵三种方案进行技术经济比较。
3.1红外线电加热供热方案
设计4台红外线电加热热风炉，每台热风炉的风量39830m6/h，风机功率22kW，加热功率1063kW，单台总功率1063+22=1085kW，用电设备8台，总用电负荷4304kW；设3台2500kVA厂变,2运1备,3回6kV电源引入；设置3台6kV高压开关柜,2运1备。单台热风炉长度5000mm，宽度2540mm，高度3200mm。土建只需做设备基础。采用计算机+智能仪表自动控制方式。
该方案总投资约721.31万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本包括电费、折旧和摊销等费用，运行成本估算见表1
表1红外线电加热方案运行成本分析
成本项目名称数据备注
电费
总投资/万元721.31
总装机功率/dW4340
供暖天数/d194
运行时间/d3600
热风炉功率/dW1063
热风炉数量/台4
热风炉总装机功率/dW4252
需用系数0.3
热风炉年耗电量/dW-h4552190
风机功率/dW22
FOSY
风机数量/台4
风机总功率/dW880需用系数0.30风机年耗电量/dW•h253420
总耗电量/dW•h4825600
电价/元・(kW-h)-10.5
电费/万元270.7/
职工薪酬
运行人员/人 2.202班，每班1人人员工资/元•（年-人）-54000.20
职工薪酬/万元10.20
利息支出贷款利息/万元31.25 5.19%沙发工艺
其他维修费/万元0.201年免维护5吏用寿命19年折旧费/万元UK固定资产综合折旧率6.5%摊销费/万元 5.57
采摘网合计350.57
注；安家沟风井安装5台（3台580kW+2台680kW）红外线电加热炉，运行3台,5个月总耗电量10万度，需用系数0.24，本项目按需用系数0.3测算3.4矿井回风空气源热泵供热方案
矿井回风温度较低，经乏风取热箱后进入矿井回风热泵机组，矿井回风热泵利用此低温热源产生55C/45C热水，后通过板式换热器产生50C/44C防冻液，进入井口加热室矿井加热机组，与室外空气交换热量，将其加热后送入井口房内，再与室外空气混合至2C以上后送到井下。工艺流程如图2所示。
矿井回风竺工，乏风取热（2X排入大气室外空气
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矿井回风热泵机组板式换热器井□加热室矿井加热机组
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室外空气~21*9!消声百叶窗一井□房内（迟以.井下图2矿井回风空气源热泵井筒防冻工艺流程图
回风井通风量为1246ri/min，排风温度10C以上，相对湿度99%；按提取后乏风温度1°C、提取温差9C计算，可提取的热量为3645kW，经乏风热泵机组（能效比3.5）转化后，可产生5000kW热量，能够满足极端最低温度（-21.9°C）选井筒防冻供热负荷需求。
安装5台矿井回风源热泵，单台制热能力860kW，取热能力625kW，最大功耗235kW。单机配4台乏风取热箱，每台取热箱取热量194kW，风量39738m^h，进风1C/99%，出风1C/99%，共20台。选用煤矿专用防冻型高效热水盘管加热机组4台，单台加热量110kW，风量67540m6/h，进风温度-21.9°C，出风温度20C。选用2台2.2MW板式换热器,2台一次循环泵KQI220/390-37/ 4,2用1备;2台二次循环泵KQI200/37205/h,r用1备。风井新增用电负荷设备14台，设备安装容量1421kW，选用2台1600kVA厂变，运1备,2回6kV电源引入。土建包括乏风取热室建筑、井口加热室、设备基础等。
该方案总投资1445,52万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本包括水电费、工资、维修折旧和摊销等费用，运行成本估算如表2所示。
表2矿井回风空气源热泵方案运行成本分析成本项目名称数据备注
电费
总投资/万元1425.52
总装机功率/dW1329.21325.2
供暖天数/d192
运行时间s3600
热泵主机功率/dW235
热泵机组数量/台5
热泵机组总装机功率/dW1177
需用系数0.372
5个月平均最低气温-6•9C,
按平均气温加热至2C计算，
运行系数为（6.5+2）/
（21.9+2）=0.372热泵机组年耗电量/dW-h1578550
其他辅机总功率/dW172
需用系数0.3
辅机年耗电量/dW-h096
总耗电量/dW-h2017655
电价/元・（kW-h）-10.5
电费/万元101.26
水费
年用水量/m313320按循环水量1%计算
预埋螺母
水价/元•m-4
水费/万元 5.33
职工薪酬
运行人员/人8.203班，每班2人，维护2人人员工资/元（年-人）-150000
职工薪酬/万元40.20
利息支出贷款利息/万元52.25
其他
维修费/万元24.46设备总投资的2%
折旧费/万元85.13固定资产综合折旧率6.5%
摊销费/万元11.57按1年摊销合计251.55
3.4空气源热泵供热方案
室外空气温度低，在空气源热泵机组中与水交换热量，产生45C/44C热水，热水经热水型双级矿井加热机组将空气加热至20C，期间空气依次经过风机、空气加热器和电加热器，进入井口房，室外空气与其混合至2C以上送入井下。考虑到空气源热泵能效随环境温度影响大（环境空气-15C时，能效比2.5；-21.2C时，能效比2.2），装机功率大，本方案以空气源热泵为基峰热源，电辅助作为调峰热源的供热模式，根据工程经验电辅比例取30%。电加热在室外环境温度低于-15C时开启。工艺流程如图3所示。
第42卷第3期2221年2月
罗申国：煤矿清洁能源供热设计探讨
・27・消声百叶窗—
—室外空气
热水型双级矿井加热机组打
室外空气风机空气加热器1加热器|一井□房井下
