煤矿水源热泵可行性研究报告

'煤矿水源热泵工程可行性研究方案一、前言我国是能源消耗大国，也是节约能源潜力非常大的国家。数据表明：目前每百万美元能耗，我国是世界平均水平的3.1倍，是OECD(经济合作发展组织)国家和地区的4.3倍，更是日本的9倍。出于保护环境和可持续发展的考虑，我国已经将节能减排列为经济发展的国策，节能市场潜力巨大，商机无限。把握这一历史性机遇的投资者必将获得巨额经济回报。地源热泵（Ground-SourceHeatPump，简称GSHP）是利用地球表面浅层地能资源（地下岩石、土壤、地下水或地表水）作为冷、热源进行能量转换的供热制冷空调系统。地表浅层地能资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的空调冷热源。使用表明：地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，可节省运行费用40%～60%。可以替代锅炉燃烧供热，没有排放物及废弃物，不需要堆放燃料和废物的场地，以及不用远距离输送热量，地源热泵成为真正的环保型空调。据统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%；在美国，2001年已安装40万台地源热泵；在加拿大地源热泵以每年20％的递增销量而处于各种热泵系统的首位。由于其节能和环保的双重效益，国际上将地源热泵列入21世纪最有发展前途的50项新技术之一。－20－ 进入21世纪，中国更加重视节约资源，发展循环经济，保护生态环境。以科学发展观统领经济社会发展全局，节能降耗和污染减排，加快建设资源节约型、环境友好型社会，坚持节约发展、清洁发展、安全发展，实现可持续发展已经成为今后经济发展的基本国策。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年（2006～2010年）规划纲要》，国家发展改革委和国家环保总局联合印发了《煤炭工业节能减排工作意见》，提出了煤炭企业节能减排的发展目标：到“十一五”末，煤炭企业单位生产总值能耗比2005年下降20%。目前，我国经济结构不合理，经济增长方式粗放，又处在工业化进程和消费结构升级加快的历史阶段，节约能源资源和保护生态环境形势十分严峻，完成节能降耗和污染减排的任务非常艰巨。煤炭行业作为能源消耗重点行业，节能减排工作势在必行。山东省为鼓励节能，约束能源浪费行为，制定了一系列节能减排监督考核管理办法，突出加强了对超标准能耗的处罚和治理，节能减排已经成为企业生存与发展、产业升级与经济效益的关键问题。目前，福兴煤矿计划在工业广场内，利用地源热泵系统取代传统的锅炉供暖系统。该地源热泵系统能否正常运行的关键在于是否有稳定的热源。根据计算，该系统需要提供的热量为1929kW。福兴煤矿广场内井下排水可以作为地源热泵系统的热源供应。另一方面，工业广场的回风井，其回风在冬季可以保持在温度20℃－20－ ，相对湿度95%以上，也是可利用的热能载体，风量较大且稳定，福兴矿北部扩大区风量在60m3/秒以上，目前的回风热能提取技术，可以吸收回风中的热能，能够满足地源热泵系统的热源供应要求。本工程利用矿井回风中的地热能属于地热能利用项目，符合国家“十一五”十大节能工程的相关条件，享受国家相关节能减排的优惠政策和节能补足。为进一步完善有利于节能减排的财税政策，以确保“十一五”节能减排目标的实现，国家税务总局已经采取了一系列措施。根据最新颁布的企业所得税法，企业从事符合条件的环境保护、节能节水项目的所得，可以免征、减征企业所得税。企业购置用于环境保护、节能节水、安全生产等专用设备的投资额，可以按一定比例实行税额抵免。该项目既有矿井现实的生产需要，又有获得研究成果大范围推广应用的潜力，也有争取国家优惠政策的可能。该项目在福兴煤矿的实施，可以为福兴煤矿节约4758吨标准煤/年（北部扩大区节约3663吨/年，南部老矿区节约1095吨/年），折二氧化碳当量为减少排放二氧化碳12371吨/年，以该系统正常运行20年计算，可以减少二氧化碳排放约25万吨。二、工程概况福兴煤矿位于山东省枣庄市峄城区古邵镇境内，在枣庄市西南约20km，距京杭大运河仅1km。福兴煤矿原为枣庄市峄城区曹庄镇镇办煤矿，后改为峄城区区属煤矿。1998年8月破土兴建，年设计生产能力6万吨。后经上级核定生产能力为25万吨。2007年2月依法获得了曹庄井田的探矿权，探矿范围20.70km2，也即福兴煤矿北部扩大区。