滴道盛和煤矿立井超低温空气源热泵新技术的应用

引言

滴道盛和煤矿立井作为重要煤炭开采设施，承担煤炭提升、人员输送及通风等关键功能。其所在区域冬季漫长，10 月至次年 4 月平均气温低于-15℃，极端低温导致井筒内壁易发生冻融循环，造成混凝土结构开裂、井壁变形，甚至引发提升设备卡阻等安全事故。传统采用燃煤锅炉或电加热系统供暖，存在能耗高、污染大、维护成本高等问题。随着国家“双碳”目标推进及煤矿绿色发展要求提高，亟需高效清洁的供暖技术，超低温空气源热泵凭借在极端低温下的稳定制热能力、低能耗及环保特性，成为解决该立井供暖难题的理想选择。

一、超低温空气源热泵技术原理与适配性改造

超低温空气源热泵基于逆卡诺循环原理，通过压缩机做功转移空气中低品位热能至高温热源侧。与常规热泵相比，其核心改进在于采用喷气增焓压缩机与高效换热技术，在 -30℃环境下仍能稳定运行。喷气增焓技术通过引入中间压力制冷剂蒸汽，降低压缩机排气温度，提升效率；优化后的换热器采用亲水铝箔翅片与内螺纹铜管，增强低温换热能力，减少结霜影响。针对滴道盛和煤矿立井工况，适配性改造包括：按井筒防冻需求，设计 8 台 50kW 机组并联，满足每小时 800MJ 热负荷；选用 R410A 与 R32混合工质，提升低温蒸发效率，降低充注量；开发智能除霜控制系统，结合传感器数据动态调整除霜周期，减少热量损耗。同时，机组外壳采用防腐蚀镀锌钢板，内部电器元件防潮密封，压缩机设过载保护与电压波动补偿，确保在煤矿潮湿多尘环境长期稳定运行。

二、滴道盛和煤矿立井应用背景与实施路径

2.1 立井热负荷特性与参数设计

滴道盛和煤矿立井热负荷计算采用动态负荷法，结合当地气象与井巷结构参数。井筒冬季最大散热量 300kW，井壁传热占 60% ，空气对流占40% ；井下1200 平方米硐室经保温后热损失80kW，集中于设备散热补偿与空气渗透；500 立方米井口房因人员设备进出热损失20kW。总设计热负荷 400kW，考虑 1.2 倍安全系数，按 500kW 峰值配置。温度参数：井筒热水循环供水 55°C 、回水 45°C ，通过内壁散热片放热；井下硐室采用地暖与风机盘管，供水 45% 、回水 35°C ；井口房用热风幕与暖气片，空气加热至 15℃。系统设 20% 电加热辅助模块，极端低温时自动投入，保障热负荷稳定。

2.2 设备布局与系统集成方案

超低温空气源热泵系统设备就近布局，减少管路热损失与维护难度。热泵机房选址在立井工业广场合适位置，距离井口较近，采用钢结构彩板房建设，具备良好的防寒、防雨、通风功能，为设备运行提供稳定的环境。机组布置合理，预留足够的检修与散热空间，方便日常维护和操作。中部设置缓冲水箱，配备相应的传感器，用于稳定系统水压和调节水温，确保供水的稳定性。循环水泵房紧邻机房，安装的变频泵可根据末端负荷变化调整转速，降低输送能耗，提高系统运行效率。管路采用合适的材料和连接方式，做好保温处理，减少沿途热损失，保证热量能够有效输送到各个需要供暖的区域。系统采用分布式控制系统实现设备联动，通过控制器连接各类设备，采集多项关键参数，构建闭环控制逻辑，确保系统根据实际情况自动调整运行状态。

