一、项目背景
1.水源热泵技术的概念
地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能送到建筑物中采暖。
2.水源热泵在煤矿的应用
煤炭企业由于生产的特殊性，特别是井工开采煤矿，矿井水余热资源可进行水源热泵技术开发应用，温差稳定在一定温度范围，无疑给水源热泵技术的应用提供了一种特别能量。冬季可利用回收矿井水的热能作为水源热泵机组的热源，满足煤矿井筒保温、工业场地生产、办公及职工宿舍取暖等。夏季可通过水源热泵借助冷却塔为办公、宿舍等场所提供冷气。四季提供热水，用于生活和职工洗浴。
二、资源分析
某矿矿井余热资源丰富，主要分为矿井水余热、WAT制冷系统余热、压风机余热、风井排风余热等方面。
1.矿井水热资源
矿井涌水量为1200m3/h，水温40～42℃，蕴涵丰富的低品位热能资源。考虑到矿井水在地面处理过程中的散热损失以及管道热损失等，水源热泵机组冬季可利用初始水温为35℃，矿井水可利用温差为20℃。
冬季矿井水理论可利用热量：Q=1.163×（1220×103）×(35-15)=28377kW
2. WAT制冷系统热资源
井下WAT一期共3台制冷机组，正常使用2台，单台制冷量为3300kW，冬季降温冷却水量为700m3/h，冷却水供回水温度为18/23℃，可提供的热负荷约为4083kW。
井下WAT二期共6台制冷机组，正常使用4台，单台制冷量为3300kW，冬季降温冷却水量为1400 m3/h，冷却水供回水温度为18/23℃，可提供的热负荷约为8167kW
3.压风系统热资源
压风机房安装6台压风机，每台功率400kW,压风机输出功率80%转换成热量。根据工程实践，可利用热量折合压风机轴功率的65%。正常生产时空压机房运行2台，可回收热量为520kW。
选煤厂压风机房安装14台压风机，每台功率250kW。正常运行12台，每小时可回收热量为1950kW。
4.风井排放废气热资源
矿内风井排风量为16657m3/min，折合999420m3/h，温度28.6℃，相对湿度95%。按热回收后温度降低为15℃、相对湿度为70%计算。此时矿井排风中每小时可提取热量为16431kW。
北风井排风量为8164m3/min，温度27.2℃，相对湿度95%。按热回收后温度降低为15℃、相对湿度为70 %计算,每小时可提取热量为5984kW。
三、水源热泵系统建设
根据供暖地点分布，矿区建设6座水源热泵机房，各机房机组配备情况如表1。现以北工广生产区水源热泵机房为例，介绍水源热机房及其配套设施的建设方案。
北工广生产区水源热泵系统设计装有5台水源热泵机组，总装机制热量为12605kW，其中三台高压离心机组主要负责井筒防冻和空调负荷，单台制热量2900kW。两台低压螺杆机组主要负责浴室供热负荷，单台制热量1952.4kW。该系统是在原制冷机房基础上改造而成，包括热源系统、主机系统、井筒防冻末端和联合建筑浴室供热系统。
表1 公司水源热泵系统配置应用情况 单位：KW1.确定机房建设用地
矿井北工广用地面积320亩，目前已全部使用。矿井地面制冰站建筑面积812㎡，位于矿井水水源和北工广生产区用热地点中间，2012年停用闲置。因此选用地面制冰站作为北工广生产区水源热泵机房，减少土建费用，缩短管网距离。
2.热源系统
水源热泵热源来自井下矿井排水。在制冰机房东侧新建1000m?地面水池作为矿井水循环水池，同时也作为井下消防洒水池。矿井水取自地面矿井水处理厂。
水池中的矿井水在循环泵作用下从水池南侧经矿井水过滤器过滤、热源换热器换热后返回水池北侧。水池的水温呈南高北低趋势。北侧的低温矿井水混合高温矿井水循环至水池南侧再次为水源热泵提供热源，完成矿井水循环。部分低温矿井水经排水泵排至井下用作消防洒水，剩余矿井水再排回地面矿井水处理厂。
