1、山东宏河矿业集团红旗煤矿空压机废热回收利用科研项目技术方案 2012.3目 录1、工程概况22、项目实施的必要性23、设计依据24、设计原则及内容35、空压机废热换热量计算36、建筑热负荷计算47、冷热源及建筑负荷统计58、能量回收系统原理分析59、设计思路610、达到的效果711、研发内容812、主要经济技术指标、项目最终目标1113、关键技术及创新点1114、研究或研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤1115、技术、经济可行性及可靠性分析、论证1216、对安全、环境、健康的影响性分析1317、现有基础、技术条件，保证体系1518、项目负责人、项目组成员及分工171、工程概况1.1项目2、名称：山西红旗煤矿空压机废热源热泵科研项目1.2项目概况：本项目为红旗煤矿压风机房、副井提升机房、机车充电房、器材科库及油脂库建筑提供冬季采暖，供暖面积共计2529 m2，根据设计院提供的数据实际供暖面积为：2000 m2，目前红旗煤矿压风机房有3台空气压缩机组，长年保持一台开启状态，空气压缩机所产生的废热为热泵项目的热能，利用创造了极佳的条件。2、项目实施的必要性（1）根据调研结果的总结，按现有条件：利用空压机散热所提供新热源，是最佳方案。（2）空压机散热量：矿上有三台空压机散热所产生的热能，空压机废热的温度常年保持在35以上，单台相对风量249.4 m3/min.。（3）采用热泵将空压机冬3、季的热能加以利用，达到空压机废热的回收利用，实现向压风机房、副井提升机房、机车充电房、器材科库及油脂库供暖，同时解决夏季空压机房的降温需求。（4）热泵机组在提供能量的同时，除消耗少量的电能以外，现场没有任何污染物体排放。（5）综合以上可以总结出本项目空压机废热及其它回收能源利用的热泵技术是一种以消耗少量电能为代价，能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的装置。通过热泵技术可以回收空压机运行过程中所蕴藏的低温热能，可以满足冬季采暖的需求。实现不燃煤，取消燃煤锅炉，减少大气污染，项目符合国家节能政策。实现再生能源的利用，本项目符合节能减排、发展循环经济的基本国策。3、设计依据本工程根据建设方提供4、的相关资料，并依据现行有关国家颁发的有关规范、标准进行设计，具体为：（1）地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2005（2）采暖通风与空气调节设计规范 GB50019-2003（3）煤炭工业采暖通风及供热设计规范 MT/T5013-96（4）煤炭工业矿井设计规范 GB50215-2005（5）建筑给水排水设计规范 GB50015-2003（6）全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调动力（7）全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水（8）通风与空调工程施工质量验收规范 GB50243-20024、设计原则及内容4.1 设计原则（1）研制高效节能的废热回收装置。（2）安装风机盘管或空气处理机采5、暖及制冷，保证冬季供暖、夏季制冷。（3）采用涡旋式热泵机组。机组高效率高、噪音低、免维护。（4）采用直接数字监控系统，提高系统自动监控水平，做到无人值守。（5）系统综合考虑节能、环保，节省投资。4.2 设计内容本工程设计内容包括：（1）空压机废热热量提取装置（研制）；（2）热泵机房系统；（3）末端连接系统；（4）末端系统；5、空压机废热换热量计算5.1空压机废热参数空压机废热温度基本不受室外气温影响并且全年都比较恒定，空压机废热风量为249.4 m3/min. 即4.16 m3/s，冬季回风温度35以上。空压机废热实测数据计算表数：150. 