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摘 要 当今社会面临着资源短缺严重和环境污染加重的窘境，迫切需要在各行各业建立和发展环保、高效、节能的能源供给设备。低温热源技术作为其中的重要组成部分，符合国家“节能减排”政策和保护环境基本国策的要求。文章主要介绍低温热源技术的优势和主要工作原理，阐述矿井基低温热源技术的优势与挑战。
关键词 低温热源；水源热泵；余热利用；节能；环保
中图分类号 TK1 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0128-02
当今社会面临着资源短缺严重和环境污染加重的窘境，传统能源供给模式无法满足人口增长和人民生活水平的需求，迫切需要在各行各业建立和发展环保、高效、节能的能源供给设备。低温热源技术作为其中的重要组成部分，符合国家“节能减排”政策和保护环境基本国策的要求，有效地利用能源。现在，低温热源技术正在快速发展，并在各个领域发挥着越来越大的积极作用；同时在不同的矿井条件和用户需求下，面临越来越多的挑战。
1 低温热源技术综述
人类对热泵低位热源回收的研究起源于19世纪初；20世纪20年代初，地表水热源热泵开始在欧洲使用。我国对低温热源技術的研究已有60多年的历史。
作为工业余热回收技术之一的矿井基低温热源技术的热源有多种，包括：矿井回风余热、矿井排水、空气压缩机余热、职工家属生活污水余热等。低温热源机组工作时只需使用少量电能将热介质运输至热源处，使之携带热量进入换热器，与换热装置换热；换热后的循环水直接或间接连接各供暖设施（如图1），取代了原先锅炉取暖高耗能、高污染的供暖模式。
该技术优势集中体现在：
1）低耗能[1]高效能，只需少量电能使热泵机组正常运行即可，主体设备不存在电阻加热装置；低温热源空调系统在所有空调系统中的能效比最高，实际能效比可达4：6，是理想的未来空调系统。
2）节约资源，低温热源技术无需任何化石燃料燃烧供能；矿井基低温热源技术采用矿井回风作为热源和热介质，同比地下水水源热泵系统矿井基热泵系统避免了对地下水不可避免的污染与消耗、地下水循环管道结垢[2]和细菌滋生等问题[3]。
3）节约机房面积，同比相同供热供冷面积的其他空调设备，低温热源机房面积远低于同类产品。相比燃煤锅炉，省去了锅炉、煤炭存放处等设施；相比普通空调省去了大量分散的外机；相比大型中央空调，省去了大型冷却塔等附属设施。
4）无污染，不燃烧化石燃料，完全没有污染物
排放。
5）维护成本低，相比于锅炉和大型空调等设备，低温热源热泵几乎无需维护，基本保证15年无大修，是企业降低运营成本的理想选择。
鉴于以上优势，低温热源技术在国内外各个领域已有比较广泛且较为成熟的发展和应用。早在30年前，瑞士、芬兰、奥地利、德国等就已经开始使用浅层土壤地热作为生活供暖热源；20世纪末，美国新建的商业建筑中已有30%采用低温热源技术供暖制冷[4]。当今中国，以地下水或浅层土壤为热源的商用低温热源技术已然成熟，并广泛地运用在各类大型建筑中。
基于矿井回风的煤矿低温热源技术相比基于其他热源的低温热源技术，有着不可比拟的优势，包括：
1）矿井回风热源蕴藏量大，在全国37.37亿吨（合260985.67万吨标准煤）每年（2015）[5]的煤矿开采量，吨煤开采平均4.15m3/h的用风量，吨煤开采平均0.5～4.0吨的排水量[4-6]的现实下，矿井巷道围岩散热和矿井排水中的热量其实相当可观。
2）建设成本低，基于矿井回风的低温热源技术直接依托地面回风，省去建设深井或地下螺旋管的费用，前期投资成本显著降低。
3）温度适中且冷热兼用，矿井回风的温度在15～25℃且全年温度基本恒定；矿井排水温度在15～20℃且全年水温基本恒定；职工澡堂外排废水温度在16～25℃之间且全年温度基本恒定。相比于电厂冷却水（35℃）或者钢厂冷却水（45～65℃）[7]而言，矿井回风热源温度适中，可同时满足冬季供暖和夏季降温的双重需求。