2.3 施工难点与技术保障措施

超低温空气源热泵系统施工面临诸多难点，冬季施工会对混凝土浇筑与管道焊接质量产生不利影响，由于低温环境下材料性能和施工工艺都会受到限制，容易出现质量问题；新旧系统更替过程中，需确保不影响煤矿的正常生产，这就要求施工计划必须周密，避免因施工导致停产；井壁散热片安装空间狭窄，作业难度大，对施工人员的技术和经验都有较高要求。针对这些问题，采取了一系列技术保障措施：选择在非供暖季进行施工，避开严寒天气对施工质量的影响，管道焊接采用可靠的工艺，并进行严格的无损检测，确保接口的密封性和强度；采用“新旧并行过渡”方案，保留旧锅炉直至新系统调试完成，通过阀门切换实现平稳过渡，最大限度减少对生产的干扰。施工过程中，厂家技术人员全程指导，对施工人员开展多次专项培训，确保其掌握相关规范和技术要求，最终通过严格的测试确保系统符合设计标准。

三、超低温空气源热泵应用效果与技术价值

3.1 能效提升与能耗对比分析

超低温空气源热泵在能效提升方面表现突出，在低温环境下仍能保持较高的制热量，相比常规热泵具有明显优势。改造后，单位面积能耗较之前有了显著下降，能源利用效率大幅提高，远超过传统燃煤锅炉的热效率。系统的协调优化进一步降低了能耗，通过变频水泵与机组的联动控制，在部分负荷工况下能有效减少能源消耗。例如，在气温回升阶段，系统能自动调整机组运行数量，使单台机组维持在高效运行区间，避免了能源的浪费。能耗变化趋势符合寒区的气候特点，在冬季最冷时段能耗较高，而在气温相对温和的时期能耗较低，体现了系统良好的动态调节能力。

3.2 成本控制与经济效益评估

超低温空气源热泵的成本控制贯穿于设备的全生命周期。初期投资虽然相对传统锅炉较高，但从长期来看，符合环保政策和矿井可持续发展的要求。在运行成本方面，电费支出占比较大，但相比传统供暖方式，总体运行费用有了明显节省，主要得益于燃煤采购费用的减少以及避免了脱硫脱硝设备的运维成本。维护费用也显著降低，由于超低温空气源热泵系统结构相对简单，维护工作较为简便，所需的人力和物力成本都低于传统锅炉。从长期经济效益来看，在设备使用寿命周期内，累计节省的成本相当可观。同时，系统运行过程中减少了相关岗位的劳动力投入，每年可节省一定的人工成本。

3.3 安全保障与环境效益体现

超低温空气源热泵的应用显著提升了立井的安全保障能力。在井筒安全方面，稳定的温度有效避免了混凝土剥落与钢筋锈蚀，井壁结构完整性得到明显提高，变形量控制在较低水平，远低于行业标准，保障了井筒的稳定运行。设备运行安全方面，系统具备多重保护功能，能在检测到异常参数时迅速做出反应，自动停机并报警，有效避免了因供暖故障导致的生产中断事件。在人员安全方面，井下硐室温度的稳定控制降低了设备故障率，减少了因设备问题引发的安全事故，同时井口房温度的提升也降低了员工冻伤的风险，使工伤事故率有所下降。环境效益也十分显著，减少了大量燃煤消耗，从而降低了多种污染物的排放，矿区周边空气质量得到明显改善。

四、结语

超低温空气源热泵在滴道盛和煤矿立井的应用，证明其在寒区煤矿供暖的可行性与优越性。通过技术适配与系统集成，解决传统供暖能效、环保、安全问题，实现高效清洁供暖，成效显著，为同类煤矿提供借鉴。未来可探索光伏与热泵耦合，建光伏电站供清洁电，提升自给率；优化智能控制算法，结合气象预测精准调控，减能耗。该技术推广将推动煤矿低碳绿色转型，助力“双碳”目标实现。

参考文献

[1] 宋利利 . 大柳塔煤矿利用回风源热泵进行井筒防冻的实验研究 [D].西安建筑科技大学 [2025-08-05].

[2] 俞丽华 , 马国远 , 徐荣保 . 低温空气源热泵的现状与发展 [J]. 建筑节能 ,2007,35(003):54-57.

[3] 王沣浩 , 王志华 , 郑煜鑫 , 等 . 低温环境下空气源热泵的研究现状及展望 [J]. 制冷学报 ,2013,34(5):8.