140表速：V表=60/145=2.41真风速：V真6、=0.86XV表+0.03=2.1平均风速：V均=V真XS/S-0.4=1.75S=1.7X1.4=2.38m风量：Q=V均X60XS风量：1.75X60X2.38=249.4m3/min.5.2冬季可提取的热量冬季按回风温度35，相对湿度为15%，提取热量后的空压机废热温度为5，相对湿度为95%，则可以从空压机废热中提取的热量为：空压机废热换热量计算Qqd=(h1d-h2d)pv=(48.61-18.31)4.161.281=161.47kW式中：Qqd冬季空压机废热换热量，kWh1d冬季空压机废热温度为35，相对湿度为15%时的焓，kj/kg；h2d冬季空压机废热温度为10，相对湿度为957、%时的焓，kj/kg；p排风平均空气密度，1.281kg/ m3 ;v排风量，4.16m3 /s。5.3冬季热泵系统可产生的热量按照热泵机组的综合能效比4.0计算，则热泵系统可产生的热量为：Qs= Qqd/(1-1/COP)= 161.47/(1-1/4.0)=215.29 kW6、建筑热负荷计算6.1室外设计参数及标准设计用室外气象参数单位数值年采暖总天数d180冬季采暖室外计算温度-15冬季空气调节室外计算温度-20冬季极端最低温度平均值-30冬季室外平均风速m/s2.8冬季室外计算相对湿度67最大冻土深度m0.856.2室内设计参数：房间名称冬季新风标准m 3/h.人排风次/h噪声标准d8、B(A)温度0C相对湿度%压风机房8-104040副井提升房18-204040机车充电房8-104040器材科、油脂库8-106.3地面建筑热负荷（提供建筑面积2529m2）。建筑面积为2529 m2 。地面建筑热负荷：2529 m280w/ m2=202.32KW7、冷热源及建筑负荷统计序号名称总热量（kW）总冷量（kW）备注1可回收废热215.292建筑采暖负荷202.323负荷对比+12.978、能量回收系统原理分析8.1系统原理根据现场实测的数据，空压机的排风温度冬季为35，排风量为249.4 m3/min，即4.16 m3/s，为热泵机组良好的热源。冬季采暖：利用回收空压机废热的热能9、为热泵机组的热源。夏季制冷：隔离空压机废热，采用现场环境空气作为散热源。8.2压缩机废热热泵系统配置分析（1）利用空压机房的多余位置作为热泵机房。（2）研制废热回收装置。（3）空压机废热回收装置。废热回收换热器安装于空压机房外侧排风处。空压机废热热交换器尺寸根据现场的尺寸确定，考虑到空压机的废热中含有腐蚀性气体，本设计压缩机废热换热器中主要部件均使用不锈钢材质。空压机废热换热器的循环氟利昂从装置的下方流出，汇集于经管路输送至热泵机组的氟利昂系统。 供暖外管线和末端散热系统。9、设计思路9.1设备选型选择中温型涡旋式空压机废热源热泵机组HE240型1台（研制），用于压风机房、副井提升机房、机车充10、电房、器材科库及油脂库冬季采暖。9.2机房平面布置空压机废热源热泵机房面积为：3.9m(长)3.35m（宽）3m（净高）；图9-2 空压机废热源热泵机房平面布置图9.3室外管线系统（1）室外管线包括热源水管道和空压机废热换热系统管道。（2）室外管线采用架空铺设方式。（3）室外管线的布置根据现场布置情况设计路游。10、达到的效果10.1达到的效果（1）供回水温度45/40。（2）冬季供暖室内温度车间810、控制室1820。10.2对周边环境的影响热泵机组在提供能量时，除消耗少量的电能以外，现场没有任何污染物体排放。11、研发内容11.1空压机废热回收换热器空压机排风温度在3035之间，相对湿度111、0%以上，空压机排风风量及其温度、湿度一年四季变化不大，空压机排风中能量储量大，但温度不宜直接使用，能量不易采集，因此需研究一种高效空压机废热热能提取换热装置，即一种新型的“空气”热交换器，将空压机所产生的废热能交换到循环水中，作为热泵系统的低温热源，不断循环使用。系统流程图见11-1。图11-1 空压机废热源热泵系统示意图与空压机排风及通风方式适应的高效换热装置。