埋管式地源热泵在煤矿工程的应用前景及设计

论文导读：采用埋管式地源热泵系统可大量降低运行费用，比传统冷水机组和空气源热泵少30%，比电采暖少70%。在我国低碳节能的政策引导下，埋管式地源热泵在民用建筑小区的应用已经日渐广泛，但是在煤矿等生产厂区使用该技术的并不多。冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，参考有关空调系统设计手册，不再详细说明。由以上所述可得，埋管式地源热泵系统在煤矿中应用是有其适用性的而且有其不可取代的优点，而且通过理论模拟能更好地为设计服务、提高热效率。
关键词：埋管式地源热泵，煤矿，设计，理论模拟

　　采用埋管式地源热泵系统可大量降低运行费用，比传统冷水机组和空气源热泵少30%，比电采暖少70%。能效比一般为4~6。在我国低碳节能的政策引导下，埋管式地源热泵在民用建筑小区的应用已经日渐广泛，但是在煤矿等生产厂区使用该技术的并不多。本文将从几个方面分析一下该技术在煤炭上应用的可行性与适用条件。
　　1埋管式地源热泵在煤矿应用的优点
　　（1）系统不燃油、不燃气、不燃煤，以便使煤矿本身节省能源，为市场提供更多优质煤。（2）系统可建造在煤矿的厂区，安装在绿地、停车场下，无燃烧，无排烟，也无废弃物，不需要堆放燃料废物的场地。（3）热泵既可供暖，又可制冷，制冷时产生的余热还可提供生活生产热水或为游泳池加热，最大限度的利用了能源。对于煤矿这种建筑类型较复杂的地方比较实用。（4）埋管式地源热泵的水系统采用全封闭循环，借助于地下土壤源温度场取冷或散热，不蒸发、不补水、循环往复，对于偏远缺水的煤矿来说较实用。（5）系统运行稳定，维护费用低，自动控制程度，无需专业人员操控。（6）系统不用冷却塔，从根本上杜绝了军团菌的滋生，对于煤矿工人特殊的工作环境，地上的非工作时间可以得到舒适的温湿度洁净环境，有利于身心健康。（7）埋管式地源热泵系统使用寿命可长达五十年，在煤矿的正常使用年限中无需更换。（8）系统无易燃、易爆隐患，在煤矿的特殊环境中安全始终是第一位的，使用这种系统更实用、放心。（9）系统不需要锅炉房、冷却塔及其它室外设备，不需要集中占地，为煤矿节省了地皮，产生附加经济效益[1]。
　　2埋管式地源热泵在煤矿中应用带来的长期效益
　　对于煤矿来说地下水资源尤其不能破坏，埋管式地源热泵系统就具备这种优势，以土地为热源，不破坏地下水资源、低噪音，而且不排放废气和废弃物，具备零污染的良好环保品质。
　　2.1弥补地下水资源短缺
　　我国地下淡水资源量为694km3,仅占世界地下淡水资源的0.6/10000。论文参考网。同时,由于我国地形、降水分布的地域性差异,使我国地下水资源具有南方丰富、北方贫乏的特征。地下水分布的不均匀性,为普遍地推广与应用地下水源热泵带来地域的局限性。
　　2.2缓解地下水超采
　　地下水超采是指两部分:一是浅层地下水超采;二是深层承压水超采。进入21世纪后,地下水源热泵系统在我国的发展十分迅速,其应用日益广泛。目前,有的部门和地区制定实施了一系列优惠政策和措施,使地下水源热泵系统的应用更为广泛。在这种形势下,我们更应该注意到地下水的双重性,它不仅是地下水源热泵优良的源与汇,而且是一种宝贵的资源,是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。
　　为此考虑在水源稀缺的地方尽量采用埋管式地源热泵这种形式，高效环保，对地下水层也无破坏，可以保护人类的宝贵水资源，而且土壤热能是一种取之不尽用之不竭的可再生资源，使人类社会与自然环境协调发展,事在当代,功在千秋。
　　3 埋管式地源热泵系统设计的几大要点
　　3.1冷热负荷及冬夏季地下换热量计算
　　冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，参考有关空调系统设计手册，不再详细说明。
　　夏季地下换热量=夏季设计总冷负荷×(1-1/设计工况下热泵机组的制冷系数)，
　　冬季地下换热量=冬季设计总热负荷×(1-1/设计工况下热泵机组的供热系数)，
　　3.2确定地下换热器设计参数
　　埋管式地源热泵系统地下换热器一般采用垂直或水平布置方式。水平布置受可利用土地面积的限制，且换热性能比竖埋管小很多，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。垂直埋管有3种形式： U型管、套管型、单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失；单管型的使用范围受水文地质条件的限制；所以一般选择U型管[2]。地下换热器设计是关键，国内外已有许多关于这方面理论研究，主要是数值模拟。论文参考网。通过模拟确定几大参数。
　　U型管理论推导过程一般为：（1）某地区土壤初始温度模拟；（2）U型地埋管换热器传热分析；（3）建模假设:在不影响工程精确度要求的前提下做合理的加设以使复杂问题简单化；（4）建立物理模型:因为土壤各个层面的传热特性不一致，将土壤分为三层：地表活动层、中层区和深层区进行处理[3]；（5）建立数学模型:在这个阶段要进行热传递方程的推导、对流、导热的分析以及对土壤的固态、液态以及气态并存的状态分别进行考虑；（6）输入实地测得的初始数据通过集成分析活应用大型集成软件进行分析求解[4]。
　　通过以上的理论模型得出比较合适的地下换热器参数，如：管材（综合考虑其传热性能耐腐蚀性以及经济性）、管径、钻井深度（既考虑热效率也要考虑经济实用性）、U型管间距、钻井间距（考虑其热干扰）、管内流速、管长等。同时，竖井个数的确定可参照下式：
　　竖井总数的确定按下式计算:竖井总数=0.5×竖井埋管总长/竖井深度
　　3.3水泵的选择
　　同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以单位压降，得出总阻力[5]。计算所得最不利环路压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，考虑一定的安全裕量。
　　4小结
　　由以上所述可得，埋管式地源热泵系统在煤矿中应用是有其适用性的而且有其不可取代的优点，而且通过理论模拟能更好地为设计服务、提高热效率。论文参考网。在煤矿的综合楼及办公楼、宿舍楼系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。