多能源互补的矿区供热系统的制作方法

本发明属于矿业工程及能源工程，特别是一种将各种能源有效统筹和分配利用的多能源互补的矿区供热系统。

背景技术

近年来，国内雾霾现象越来越严重，尤其在北京、沈阳以及天津等地更为严重，“能源与环保”的话题已经成为国内民众关注的热点。在环境质量不断恶化的情况下，要想在保证经济发展的前提下保护环境，就应从解决碳排放等问题入手。北方煤矿地区的冬季需要大量热量用于洗浴、供暖以及井口防冻。煤矿地区员工数量庞大，洗浴产生大量的带有少量热量的废水。此外，矿区的矿井涌水量大且也比冬季室外地面温度要高一些(冬季北方室外气温在—10℃左右)。

洗浴废水和矿井涌水都属于低位能源热水且量比较大，若直接废弃则显得非常浪费，与节能环保的要求不符，而且矿区对热能的需求量也比较大，浪费热能的做法与热能的需求相矛盾；若对这部分低位能源热水加以利用，又存在许多问题，最为突出的问题是洗浴废水和矿井涌水的温度太低不足以能够直接利用；其次是洁净度不够，不适宜直接利用。

技术实现要素：

为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是针对北方煤矿地区，设计一种多能源互补的矿区供热系统，最大限度的利用矿区的矿井涌水以及洗浴废水等多种低位能源，满足北方煤矿地区供暖、洗浴和矿井防冻的热能需求，以尽可能达到经济节能的效果，同时保证冬季北方矿区的正常运转。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种多能源互补的矿区供热系统，其包括：

低热能废水供应装置，收集包含洗浴废水和矿井涌水在内的低热能废水并通过低热能废水管向外输出，该低热能废水管包括第一低热能废水管和第二低热能废水管；

第一热应用单元，包括第一热泵组和自来水水源，该第一热泵组的各热泵均包含蒸发器端和热交换器端；该第一低热能废水管的水分别以支路连接至该第一热泵组的各热泵的蒸发器端；该自来水水源供应的自来水依次经过该第一热泵组的各热泵的热交换器端，使自来水被多级升温至预定温度；

第二热应用单元，包括水-醇换热器和醇-空气换热器，该低热能废水供应装置通过第二低热能废水管向该水-醇换热器供应低热能废水，该水-醇换热器中的醇吸收低热能废水的热量变成热醇，热醇通过该醇-空气换热器将空气加热，被加热的空气用于矿井的井口防冻。

所述醇为常温下的液态醇，如乙醇、甲醇等，这些醇的凝固点远低于水(0℃)，可避免低热能废水直接与温度极低的寒冷空气换热时导致换热器内的水结冰，影响正常工作。

根据本发明的一个实施例，还包括第三热应用单元，该第三热应用单元包括第二热泵组和采暖回水管，该采暖回水管供应采暖回水；该第二热泵组的各热泵均包含蒸发器端和热交换器端；从该水-醇换热器出来的低热能废水以支路分别连接至该第二热泵组的各热泵的蒸发器端；该第二热泵组的各热泵的热交换器端与该采暖回水管串联，该采暖回水依次经过该第二热泵组的各热泵的热交换器端后，使采暖回水被多级升温至预定温度。

根据本发明的一个实施例，该低热能废水管还包括第三低热能废水管，该系统进一步包括第三热应用单元，该第三热应用单元包括第二热泵组和采暖回水管，该采暖回水管供应采暖回水；该第二热泵组的各热泵均包含蒸发器端和热交换器端；该第三低热能废水管的低热能废水分别以支路连接至该第二热泵组的各热泵的蒸发器端；该第二热泵组的各热泵的热交换器端与该采暖回水管串联，该采暖回水依次经过该第二热泵组的各热泵的热交换器端后，使采暖回水被多级升温至预定温度。

根据本发明的一个实施例，该第一热应用单元还包括水-水换热器，该水-水换热器一端连接该自来水水源，另一端连接该第一低热能废水管，使该自来水水源供应的自来水首先经过该水-水换热器被预加热，然后再依次流经该第一热泵组的各热泵。