4）可助力井下高温防治，根据《煤矿安全规程》规定：“当采掘工作面空气温度超过26℃、机电设备硐室超过30℃时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇；当采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室超过34℃时，必须停止作业①。”回风系统带走井下热量，热泵带走回风中的热量，助力矿井回风有效散热，防止高温带来的危险。
鉴于以上种种优势，低温热源技术逐渐被各大工矿企业所青睐，助力企业降能耗、提效能。
2 低温热源技术现状综述
2.1 概述
矿井基低温热源主要以矿井回风和矿井排水为主要热源，必要时可利用职工浴室废水和职工家属生活污水作为热源。所以，如何有效地提取矿井回风和矿井排水中的热能显得尤为关键。对此，业内通行的做法是采用热泵技术。
2.2 热泵技术
热泵能吸收无用的低温热量转变为有用的高温热量，使之可以被再次利用。比较成熟的热泵按工作原理不同，可分为以兰金循环（压缩-膨胀）为基础的系统和以吸收循环为基础的系统[8]。其中，以兰金循环为基础的系统更为普遍。按照介质分可分为水源热泵、地源热泵和空气源热泵，在矿井生产中，水源热泵以其稳定的运行性能和较高的热效率被广泛采用。
热泵由压缩机、蒸发器、冷凝器（散热器）和节流阀组成。工作时，低温低压的液体制冷剂在蒸发器中从低温热源，如矿井回风中吸热并气化；压缩机把气化后的制冷剂气体变成高温高压气体；高温高压气体经节流阀进入散热器，膨胀、冷却成为液体制冷剂并同时放热，完成一个热能搬运过程。
具体到煤矿回风上，矿井基热泵依靠在回风机口处安装喷水装置与矿井回风形成逆流进行热交换，提取低温热量。为提高提取热量的效率，可以通过增大循环水与矿井回风的接触面积等方法，提高交换效率。 然而热泵机组压缩机的效率不尽如人意，这是制约热泵技术发展的主要因素之一。冀中能源集团有限公司的刘建功给出了解决这一问题的3个技术途径[4]，本文不再赘述。
2.3 污水源热泵技术
污水源热泵系统相比于前两者而言，对能源的利用率更高，同时技术难度也更大。目前主要的技术瓶颈仍然是无法有效清除污水造成的管道内污物淤积、结垢的问题。虽然现在已经有一些除垢技术[9-10]，但这些技术大都与实际生产有一定距离；再者，对于大部分工矿企业而言，矿井回风热泵系统和空压机余热回收系统就可以大体满足企业职工对于热量的需求，企业对此技术的需求不大。
3 结论
目前低温热源技术发展状况良好，具有相当的未来发展潜力。
据陕煤集团神木柠条塔矿业张科利的计算，该矿整套热泵设备相比传统锅炉+空调的供暖制冷模式每年可节省标准煤11 016t，CO2和SO2排放量分别减少28 641.6t和220.32t[11]。冀中能源集团的东庞矿、章村矿等都已安装投产了相关设备，且节能减排效果
明显[4]。
越来越多的企业正在建设低温热源热泵极其配套设备，或已经投入使用。随着国家节能节排政策的深入实施，相信绿色矿山的理想将很快实现。
注释
①2016年10月1日起实行的《煤矿安全规程》（国家安全生产监督管理总局令第87号），第三章热害防治，第六百五十五条之规定。
参考文献
[1]董兰明.热泵节能技术综述[J].山西科技，2008（3）：170-172.
[2]薛玉伟，李新国，赵军，等.地下水水源热泵的水源问题研究[J].能源工程，2003（2）：10-13.
[3]郑凯，方红卫，王理许.地下水水源热泵系统中的细菌生长[J].清华大学学报（自然科学版），2005，45（12）：1608-1612.
[4]刘建功.煤矿低温热源利用技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2013，41（4）：124-128.
[5]国际统计局.经济数据查询[EB/OL].http：//data.stats.gov.cn/search.htm？s=2015.
[6]冯耀挺.采煤工作面风量计算方法及主要参数选取[J].陕西煤炭，2008（5）：11-13.
[7]王大中.钢铁厂循环冷却水处理的特点[J].工业水处理，1989，9（2）：5-8.
[8]V.A.欧斯塔斯，A.莱特，任大亨.热泵和热管的能量传递[J].机电设备，1981（12）：29-34.
[9]孫春锦，吴荣华，孙源渊，等.污水源热泵技术研究现状及分析[J].暖通空调，2015（9）：49-53.