3.主机系统
机房内设5台水源热泵机组，总装机制热量为12605kW,可满足井筒防冻、联合建筑空调、浴室供热热负荷。主机系统采用母管制连接方式，提高机组的备用性、安全性、灵活性。
4.井筒防冻末端
矿井总通风量为360m?/s，其中副井进风220 m?/s，1#、2#主井进风均为70 m?/s。
井筒防冻的末端加热装置采用工业热风器，工业热风器将部分新风加热到20℃，再与其余渗风混合到2℃进入井筒。矿井总通风量为360m?/s，其中副井进风220 m?/s，1#、2#主井进风均为70 m?/s。
为满足井筒防冻的要求，副井进风需工业热风器加热的风量为361305m3/h，主井进风需工业热风器加热的风量为114937 m3/h。
根据以上计算，共选用10台工业热风器，单台风量为：65000 m3/h，电功率：18.5kW。其中副井选用6台；1#、2#主井各选用2台。
副井的工业热风器布置在井口房两侧，并对现有空气加热室进行改造。主井的工业热风器布置在现有空气加热室内。
夏季，工业热风器利用水源热泵系统制取的低温冷冻水降低进入井筒的空气温度，为井口房和井下提供一定的冷量，缓解井下降温负荷。
5.浴室供热系统
为合理利用现有设施及设备，浴室加热系统利用现有联合建筑水泵间内的3座水池作为循环加热水池。3个水池轮流交替加热。冬季，4#热泵机组通过提取矿井水的热量制取55℃的高温热水。洗浴水通过板式换热器中与高温热水进行热交换，逐渐升温至45℃。加热后的洗浴水再通过全自动供水设备供至各用水点。
夏季，充分利用制取空调冷冻循环水时产生的冷凝废热制取高温热水，不足部分由矿井水的热量进行补充。达到充分利用各种热能资源，实现最大限度节能减排的目的。
5#热泵机组可作为浴室供热的备用机组，增强浴室供热系统的安全性，确保洗浴热水供应。
四、设计特点
公司水源热泵机房在设计上具有以下几方面特点。
1.冷热联供
矿井井下温度超高，为保障工人职业健康，必须进行制冷降温。该系统在满足冬季井筒保温、职工洗浴、区队办公楼采暖的同时，利用提热之后的副产品——冷却水，进行井下洒水降温，相当于免费冷源，节能效果十分显著。
2.多功能联合运行
通过系统设计，可实现制冷空调、洗浴供热、井口防冻、矿井降温等各种功能的方便切换，相互利用，便于运行管理。夏季制冷工况，可利用井口冬季防冻系统实现低温送风。
3.系统稳定可靠
采用处理后的矿井水，并通过板式换热器隔绝矿井水与热泵机组，防止了机组的堵塞和腐蚀。矿井涌水量稳定，水体温度恒定，保障了热泵机组稳定可靠运行，系统具有高效的经济性和安全性。
4.自动化控制
集控室可以直观显示机房每个角落，监控系统运行状态，能够自动控制系统各个环节，方便运行管理。集控系统配置计算机网络，能够提供数据交换、资源共享等基本功能，具有良好的可扩展性、升级性以及强大的服务功能；系统具备数据采集、报表及流程图生成、打印功能，提高了自动化水平和生产效率，减轻了工人的劳动强度。
五、效益分析
1.经济效益
（1）北工广生产区水源热利用原制冷机房进行改造，选煤厂水源热泵机房利用锅炉房改造而成，节约土建投资1000余万元。
（2）应用水源热泵系统比传统锅炉每年减少运行费用2000余万元，减少锅炉检验费7.8万元。
2.环境效益
该项目的研究实施，彻底取消了矿区锅炉，每年节能量折标煤2万多吨，每年减排二氧化碳3.4万吨，减排二氧化硫235吨，环境效益显著。
3.社会效益
水源热泵系统实现了自动化控制，方便运行管理，解放了大量的人力资源，提高了生产效率。项目运行后，改善了井下工作环境，保障了工人职业健康。
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