－20－ 项目名称：山东省枣庄市峄城区福兴煤矿水源热泵工程本方案包括以下内容：1、北部扩大区（1）供暖、空调。工业场地生产、辅助建筑物的供暖空调方案。（2）浴室的卫生热水供应。包括浴池及淋浴的热水方案。（3）井筒防冻方案。2、南部老矿区（1）浴室的卫生热水供应。包括浴池及淋浴的热水方案。拟采用水源热泵中央空调系统提供矿区建筑供暖、空调、卫生热水以及井筒防冻的需求。三、设计依据1、福兴煤矿基础资料2、水源热泵技术参数及相关配置3、《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）4、《公共建筑节能设计标准》GB50189-20055、《城市热力网设计规范》(CJJ34-2002)6、《建筑给水排水设计手册》四、冷热负荷估算4.1气象参数年采暖总天数：110d冬季采暖室外计算温度：-5℃－20－ 夏季通风室外计算温度：31℃夏季空气调节室外计算温度：34.8℃冬季空气调节室外计算温度：-8℃冬季极端最低温度平均值：-11℃夏季极端最高温度：42℃冬季主导风向：NW冬季室外平均风速：2.9m/s夏季室外平均风速：2.4m/s冬季室外计算相对湿度：67％夏季室外计算相对湿度：79％最大冻土深度：0.3m4.2室内空气设计参数夏季室内空气设计温度：24～26℃；建筑物室内采暖设计温度：1、重要的轻作业厂房为16～18℃；2、一般轻作业厂房为14～16℃；3、重作业厂房及作业人员很少的生产系统建筑为10～12℃；4、热作业厂房及带式输送机栈桥、库房等为5～8℃；5、行政福利及民用建筑为20～22℃；4.2热冷负荷4.2.1工业广场建筑采暖空调负荷－20－ 福兴矿井工业广场采暖建筑面积约14120m2，工业广场建筑供暖总热负荷为1133kW，需要制冷的建筑面积约13140m2，供冷总冷负荷为1276kW。工业广场建筑供暖及供冷负荷估算表4-1序号建筑名称供暖面积(m2)热负荷冷负荷备注单位面积热负荷(W/m2)总热负荷(kW)单位面积冷负荷(W/m2)总冷负荷(kW)135KV变电所20801.61202.4总建筑面积3472机修车间6305031.5100633材料库80907.21008总建筑面积4904通风机房5010051206总建筑面积1445栈桥及煤仓980100986副井绞车房3008024120367主井绞车房4008032120488办公楼4500803601004509联合建筑30008024010030010职工食堂70080561208411单身宿舍3400802728027212门卫室6010061207.213合计14120113312764.2.2　浴室热水负荷（1）浴室热负荷计算浴室热水用水量按每天100m3－20－ ，加热时间按10小时计算，则每小时所需供热负荷为：Q=10×(42-5)×1.163=430KW南部老矿区浴室热负荷为300KW4.2.3　井筒防冻热负荷进风量60m3/hQ=60×1.281×1.01×(2+11)=1009kW4.2.4　总热、冷负荷采暖热负荷为：1133kw；洗浴热负荷为：430kw；井筒防冻热负荷为1009kW；冷负荷为：1276kW。五、技术方案及主要设备5.1主要设备选型5.1.1热泵机组：根据以上冷热负荷同时考虑到同时使用系数，选用水源热泵HE600L型5台。－20－ （1）冬季5台热泵机组全部工作，其中2台HE600L用于采暖1台HE600L提供热水，2台HE600L用于井筒保温。（2）夏季2台HE600L机组工作，系统设计考虑将空调冷凝热回收对洗澡水加热，夏季可以提供完全免费的生活热水。（3）春、秋季只提供卫生热水。由1台机组HE600L机组工作，用于提供热水可满足要求。（4）南部老矿区选择一台HE400L热泵机组，提供一年四季的生活热水，夏季可以进行冷量回收，作为机房周边办公楼空调的冷源。提供完全免费的冷气。南部老矿区的改造根据已有情况下一阶段作进一步优化设计。本次设计主要针对，北部扩大区新建工业场地的水源热泵工程进行详细设计。