[10]宋明启，王志国，刘晓燕，等.污水源热泵技术综述[J].低温建筑技术，2014，36（10）：131-133.
[11]张科利.矿井低品位热能综合利用技术研究及应用[J].煤炭工程，2015，47（7）：27-29.
关键词 低温热源；水源热泵；余热利用；节能；环保
中图分类号 TK1 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0128-02
当今社会面临着资源短缺严重和环境污染加重的窘境，传统能源供给模式无法满足人口增长和人民生活水平的需求，迫切需要在各行各业建立和发展环保、高效、节能的能源供给设备。低温热源技术作为其中的重要组成部分，符合国家“节能减排”政策和保护环境基本国策的要求，有效地利用能源。现在，低温热源技术正在快速发展，并在各个领域发挥着越来越大的积极作用；同时在不同的矿井条件和用户需求下，面临越来越多的挑战。
1 低温热源技术综述
人类对热泵低位热源回收的研究起源于19世纪初；20世纪20年代初，地表水热源热泵开始在欧洲使用。我国对低温热源技術的研究已有60多年的历史。
作为工业余热回收技术之一的矿井基低温热源技术的热源有多种，包括：矿井回风余热、矿井排水、空气压缩机余热、职工家属生活污水余热等。低温热源机组工作时只需使用少量电能将热介质运输至热源处，使之携带热量进入换热器，与换热装置换热；换热后的循环水直接或间接连接各供暖设施（如图1），取代了原先锅炉取暖高耗能、高污染的供暖模式。
该技术优势集中体现在：
1）低耗能[1]高效能，只需少量电能使热泵机组正常运行即可，主体设备不存在电阻加热装置；低温热源空调系统在所有空调系统中的能效比最高，实际能效比可达4：6，是理想的未来空调系统。
2）节约资源，低温热源技术无需任何化石燃料燃烧供能；矿井基低温热源技术采用矿井回风作为热源和热介质，同比地下水水源热泵系统矿井基热泵系统避免了对地下水不可避免的污染与消耗、地下水循环管道结垢[2]和细菌滋生等问题[3]。
3）节约机房面积，同比相同供热供冷面积的其他空调设备，低温热源机房面积远低于同类产品。相比燃煤锅炉，省去了锅炉、煤炭存放处等设施；相比普通空调省去了大量分散的外机；相比大型中央空调，省去了大型冷却塔等附属设施。
4）无污染，不燃烧化石燃料，完全没有污染物
排放。
5）维护成本低，相比于锅炉和大型空调等设备，低温热源热泵几乎无需维护，基本保证15年无大修，是企业降低运营成本的理想选择。
鉴于以上优势，低温热源技术在国内外各个领域已有比较广泛且较为成熟的发展和应用。早在30年前，瑞士、芬兰、奥地利、德国等就已经开始使用浅层土壤地热作为生活供暖热源；20世纪末，美国新建的商业建筑中已有30%采用低温热源技术供暖制冷[4]。当今中国，以地下水或浅层土壤为热源的商用低温热源技术已然成熟，并广泛地运用在各类大型建筑中。
基于矿井回风的煤矿低温热源技术相比基于其他热源的低温热源技术，有着不可比拟的优势，包括：
1）矿井回风热源蕴藏量大，在全国37.37亿吨（合260985.67万吨标准煤）每年（2015）[5]的煤矿开采量，吨煤开采平均4.15m3/h的用风量，吨煤开采平均0.5～4.0吨的排水量[4-6]的现实下，矿井巷道围岩散热和矿井排水中的热量其实相当可观。
2）建设成本低，基于矿井回风的低温热源技术直接依托地面回风，省去建设深井或地下螺旋管的费用，前期投资成本显著降低。
3）温度适中且冷热兼用，矿井回风的温度在15～25℃且全年温度基本恒定；矿井排水温度在15～20℃且全年水温基本恒定；职工澡堂外排废水温度在16～25℃之间且全年温度基本恒定。相比于电厂冷却水（35℃）或者钢厂冷却水（45～65℃）[7]而言，矿井回风热源温度适中，可同时满足冬季供暖和夏季降温的双重需求。
4）可助力井下高温防治，根据《煤矿安全规程》规定：“当采掘工作面空气温度超过26℃、机电设备硐室超过30℃时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇；当采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室超过34℃时，必须停止作业①。”回风系统带走井下热量，热泵带走回风中的热量，助力矿井回风有效散热，防止高温带来的危险。
