某高层住宅楼热害矿井废热采暖系统设计

某高层住宅楼热害矿井废热采暖系统设计

杨伟¹，李荠²，孙跃¹

（1、辽宁工程技术大学建筑与工程学院，阜新市123000

    2、阜新市双益热力设计研究院        阜新市123000）

摘要：对某高层住宅楼采暖热负荷按规范进行了详细计算，得出了热负荷指标，并绘制了采暖系统图；对地热换热器进行了计算并对采暖系统的实际运行费用进行了分析。结果得出与采用冬季集中供热的采暖系统相比，在相同的热负荷条件下，地源热泵系统具有显著的节能效果。利用矿井废热的地源热泵系统可降低采掘工作面的温度,回收一部分热量用于建筑供暖，其应用还会受多方面的影响。

关键词：热害矿井；地热换热器；供热；经济性分析；节能     

Design of a High-rise Apartment Building’s Heating System Usings Waste Heatfrom Heat Harmful Mine

Yang Wei¹ ，Li Qi²，Sun Yue¹

(1 College of Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin City, 123000

2 Academy of Shuangyi Heating power Design of Fuxin City, Fuxin City, 123000)

Abstract:According to specifications, the detailed calculation of the heating load of a high-rise apartment building shows the heating load index, the diagram of heating system is also presented. Based on  the calculation of geothermal heat exchangers and the analysis of actual operating costs, the comparation between the heating system with district heating and ground source heat pump system  of the same heating load shows great energy-saving effect of GSHPs. The ground source heat pump using waste heat of the mine is to decrease the temperature of working face, and recovery a part of heat for building heating. The application ofit to beaffected by many factors.

Keywords:heat harmful mine,geothermal heat exchanger; heat supply, economic analysis ,energy efficient

1 引言

     矿井开采深度的增加，采掘工作面温度超过30℃的矿井数目日益增多，而且危害程度也日趋严重。高温矿井的热环境不仅降低工人的劳动生产率，影响矿井经济效益，而且严重地危及到矿工的身体健康和劳动安全。改善矿井内气候状况，防止热害，保障安全生产，加速我国矿井降温理论的研究己是矿井生产现实所要求的紧迫任务。矿井降温的关键是使井下巷道围岩温度降低。利用热泵技术^[1]将地热换热器布置在巷道内，地热换热器内介质（水）吸收巷道岩体热量将岩体温度降低，间接降低巷道内空气的温度，达到改善热环境的目的，同时将加热后的介质输送至地面供建筑物采暖用。热泵机组、循环泵布置在井下巷道内。建设热害矿井地源热泵系统目的是降低采掘工作面的温度,进行建筑供暖只是热量的一部分回收。

2 住宅楼工程概况

    住宅楼位于东经122°，北纬42°，为北温带大陆型季风气候区，年平均气温为8.8℃。最冷月（1月）平均气温在-4.5～8℃之间。最热月（8月）平均气温在24℃上下，平均相对湿度61％，最大相对湿度78％，最小相对湿度48％。平均冻土深度1.11米，最大冻土深度1.48米，最小冻土深度0.68米。

本建筑物是高层住宅楼，建筑面积7406.28m²，总高度34.800m。主建筑层数为十二层，地下室为车库，无采暖；一～十二层为住宅，层高2.90m，三个单元，户型一致。

3 供暖系统负荷计算

   设计热负荷是供暖设计中最基本的数据，它直接影响供热方案的选择、供暖设备的容量以及供暖系统的使用效果和运行成本。建筑的供暖热耗计算涉及建筑物围护结构传热耗热、冷风渗透耗热及建筑物内部得热三部分。

住宅采用低温热水地板辐射采暖，一~六层为低区;七~十二层为高区。均使用节点阀进行入户控制。供水温度小于等于60⁰C，室外计算温度为-17⁰C，冬季室外平均风速为2.3m/s，室内起居室、餐厅、卫生间设计温度均为18℃、厨房设计温度为15℃，地沟及管道井内管道均采用PP-R热熔管，热熔连接。修正后标准层房间总耗热量170901.93W,顶层房间总耗热量46030.5 W,修正后采暖总耗热量Q=216932.43W(修正后采暖耗热量：Q=170901.93W+46030.5W=216932.43W)。采暖热指标29.29W/m²(216932.43/7406.28=29.29W /m²)。经设计后单元采暖系统如图1，楼梯间采暖表箱安装如图2。

4地源热泵系统设计^[6、7]