HE600L热泵基本技术参数表5-1热泵机组型号HE600L名义制热量601.2KW水源流量66.4m3/h循环水流量103.4m3/h名义耗电功率（制热）137.80KW控制系统人工智能汉显控制器－20－ 名义工况制热出水温度40～50℃外形尺寸（长×宽×高）3.5×1.4×2.0m重量4300㎏5.1.2机房主要设备机房主要设备表5-2　序号名称型号单位数量作用备注01水源热泵机组HE600L台5夏季空调冷源冬季空调热源制取生活热水冷冻水7~12℃冷媒：R22热水40~50℃02空调冷热循环泵KHB125-315台430冬季使用四台夏季使用两台03生活热水热媒水循环泵KHB125-315台2生活热水热媒循环动力一用一备定速泵04生活热水供水泵KHB100-250台2生活热水循环动力一用一备变频控制05板式换热器换热量600kW台306全程水处理仪RS-250N型台1去除水源水中的水垢、水锈及其他杂质07定压补水IS50-32-200台108软化水ZDSSF-20套109全程水处理器SYS-300B1.0JZ/D台110氢气定压罐D1400H=3200套111除砂器RS-250X型个1去除水源中的砂粒和杂质12过滤器DN300个113热水水箱5000×5000×2000个15.1.3机房面积－20－ 机房总体面积约：300平方米，见机房平面布置图。5.1.4机房设备总耗电功率机房设备装机功率为820kW。水源热泵机房平面布置图5.2热源（水源）5.2.1系统需水量的确定冬季最冷时，采暖、生活热水共5台热泵机组全负荷运行。总热负荷为2572kW。按照热泵机组的平均能效比4.0计算，则需要从热源中提取的热量为：Qz=Qs×(1-1/COP)=2572×(1-1/4)=1929kw－20－ 其中:Qz——冬季需要吸收的热量，kWQs——冬季设计总热负荷，kWCOP——水源热泵机组综合能效比为4.0若提取水温差为10℃，则机组最大需水量为165m3/h，取180m3/h。5.2.2热源（水源）的确定热源采用“矿井排水+生活污水+矿井回风热回收系统”根据福兴矿初步设计资料，考虑到矿井生产过程中矿井排水的特点，本设计计划利用50m3/h的矿井排水作为水源热泵机组的热源，同时考虑利用30m3/h的处理后的生活污水，不足部分利用矿井回风热能作为水源热泵的热源。矿井排水+生活污水换热量计算：Qpr=1.163×Qp×10=1.163×80×10=930kW其中:Qpr——排水换热量，kWQp——矿井排水量，m3/h－20－ 1.163——换算系数10——矿井水取10℃温差矿井回风温度基本不受室外气温影响并且全年都比较恒定，福兴矿开采水平为-550m，预计回风温度冬季在20℃左右。福兴矿通风风量为60m3/s，按回风温度18℃，相对湿度为95%，提取热量后的回风温度为9℃，相对湿度为100%，则可以从回风中提取的热量为：Qh=(h1-h2)×pv=(49.21-27)×60×1.281=19.93×60×1.281=1707kWh1：回风温度为18℃，相对湿度为95%时的焓，kj/kg；h2：回风温度为9℃，相对湿度为100%时的焓，kj/kg；p：回风平均空气密度，kg/m3;v：回风量，m3/s。4.2.2系统换热量分析QZ=Qpr+Qh=930+1707=2637kW通过以上计算看出，矿井排水+生活污水+矿井回风总换热量大于水源热泵机组所需换热量，所以“矿井排水+生活污水+矿井回风热回收系统”可以保证系统正常运行。－20－ 六、方案说明6.1方案特点水源热泵供暖空调系统是一种高效节能的环保型空调系统。具有以下特点：（1）水源热泵机组的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟也没有废弃物，不需要堆放燃料及废物的场地。（2）运行成本低。水源热泵空调系统运行费比其它常规供暖、制冷方式相比运行费最低，一般来讲，水源热泵输入1kw的电能，可产生4.6kw－20－ 的热能（冷能）。（3）一机多用。一套设备既解决供暖、又解决制冷及生活热水，设备及工程简单。机房占地面积小。（4）矿井回风热能提取装置，兼有净化回风流粉尘，降低通风机噪音等功能，具有巨大的环境效益。（5）符合当前国家节能减排的政策。6.2供暖及空调水源热泵空调系统为普通建筑采暖和空调是一项成熟技术，对于末端设备采用风机盘管。所不同的是：采暖和空调用一套管路，即管路冬天供45～50℃的热水，夏季供7～12℃的冷水。6.3浴室的卫生热水机组加热卫生热水。冬季和春秋季时，需1台机组运行，夏季时，由于考虑对空调冷凝热的回收，生活热水加热费用为0机组运行即可。（1）机组首先加热蓄水箱中的水，浴室浴池及淋浴喷头的热水由水箱供给，蓄水箱中的水采用循环加热方式以保证稳定的水温，一般保证蓄水箱中的水温42℃左右。－20－ （2）对于已经放入浴池中的水，为保证水温，采用循环泵抽取池中水经过虑到换热器中换热加温后再送入原池中。七、经济性分析以下对“水源热泵系统方案”（方案一）与传统“燃煤锅炉+分体空调系统方案”（方案二）从投资和运行费用两方面进行比较。