根据本发明的一个实施例，该第三热应用单元还包括水-水换热器，该水-水换热器一端连接该采暖回水管，另一端连接该第三低热能废水管，使该采暖器回收管的水首先经过该水-水换热器被预加热，然后再依次流经该第二热泵组的各热泵。

根据本发明的一个实施例，该第一热应用单元的第一热泵组包含2个以上的热泵。

根据本发明的一个实施例，该第三热应用单元的第二热泵组包含2个以上的热泵。

根据本发明的一个实施例，该第一热应用单元包含1个水-水换热器和3个热泵，该第一低热能废水管的低热能废水首先流经该水-水换热器对进入该水-水换热器的自来水预加热，从该水-水换热器出来的低热能废水分别以支路连接该3个热泵的蒸发器端；被预加热的自来水再依次经过该3个热泵的热交换端；借助该3个热泵分别提取流经该水-水换热器的低热能废水的热量，对自来水多次升温至预定温度。

根据本发明的一个实施例，该第三热应用单元包含1个水-水换热器和3个热泵，从该水-醇换热器出来的低热能废水分别首先流经该水-水换热器对进入该水-水换热器的采暖回水预加热，从该水-水换热器出来的低热能废水分别以一条支路连接该3个热泵的蒸发器端；被预加热的采暖回水再依次经过该3个热泵的热交换端；借助该3个热泵分别提取流经该水-水换热器的低热能废水的热量，对采暖回水多次升温至预定温度。

根据本发明的一个实施例，所述第三热应用单元还包含水-空气换热器，经过该第二热泵组各热泵处理的采暖回水进入该水-空气换热器，将流经该水-空气换热器的空气加热，被加热的空气用于矿井的井口防冻。

根据本发明的一个实施例，所述第一热应用单元还包括第一数据处理模块和若干仪表，所述仪表包含流量计、压力表和温度计，用于监测自来水和低热能废水在进出各换热器前后、进出各热泵前后的流量、压力和温度数据，并上报给控制系统。

根据本发明的一个实施例，所述第二热应用单元还包括第二数据处理模块和若干仪表，所述仪表包含流量计、压力表和温度计，用于监测低热能废水在进出该水-醇换热器前后、该醇进入该水-醇换热器前后、该醇进出该醇-空气换热器前后、该空气进出该醇-空气换热器前后的流量、压力和温度数据，并上报给控制系统。

根据本发明的一个实施例，所述第二热应用单元还包括第三数据处理模块和若干仪表，所述仪表包含流量计、压力表和温度计，用于监测采暖回水和低热能废水在进出热交换器前后、进出各热泵前后、采暖回水提供住户采暖前后的流量、压力和温度数据，并上报给控制系统。

控制系统根据监测的流量、压力和温度数据，对第一、第二、第三低热能废水管的流量分配进行协调，对各热泵、换热器的马达/电机功率进行调节，达到调节温度的作用，保证整套供热系统的有序运行。

一种多能源互补的矿区供热系统，其包括：

低热能废水供应装置，收集洗浴废水和矿井涌水在内的低热能废水并通过低热能废水管向外输出，该低热能废水管包括第一低热能废水管和第二低热能废水管；

第一热应用单元，包括第一水-水换热器、第一热泵组和自来水水源，该第一热泵组包含3个热泵，各热泵均包含蒸发器端和热交换器端；所述第一低热能废水管与自来水水源均连通所述第一水-水换热器，通过第一水-水换热器使低热能废水对自来水预加热；从该第一水-水换热器出来的低热能废水分别以支路连接该3个热泵的蒸发器端，被预加热的自来水依次流经3个热泵的热交换端，使预加热的自来水被该3个热泵累积升温至预定温度；

第二热应用单元，包括水-醇换热器和醇-空气换热器，该低热能废水供应装置通过第二低热能废水管向该水-醇换热器供应低热能废水，该水-醇换热器中的醇吸收低热能废水的热量变成热醇，热醇通过该醇-空气换热器将空气加热，被加热的空气用于矿井的井口防冻；