-21.9!I-21.9!20!2!以上
室外空气一►空气源热泵机组-----排入大气
图3空气源热泵井筒防冻工艺流程图
井筒防冻热负荷4250kW，电加热按33%、低温空气源热泵按70%计算，热泵承担负荷2975kW，电加热承担负荷1275kW o安装34套制热量(2°C)28kW的低温空气源热泵，单台功耗43.4kW,-15C工况下制热量约为102kW,-21.9C工况下制热量约02kW，热水温度40°C/ 45C，循环水流量24t/h，水阻损失5m比0。设计选用煤矿专用防爆组合式新风机组4台，单台供热量150kW(含电加热319kW)，加热系统总供热能力4400kW o一次循环泵KQI200/285-34/4(Z)，共3台,2用1备。风井新增用电负荷设备44台，设备安装容量4224.2kW，选用3台1660kVA厂变,2运1备,3回6kV电源引入。
该方案总投资1073.24万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本主要包括水电费、工资、维修折旧和摊销等费用，运行成本估算如表3所示。
表3空气源热泵方案运行成本分析
成本项目名称数据备注
电费
总投资/万元1073.24
总装机功率/kW2802.0
供暖天数/220
运行时间23600
热泵主机功率/kW23.3
热泵机组数量/台34
热泵机组总装机功率/kW1475.9
需用系数0.92/
5个月平均最低气温
-2.9C，按平均气温
加热至2C计算，运行系数为
(6.9+2)/(2+2)=0.524热泵机组年耗电量/kW-h2703570
电加热功率/kW32
电加热数量/台2
电加热总功率/kW1272
需用系数0.1约占系统运行时间的14%电加热年耗电量/kW-h255预
其他辅机总功率/kW134
需用系数0.0
辅机年耗电量/kW-h392255
总耗电量/kW-h323920
电价/元・(/w・c )-10.9
电费/万元22.11
水费
年用水量/m822033按循环水量1%计算
水价/元•m-2
水费/万元9.14
续表
成本项目名称数据备注
职工薪酬
运行人员/人8.203班，每班2人，维护2人
人员工资/元(年•人)一150000.20
职工薪酬/万元40.20
利息支出贷款利息/万元42.20
其他
液力离合器
维修费/万元0.13设备总投资的2%
折旧费/万元62.15固定资产综合折旧率2.9%
摊销费/万元0.55
合计332.90
红外线电加热炉、矿井回风空气源热泵和空气源热泵
三种方案的技术经济指标对比如表4所示。
表4三种方案技术经济指标对比
指标
红外线电矿井回风空空气源
备注
加热炉方案气源热泵方案热泵方案
装机容量(W234053292880
总投资/万元705.555245,925164.06
运行成本/万元350.90255.35339.05
投资+5年运行费用/万元280030704025
运行人员222
已投运红外线
热风炉无专人值守
系统复杂程度简单较复杂复杂
施工进度快较慢慢
检修维护2年免维护需维护维护少
集中供热比较稳定可靠；回收空气压缩机和瓦斯电站
余热投资较省、同时节约能源、属国家鼓励项目；燃瓦斯气
锅炉或瓦斯蓄热氧化机组投资较少、运行成本低、变废为
宝；变压器容量富余、热负荷不大、井筒防冻供热方式为热
风炉的风井，可采用投资少、系统简单、运行可靠的红外线
电加热炉方案；在变压器容量有限、有矿井回风和空闲场地
的，可采用装机容量少、节省电能的矿井回风空气源热泵方
案，无回风资源则可采用空气源热泵+电加热方案；阳光充
足的地方太阳能可用于洗浴热水供热。
4结语
通过上述比较，结合多个煤矿供热改造方案，每个煤矿
都不尽相同，应针对各个煤矿供热负荷大小、距离和供热时
间，核实不同供热热源大小、稳定性，对供热工况分析，方案
拟定多种供热方案，进行技术经济比较，确定供热方案，并
对主要设备参数选型，与燃料、供水、供电、管线敷设、土建
厂房及选址、环保排放等相关专业密切配合，优化供热方
案，设计出清洁环保、安全可靠、经济实用的供热系统。
参考文献：
[1]张科利.矿井低品位热能综合利用技术研究及应用
煤炭工程,202,42(2)：22-29.
[]朱冬冬.余热提取技术在煤矿热泵系统设计中的应
用[]•煤炭工程,2014,46(5)：24-02.
[]GB/450466—2013，煤炭工业供暖通风与空气调节
设计标准[S]，
Discussion on cleen energy heeting desion in coat mine
Luo Shenguo
(Coal Industra Taiyuan Defga and ResearcU Institute Group Limitef Company,Taiyuan034001,China)
Abstroct:This paper inhckuceP tha heating loaP anl mehium parameters repuiremextr in coal mines,/lustrateh vaboos heating mokos anl chaectebs/cs of clean exer/p in coal mines,/lustrateh the technicyi schemas-investmext costs and opeePoo costs of eoeahenaeeahnge，anesoueaeeeahpumpwnhemngeeehueganeagdanesoueaeeeahpumpheeeeeeahngemodes puhtoewaedeeoeeaghsue0 eeshnogstoeaoeagegeeepeeahngedesnegngaoaomnges2
Ker wordt:coal mine,clean exer/p,heating,desiyu
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