7.1工程总投资估算表7.1.1方案一总投资方案一工程总投资估算表表7-1序号项　目造　价（万元）备　注1机房设备热泵机组210附属设备50机房设备安装70机房土建20200m2,750元/m22末端设备(风机盘管)11280元/建筑平米3井口加热设备204供暖空调、热水外主干管线60包括保温、防腐、土石方5水源取水和换热1506合　计6927南部老矿区洗浴改造1508项目投资总计842－20－ 7.1.2方案二总投资方案二工程总投资估算表表7-2序号项　目造　价（万元）备　注1机房设备燃煤锅炉68附属设备30机房设备安装30机房土建452末端设备(暖气片)5680元/建筑平米3井口加热设备64热水外主干管线及保温、输水管线60包括保温、防腐、土石方5分体空调100分体空调安装建筑面积5000平米，200元/建筑平米合　计3957.2运行费用估算：7.2.1方案一运行费估算年运行费用为85.5万元。（1）冬季运行费用：冬季供热的有关负荷参数：供暖期：110天热负荷：1133KW运行时数：12h/d负荷率：0.7系统耗电1133÷4×110×12×0.7＝261723KWh电价按当地商业电价0.8元,运行费用中不包含泵耗。－20－ 则全年运行费用为：261723×0.8＝20.94万元；(2)夏季运行费用：夏季制冷的有关负荷参数：供冷期：120天冷负荷为：1276KW运行时数：10h/d负荷率：0.7系统耗电:1276÷4×120×10×0.7＝267960KW电价按当地商业电价0.8元,运行费用中不包含泵耗。则全年运行费用为：267960KW×0.8元/kwh＝21.44万元；(3)生活热水加热费用：夏季生活热水加热费用：0元（机组冷凝热回收制取）冬季及过渡季负荷430KW供热天数270日运行小时数10h/d负荷率：0.6系统耗电:430÷4.5×270×10×0.6＝154800KW电价按当地商业电价0.8元,运行费用中不包含泵耗。则运行费用为：154800KW×0.8元/kwh＝12.38万元(4)井筒保温运行费用：冬季供热的有关负荷参数：供暖期：110天热负荷：1009KW运行时数：8h/d负荷率：0.6－20－ 系统耗电1009÷4×110×8×0.6＝133188KWh电价按当地商业电价0.8元,运行费用中不包含泵耗。则全年运行费用为：133188×0.8＝10.66万元；注：系统运行泵耗可按照总能耗的20%估算。全年总耗电费用为：（20.94+21.44+12.38+10.66）×1.2=78.5万元7.2.2方案一运行费估算年总运行费用为208.81万元运行费用计算表7-3方案一燃煤锅炉+分体空调负荷(kw)运行时间(h)负荷率费用(万元)电费冬季采暖70110×24=26400.68.87井筒防冻夏季空调200120×100.815.36浴室热水30270×10=27000.53.24热水泵、循环泵等10合计37.47耗煤耗煤量计算运行时间(d)负荷率费用(万元)冬季采暖及井筒防冻23.4t/d1100.85109.4(2188吨煤)夏季及过度季浴室热水7.8t/d2700.773.71(1475吨煤)合计183.11总计220.58说明：1.电价为0.8元/kwh；2.煤价500元/吨。7.2.3投资及运行费用比较详见表7-4－20－ 基建投资、运行费用比较表7-4顺序方案一燃煤锅炉+分体空调方案二水源热泵一基建投资费用(万元)费用(万元)1主要设备锅炉分体空调机36+32=685000m2×200/m2=100水源机组42×5=2102配套设备30503室外管网60604机房土建45200m2，750元/m2205设备安装30706末端设备暖气片56风机盘管1127井口末端设备6208水源取水及换热150合计395692南部老矿区改造150二运行费用1电费(0.8/kWh)37.4778.52燃煤(500元/吨)183.11不消耗燃煤03设备维修维护1064水费2万吨4元/吨815人工工资每班3人，在籍12人，2万元/人·年24实现无人值守06环保费10清洁无污染0合计272.5885.5说明：1.电价为0.8元/kwh；2.煤价500元/吨。－20－ 八、问题与建议1、福兴煤矿可以利用的井下排水量，还需要根据矿井正常生产后实际涌水量，对水源热泵系统作进一步调整。2、回风热能换热器的设计，还需要根据矿井正常生产时不同季节不同时间的实际回风温度进一步优化设计，以充分提取回风的热量。3、系统设计时，需要进一步考虑与矿井水处理系统的衔接，避免水处理系统的重复建设，节省投资。－20－'