4．1确定地热换热器的布置形式

    地热换热器的布置方式主要有两种形式，即竖直埋管和水平埋管^[3]．选择哪种方式主要取决于冷热负荷、工程场地大小、当地岩土类型及挖掘成本等因素。如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。当场地面积有限时，适合采用竖直埋管方式，很多情况下选择后者。从管路的连接上又分为串联和并联等形式。由工程特殊性决定了布置形式只能采用水平埋管，即将管路水平布置在非工作面侧壁和水平巷道底部。具体布置形式如图3。

4．2选择换热器管材

    目前国际上广泛采用的高密度聚乙烯（美国牌号PE3408）管材，壁厚（强度）推荐按SDR11选取，管径（内径）通常采用20－40mm。管径的选择应根据热泵的流量要求以及选用的连接形式确定。即一方面管中流体的流速应足够大，使管中产生湍流以利于传热，另一方面，该流速又不应过大，以使循环泵的功耗保持在合理的范围内。设计中采用的是国产高密度聚乙烯管，内径为26mm，外径为32mm。管内设计流速为0.6m/s。

4．3地下换热器换热量计算

    热泵系统实际最大释放热量包括：热泵机组释放到水中的热量、循环水在输送过程中的得到的热量、水泵释放到循环水中的热量，即：

最大吸热量=Σ[Q×（1+1/COP）]+Σ输送过程损失的热量 - Σ水泵释放热量      (1)

式中， Q为建筑热负荷，kW；COP热为热泵机组制热时的性能系数,3.9。

注：因输送过程的损失热量、水泵释放热量该两项与管路的长短、水泵运行工况等都有关，公式中后两项（一项为失热量，另一项为得热量）相互抵消，即上述公式可简化为
              最大吸热量= ×（1-1/COP）                                                                    (2)

因此冬季地下换热器的换热量分别为：

最大吸热量= ×（1-1/COP）=206932.43（1-1/3.9）=153872.83W=153.87kw

4．4确定循环液（水）的温差与流量^[8]

    循环液（水）进、出蒸发器的温度分别为27℃和23℃，即温差为4℃，则循环液最大流量按下式计算；

                                           (3)

式中，  为循环液比定压热容，KJ/Kg为循环液温差℃。

因此循环液最大流量为：

4．5地下换热器钻孔数

    地埋管总过流断面应根据热泵机组蒸发器的流量要求以及循环液的流速来确定。按下式计算；

                                  (4)

式中，n为地下换热器钻孔数d为地埋管内径m;v为循环液流速m/s。

因此地下换热器钻孔数为：

4．6确定地下埋管换热器长度

    地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料如：地下温度(围岩温度34.5℃)、传热系数（2.70W/m℃）、体积比热（2345KJ/m³℃）。热泵参数制热量153.87KW、热源水流量33.15m³/h、输入功率60.4KW等。利用软件模拟计算长度为9490.47 m。

4．7确定换热器钻孔长度

    在工程中单u形管，埋管长度一般为40～90 m，水平孔深40～90 m根据下式确定：

                                                  (4)

式中为地下换热器钻孔长度，m;L为地埋管长度，m；

因此地下换热器钻孔长度为：

单孔164m较长，对单孔进行调整。选择每口井长平均约为40 m（已考虑富余量），调整钻孔数为120（9490.47/（2×40）=118.63）个，连接选择4个一组串联连接，然后进行并联连接。

5 地源热泵采暖系统运行费用

    冬季采暖183天，每天24小时运行。设置循环水泵二台, 一用一备，单台功率为18.5KW, 热泵机组二台, 一用一备型号为SM180^[9],单台机组电功率为43KW，运行系数0.49。根据有关实际运行情况及室内外参数,对系统在采暖期间的耗电量和运行费用进行了分析计算结果如表1所示。

表1  地源热泵系统运行分析

电价计算时按0.5元计算在同样的供热负荷条件下，如仅采用冬季集中供热，其供热费为196266.42元（7406.28米26.5元/米²=196266.42元)，而采用冬季供热时地源热泵系统运行费用仅为66176.46元。与此相比地源热泵可节约费用约33.72％。

6 结语

1) 与集中供热采暖系统相比，在满足相同的热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用约33.72％。由于热害矿井地源热泵系统可以改善局部巷道内环境，对环境保护有积极的促进作用。

2) 热害矿井地源热泵的应用还受土壤或岩石特性影响，初投资较高、缺少针对土壤热物性参数的研究成果、缺少最佳匹配参数、缺少动态特性研究等方面因素,需要设计人员多积累多思考,将技术的可靠性和节能性、环保性有效地结合起来。

3) 热害矿井地源热泵对矿井降温只是一个辅助降温方式，完全依靠他将使地埋管换热器敷设量是巨大的，而且也是非常困难的。他的优点是将巷道内一部分热量利用起来进行供暖。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。