要求达到：研究空压机废热换热器的材质。换热器的材质直接影响换热效率，包括表面式换热器、间壁式换热器的材质。根据各个部件的功能采用热阻及导热率不同的材质。要使空压机排风中的能量充分交换到循环水中，同时减少能量向大气的散失。研究空压机废12、热换热器内外部结构。研究各种换热器在内部的空间布置形式，抵抗矿井回风中的腐蚀性气体的能力。研究随着运行时间的增加换热器表面集灰的情况及对换热器效率影响的关系，研制可靠的去除表面集灰的系统，导流装置。研究不同形式的空压机废热换热器的外形与增加的通风局部阻力的关系。空压机废热换热器的结构形式：根据现有空压机机房的出风口尺寸设计空压机废热换热器的结构。 11.2空压机废热源热泵机组开发作为低温热源的循环水要通过热泵机组主要部件之一的蒸发器，因此要求蒸发器要适应矿井回风换热器循环水各项指标的要求。确定蒸发器的形式与内部结构，考虑循环水腐蚀性、悬浮物、硬度等指标，设计新型卧式壳管式蒸发器。研究传热管的材13、质及布置形式对工质充注量、换热效率、结垢特性的影响规律。根据循环水腐蚀性、悬浮物、硬度等指标，以换热量大小不同形成系列产品。研究开发空压机废热源热泵机组。以新型蒸发器为基础，配套选型压缩机、冷凝器、节流部件、工质(采用环保型工质)、电磁阀、控制器等，设计新型高效的中温型空压机废热源热泵机组。空压机废热源中温型热泵机组相关技术参数见下表11-1。HE240B型热泵基本技术参数机组型号HE240B电源电压3-380V-50Hz启动方式名义制冷量kW195.0制冷输入功率kW44.2名义制热量kW227.1制热输入功率kW60.94压缩机型式全封涡旋式压缩机数量4（暂定）制冷剂R-22（暂定）蒸发器14、型 式壳管式热交换器水管直径DN65冷冻水流量m3/h22.7地下水流量m3/h12.1冷凝器型 式壳管式热交换器水管直径DN65地下水流量m3/h14.2热水流量m3/h25.1外型尺寸(LWH)2.11.21.9m（暂定）机组重量1280暂定）运行重量1430暂定）11.3自控系统技术完成对整个系统全部设备的监测与自动控制，实现“现场无人值守，巡逻值班”的目标。控制原理见图11-3. 图11-3 自控原理12、主要经济技术指标、项目最终目标12.1 主要技术经济指标另加引风机，对空压机废热换热器局部阻力没有任何影响。热泵系统出水温度不低于40。热泵机组能效比不低于4.0。空压机废热源热泵系15、统性能稳定、免维护，运行寿命20年。12.2 目标回收空压机运行过程中所产生的热量，实现系统高效稳定运行，达到系统无人职守，力争获得煤矿新技术奖项。13、关键技术及创新点13.1 技术关键 空压机废热换热器的的研制，内部结构设计、材质、换热效率、局部阻力、除尘方式。空压机废热源热泵机组的研制，出水温度不低于40，采用环保型工质，能效比不低于4.0，噪音低，免维护。空压机废热源热泵系统可靠性研究。13.2 项目创新点研制出高效低阻力空压机废热回收换热器。研制出空压机废热源热泵机组。14、研究或研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤14.1 技术路线根据空压机的风量及散热器的开式，设计空压机废16、热换热器的外形。确定空压机废热换热器的材质。换热器的材质直接影响换热效率，包括表面式换热器、间壁式换热器和换热器外保温材质。根据各个部件的功能采用热阻及导热率不同的材质。要使空压机废热中的能量充分交换到循环水中，同时减少能量向大气的散失。确定空压机废热换热器内部结构。研究换热器内部的空间布置形式及导流装置，表冷器的数量及压力与换热效率的关系。模拟空压机废热换热器与增加的通风局部阻力的关系。试验表面式热交换器、间壁式热交换器的集灰随时间的变化规律已经对换热效率的影响规律。试验循环水在高温型热泵机组中产生污垢系数的规律，及对换热效率的影响的变化规律。试验随着空压机废热热交换器循环水水质时间的变化的17、规律。