第三热应用单元，包括第二水-水换热器、第二热泵组和采暖回水管，采暖回水管供应采暖回水，该第二热泵组包含3个热泵，各热泵均包含蒸发器端和热交换器端；从该水-醇换热器出来的低热能废水和采暖回水均输入该第二水-水换热器，利用低热能废水将采暖回水预加热；从该第二水-水换热器出来的低热能废水分别以支路连接该3个热泵的蒸发器端，被预加热的采暖回水依次流经3个热泵的热交换端，使预加热的采暖回水被该3个热泵累积升温至预定温度。

根据本发明一个较佳实施例，所述第三热应用单元还包括一个水-空气换热器，所述水-空气换热器利用从该第三热应用单元的3个热泵出来的采暖回水对进入该水-空气换热器的空气进行加热，被加热的空气用于矿井的井口防冻。

本发明的有益效果是：

(1)在本发明的方案中，所述低热能废水分别以支路连接多台热泵的蒸发器端，而欲加热的自来水/采暖回水与所述多台热泵串联，使欲加热的自来水/采暖回水依次流经各热泵，最大限度地增加自来水/采暖回水的温度，最大限度地提高各热泵的工作效率，将低品位能源热水分级和多次利用，多级提升自来水/采暖回水的温度，节省能源。

(2)矿井防冻时考虑北方空气气温很低(约-15℃～0℃)，在第二热应用单元中，如果直接用空气与第二低热能废水输出的低热能废水进行热交换，很可能会导致低热能废水结冰，为此通过设置水-醇换热器、醇-空气换热器，采用熔点远低于水的醇做传热媒介，从而保证换热器正常工作。

(3)本发明将经过水-醇换热器出来的低热能废水进一步利用，配合第二水-水换热器和多台热泵，对采暖回水加热升温，用于用户供暖，最大限度的利用了废水的能量。

(4)在矿井的井口防冻需要更多热量时，还可利用已被加热升温的采暖回水对空气加热，被加热的空气用于矿井的井口防冻。

本发明还设置了多个仪表，包含流量计、温度计、压力表等，用于监测各工作介质和被加热流体进出各热泵、各换热器前后的温度、流量、压力数据，控制系统根据监测结果，统一调整、统筹、分配各管道的输入流量和分配比例、各热泵、换热器动力部分的工作功率、达到调节各节点温度的目的，使输出的热水或热空气满足特定用途的要求，保证整套供热系统的有序运行。同时本发明所用的能源均为低品位能源，能耗低，产热量大，几乎零排放，符合当前提倡的节能减排要求，而且运行费用低，系统简单，运行效率高，适合北方煤矿地区推广利用。

附图说明

图1为本发明实施例1的多能源互补的矿区供热系统的流体走向和工作原理示意图。

图2为热泵的工作原理和组成结构示意图。

图3为本发明实施例2的多能源互补的矿区供热系统的流体走向和工作原理示意图。

【附图标记说明】

1低热能废水供应装置、20第一热应用单元、2第一水-水换热器、3第一热泵组(含热泵3a、3b、3c)、6储水槽、11第一低热能废水管输出的水、12第二低热能废水管输出的水、70第二热应用单元、7水-醇换热器、8醇-空气换热器、90第三热应用单元、9第二水-水换热器、10第二热泵组(含热泵10a、10b、10c)、13水-空气换热器、14流量计、15压力表、16温度计、17采暖回水管供应的采暖回水、31热泵的蒸发器端、34热泵的热交换器端、压缩机32、膨胀阀33。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示为本发明较佳实施例1的多能源互补的矿区供热系统流体走向和工作原理示意图。

