太阳能在煤矿供热系统中的利用技术创新

　1 太阳能概述

　　太阳能指的是由太阳光的辐射而产生的能量。氢”聚变成“氦”是一种原子核反应，这一反应是进行在太阳的内部，在此过程中产生了极大的能量，这些能量不断的向宇宙空间进行辐射，这就是太阳能。我国每年陆地接收的太阳辐射总量在3.3×103-8.4×106 kJ/（m2·a）之间，可折算至2.4×104亿 t标煤，属太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积2/3以上地区年日照时数>2 200 h，日照在5×106 kJ（m2·a）以上。我国是资源总量大国，但同时在资源人均值上是贫国，煤炭总储量位居世界第三，但是人均占有量确只有世界人均水平的51.3%，石油为11.3%，天然气为3.8%。我国的能耗万元GDP总能耗是国际平均水平的3倍。约有2/3的经济增长是在对生态环境和资源的过度透支基础上实现的。目前，要想根本解决这个问题，只有寻找替代能源，逐步使太阳能、风能等清洁能源取代煤炭，摆脱我国能源结构对煤炭的单纯依赖。

　　自20世纪90年代初以来，太阳能利用技术应用于民用的最大的成果是太阳能热水器的普及和发展。太阳能热水系统以其环保、节能、经济、方便、卫生、安全等众多优点被大众所接受。特别是近年来，太阳能采集热水因为其系统显著的节能效果、方便的使用、良好的经济效益和社会效益受到广泛的关注和推广。在大力倡导节能减排的社会背景下，矿井太阳能利用也势在必行。

　　2 系统介绍

　　2.1 煤矿供热系统

　　煤矿供热系统主要包括采暖、井筒防冻和生活用热等。在很多中大型矿井中，采暖负荷和井筒防冻负荷都是远远大于生活用热负荷的。在目前技术条件情况下，尚无法利用太阳能解决矿井的采暖和井筒防冻。因此太阳能在煤矿供热系统中最佳的利用方式是生活用热中的职工洗浴系统。煤矿职工洗浴系统每天要提供矿井职工、外来务人员及来宾洗浴上千人的洗浴用水。矿井洗浴系统运行方式为间歇式运行，且矿井洗浴系统为矿井重要辅助生产系统，必须保证其供热稳定性。而太阳能采集热水由于其受季节、天气和设备等因素影响大。因此为保证矿井的正常生产，矿井太阳能供热系统考虑按如下方案设置：太阳能供热系统采用太阳能联集式中央热水系统，太阳能系统需要考虑辅助能源进行补充，可另外独立建设换热站。在光照充足的情况下，水经过太阳能系统加热后可满足洗浴系统需要，则换热站中加热管路关闭，直接由太阳能系统热水进入洗浴系统。但在阴天等光照不足的情况下，太阳能系统以提高基础水温为目的，热量不足部分由换热站内的蒸汽或热水来补充。

　　2.2 太阳能联集式中央热水系统运行原理

　　阳能联集式中央热水系统采用强制温差循环方式，温度传感装置探测太阳能集热器和储热水箱的温度，智能控制仪采集并对信号进行比较，当温差达到设置值时，循环泵启动，太阳能集热器与储热水箱的水实现一次循环，当温差低于设定值时，循环停止。这样往复循环将储热水箱内的水温加热，再配以蒸汽加热，满足洗浴用热水要求。

　　3 应用实例

　　根据以上系统方案，现以某矿井酒店公寓为例，详细介绍太阳能在煤矿供热系统中的应用。

　　3.1 太阳能集热面积计算

　　根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB/T 50364-2005）中规定，集热面积计算如下：

　　系数含义如下：Ac为系统集热器总面积（m2）；Qw为系统水量（kg）；Cw为水的定压比热容（kJ/kg·℃）；tend为贮热水箱内水的终止温度（℃）；ti为水的初始温度（℃）；jt为当地集热器受热面上年平均日太阳辐照量（kJ/m2）；f为太阳能保证率（无量纲）；？耷cd为集热器全日集热效率（无量纲）；？耷L为管路及贮水箱热损失率（无量纲）。

　　其取值如下：Qw为90 000 kg；Cw为4.18 kJ/kg·℃；tend为60 ℃；ti为 10 ℃；jt为17 120 kJ/m2；f为根据国标规定，取值55%。

　　ηcd与（1-ηL）综合后即为系统效率，太阳能热水系统平均效率在45%以上，在此按照45%计算。

　　根据上式取值，计算得Ac值为1 343 m2，JPS-60TX21-50？觷

　　型集热器面积为5.22m2/台，考虑系统补偿量为3%，根据此计算需要的集热器总面积为1 388 m2，选择JPS-60TX21-

　　50 ？觷型集热器133组，共计266台。其实际集热面积1 388.52 m2。集热器布置在酒店公寓的楼顶。

　　3.2 主要配套设备的选择

　　为了减少系统的热损失以及屋面实际情况，屋面配置的60 t与30 t两个热水箱均需考虑保温。每个集热系统单元采用1台热水循环泵，作为太阳能集热系统循环动力。其流量根据集热系统单元内集热器数量确定，其扬程根据最远环路确定。根据计算，其选型见表1。

　　3.3 系统运行工况

　　太阳能联集式中央热水系统设计为5个部分。分别是：太阳能集热器、热水系统循环、保温水箱、太阳能控制系统及蒸汽加热系统。

　　在太阳能集热器的温度（T1）达到设计设定温度（如 60 ℃）时，热水循环泵开始工作，将储水箱的冷水传输到集热器内，此时集热器内的热水被顶到保温水箱中，当T1的温度达到45 ℃时，循环泵停止工作。而水箱内的水温达到设计的设定水温时，此时进行差温循环，即T1的温度比水箱内水温（T2）高10 ℃时，循环泵开始工作，水箱内的热水被抽到太阳能集热器内继续加热。为了保证阴雨或寒冷天气时可保证足够的热水，系统需要配备辅助加热系统，本方案采用蒸汽辅助加热方式。当水箱水温低于设定温度时，送至换热间的水将经过蒸汽加热器加热达到设计温度后，送至各用水点。在冬季运行时启动低温循环系统：循环水泵可以自动启动，当管道管温<10 ℃，循环水泵将热水传输至保温水管内，管温达到35 ℃时，循环水泵则自动停止。同时，系统内配备节能监测监控仪表和系统故障告警，系统所有的监测、监控、保护功能均由自动化控制系统实现。

　　4 结 语

　　太阳能利用技术和产业已由技术开拓期步人蓬勃发展时代，一个大规模利用太阳能的新时代—太阳能时代正在来临。煤矿是能耗大户，太阳能在煤矿的供热系统中利用只是太阳能在煤矿中利用的起步阶段，随着技术的发展，太阳能必然将在煤矿的更多领域得到利用。