在上述现场和实验测定结果的基础上，完成水源热泵系统设计，为工程施工提供依据。14.2 研究试验方法采用现场试验、实验室试验及理论分析相结合的方法开展本项目研究。15、技术、经济可行性及可靠性分析、论证15.1 技术可靠性分析热泵的商业应用有近三十几年的历史。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统占空调总量的19%，其中有新建筑中占30%。美国热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协18、会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。与美国的热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦27%，国外在煤矿应用水源热泵技术未见报道。中国自20世纪50年代就已经开始了热泵研究工作，但一直发展缓慢，直到20世纪80年代初国民经济有了较大的发展，使得制冷空调工业发展很快。进入20世纪90年代后，随城市开放和消费水平的提高，空调机及加热产品迅速进入了家庭，能源供应紧张问题突出，节能及有效利用能19、源的工作刻不容缓，因此，热泵的应用已提到议事日程。在中国，北京、沈阳、广州等大城市发展非常迅速，目前应用于民用建筑、一般工业建筑的空调和供暖的水源热泵系统技术已经成熟。15.2 运行费用分析课题完成后，实现污染物的零排放。解决红旗矿供热面积2529m2 。表6-2空压机废热源热泵运行费计算设备运行季节设备功率运行时间百分数负荷百分数用电量（kWh）总量运行费用名称（kW） 时间（小时）（kWh）冬季25432059551305697028485元机组506032400454019440循环水泵冬季54320216002160010800元年运行人工费及设备维修保养费用，此热泵机组为无人职守，只20、需操作开机、关机及调节温度，热泵机组为进口涡旋式压机保用20年，每年只需要简单保养就可以。35000年供暖运行费用(元)7428516、对安全、环境、健康的影响性分析研究高效换热器。要求换热器本身应具有防尘防腐功能，对空压机排热运行工况无影响。空压机废热源热泵供暖空调系统是一种高效节能的环保型空调系统，对环境无任何污染，并且系统可以实现无人职守。对值班工人无健康方面的影响。空压机废热源热泵系统为常压系统，不存在压力容器所带来的不安全因素。17、现有基础、技术条件，保证体系项目合作单位江苏中科华誉能源技术发展有限公司，公司主要从事可再生能源的综合利用及高温矿井降温及热害治理工作。公司首创了利用水21、源热泵技术回收矿井排水热能、矿井总回风热能，用于工业广场内建筑物供暖（包括夏季空调）、进风井井筒防冻、供职工浴室热水等，从而减少或取消燃煤锅炉，以达到“节能减排”的目标。公司拥有“地埋管方式地能辐射冷暖系统(专利号ZL200520118455.X)”、“地下水方式地能辐射冷暖系统(专利号ZL200520118456.4”、“矿井回风热回收利用的方法及装置（ZL200610041512.8）”、“矿井回风热回收利用的装置（ZL200620078177.4）”、“矿井地热能利用装置（ZL200720037929.7）”、“矿井回风热能提取装置（ZL200720043354.X）”等六项专利。目前公司技术人员构成中，博士后2名，博士3名，硕士7名，具有中高级职称的工程技术人员占公司员工的80%。公司具有供暖制冷设备的开发、安装及维护维修经验，拥有一支高素质的技术队伍，可以独立完成大型建筑项目供暖制冷系统的设计与施工。18、项目负责人、项目组成员及分工本项目组成员及分工见下表18-1表18-1 项目组成员及分工表姓 名职称、职务学 历工作单位分工项目组织实施方案设计方案设计、论证审查方案设计、论证审查方案设计、论证审查方案设计、论证审查方案设计、论证审查方案设计方案设计方案设计方案设计方案设计 2012年3月