鉴于以上种种优势，低温热源技术逐渐被各大工矿企业所青睐，助力企业降能耗、提效能。
2 低温热源技术现状综述
2.1 概述
矿井基低温热源主要以矿井回风和矿井排水为主要热源，必要时可利用职工浴室废水和职工家属生活污水作为热源。所以，如何有效地提取矿井回风和矿井排水中的热能显得尤为关键。对此，业内通行的做法是采用热泵技术。
2.2 热泵技术
热泵能吸收无用的低温热量转变为有用的高温热量，使之可以被再次利用。比较成熟的热泵按工作原理不同，可分为以兰金循环（压缩-膨胀）为基础的系统和以吸收循环为基础的系统[8]。其中，以兰金循环为基础的系统更为普遍。按照介质分可分为水源热泵、地源热泵和空气源热泵，在矿井生产中，水源热泵以其稳定的运行性能和较高的热效率被广泛采用。
热泵由压缩机、蒸发器、冷凝器（散热器）和节流阀组成。工作时，低温低压的液体制冷剂在蒸发器中从低温热源，如矿井回风中吸热并气化；压缩机把气化后的制冷剂气体变成高温高压气体；高温高压气体经节流阀进入散热器，膨胀、冷却成为液体制冷剂并同时放热，完成一个热能搬运过程。
具体到煤矿回风上，矿井基热泵依靠在回风机口处安装喷水装置与矿井回风形成逆流进行热交换，提取低温热量。为提高提取热量的效率，可以通过增大循环水与矿井回风的接触面积等方法，提高交换效率。 然而热泵机组压缩机的效率不尽如人意，这是制约热泵技术发展的主要因素之一。冀中能源集团有限公司的刘建功给出了解决这一问题的3个技术途径[4]，本文不再赘述。
2.3 污水源热泵技术
污水源热泵系统相比于前两者而言，对能源的利用率更高，同时技术难度也更大。目前主要的技术瓶颈仍然是无法有效清除污水造成的管道内污物淤积、结垢的问题。虽然现在已经有一些除垢技术[9-10]，但这些技术大都与实际生产有一定距离；再者，对于大部分工矿企业而言，矿井回风热泵系统和空压机余热回收系统就可以大体满足企业职工对于热量的需求，企业对此技术的需求不大。
3 结论
目前低温热源技术发展状况良好，具有相当的未来发展潜力。
据陕煤集团神木柠条塔矿业张科利的计算，该矿整套热泵设备相比传统锅炉+空调的供暖制冷模式每年可节省标准煤11 016t，CO2和SO2排放量分别减少28 641.6t和220.32t[11]。冀中能源集团的东庞矿、章村矿等都已安装投产了相关设备，且节能减排效果
明显[4]。
越来越多的企业正在建设低温热源热泵极其配套设备，或已经投入使用。随着国家节能节排政策的深入实施，相信绿色矿山的理想将很快实现。
注释
①2016年10月1日起实行的《煤矿安全规程》（国家安全生产监督管理总局令第87号），第三章热害防治，第六百五十五条之规定。
参考文献
[1]董兰明.热泵节能技术综述[J].山西科技，2008（3）：170-172.
[2]薛玉伟，李新国，赵军，等.地下水水源热泵的水源问题研究[J].能源工程，2003（2）：10-13.
[3]郑凯，方红卫，王理许.地下水水源热泵系统中的细菌生长[J].清华大学学报（自然科学版），2005，45（12）：1608-1612.
[4]刘建功.煤矿低温热源利用技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2013，41（4）：124-128.
[5]国际统计局.经济数据查询[EB/OL].http：//data.stats.gov.cn/search.htm？s=2015.
[6]冯耀挺.采煤工作面风量计算方法及主要参数选取[J].陕西煤炭，2008（5）：11-13.
[7]王大中.钢铁厂循环冷却水处理的特点[J].工业水处理，1989，9（2）：5-8.
[8]V.A.欧斯塔斯，A.莱特，任大亨.热泵和热管的能量传递[J].机电设备，1981（12）：29-34.
[9]孫春锦，吴荣华，孙源渊，等.污水源热泵技术研究现状及分析[J].暖通空调，2015（9）：49-53.
[10]宋明启，王志国，刘晓燕，等.污水源热泵技术综述[J].低温建筑技术，2014，36（10）：131-133.
[11]张科利.矿井低品位热能综合利用技术研究及应用[J].煤炭工程，2015，47（7）：27-29.