如图1所示，所述系统包括：

低热能废水供应装置1，收集洗浴废水和矿井涌水在内的低热能废水并通过第一、第二低热能废水管向外输出热能废水，参见图中标记11和12表示的由热能废水管输出的水。

第一热应用单元20，包括第一水-水换热器2、第一热泵组3和自来水水源，该第一热泵组包含三个热泵，即热泵3a、热泵3b、热泵3c，各热泵3a、3b、3c均包含蒸发器端31和热交换器端34。第一低热能废水管输出的热能废水11与自来水水源均连通第一水-水换热器2，通过第一水-水换热器2使低热能废水11对自来水预加热至约20℃。从第一水-水换热器2出来的低热能废水分别以支路连接该三个热泵3a、3b、3c的蒸发器端31，即三个热泵3a、3b、3c的蒸发器端31为并联，各自分别从低热能废水11中吸收热量，被热泵3a、3b、3c用过的低热能废水11汇集至下水管排出。被预加热至20℃的自来水依次流经该三个热泵3a、3b、3c的热交换端34，使自来水被该三个热泵3a、3b、3c多级升温至44℃。具体地，当被预加热至20℃的自来水经热泵3a处理后，温度提高至28℃；再经热泵3b处理后，温度提高至36℃左右；最后经热泵3c处理后，温度升至44℃，将44℃的自来水收集至储水槽6，供住户洗浴使用。

热泵的工作原理，可参见图2所示。热泵包括蒸发器端31、压缩机、热交换器端34、压缩机32、膨胀阀33。其中蒸发器端31包含蒸发器，蒸发器内装有低温低压的传热工质，蒸发器端31还包含供低热能废水11流过并与蒸发器内传热工质进行热传递的空腔或管道，该低热能废水11进入该空腔或管道时，将热量传递至传热工质，传热工质吸热升温变成低压蒸气，低压蒸气经压缩机32压缩成高压高温气体，高压高温气体进入热交换器端34。热交换器端34包含冷凝器，该高温高压气体进入冷凝器，冷凝器周围还设有供自来水流过并与冷凝器内的高压高温蒸气进行热传递的空腔或管道，自来水进入此空腔或管道吸收冷凝器内高温高压的蒸气的热能，自来水被加热。同时，传热工质的蒸气因放热而冷凝成高压液体，高压液体经膨胀阀后成低温低压液体，再次进入蒸发器端31吸收该低热能废水11的热量，如此进行循环。在这个过程中，低热能废水11的热量被转移给温度更高的自来水，使自来水升温至使用所要求的温度。自来水依次被第一水-水换热器2、第二热泵组3总计提温4次。

第二热应用单元70，包括水-醇换热器7和醇-空气换热器8，第二低热能废水管输出低热能废水12进入该水-醇换热器7，该水-醇换热器7中流经的醇吸收低热能废水12的热量后被升温，升温的醇进入醇-空气换热器8，醇-空气换热器8从外界吸入的低温空气吸收高温醇的热量，空气温度由零下升至2℃以上，输出至矿井的井口，防止井口冻冰。

第三热应用单元90，包括第二水-水换热器9、第二热泵组10和采暖回水管，采暖回水管供应采暖回水17。该第二热泵组10包含三个热泵，即热泵10a、热泵10b、热泵10c，各热泵10a、10b、10c均包含蒸发器端和热交换器端(参见图2及上文的原理说明)。从该水-醇换热器7出来的低热能废水12和采暖回水17首先均输入该第二水-水换热器9，利用低热能废水12将采暖回水17预加热。从该第二水-水换热器9出来的低热能废水12以支路连接该三个热泵10a、10b、10c的蒸发器端，即三个热泵10a、10b、10c的蒸发器端为并联，各自分别从低热能废水12中吸收热量，被热泵10a、10b、10c使用后的低热能废水12汇集至下水管排出。被预加热的采暖回水17则依次流经该三个热泵10a、10b、10c的热交换端，使采暖回水17被该三个热泵10a、10b、10c多级升温至50℃左右，供住户室内采暖。具体地，该采暖回水17依次被第二水-水换热器9、第二热泵组10总计提温4次。

如图1所示，当北方矿区夜间的空气温度过低时，可能用于井口防冻的热量需求会加大。此时，可利用被升温的采暖回水17与空气热交换，输出温度更高一点的空气，用于井口防冻。如图1所述，在第二热泵组10处理后的采暖回水17的管路上，并列连接一个水-空气换热器13，被加热的空气用于井口防冻。

如图1所示，第一热应用单元20、第二热应用单元70、第三热应用单元90分别包括第一数据处理模块、第二数据处理模块、第三数据处理模块和若干仪表，仪表包含流量计14、压力表15和温度计16，用于监测自来水、采暖回水17、低热能废水11、12在进出各换热器的前后、进出各个热泵的前后、空气进入换热器前后的流量、压力和温度等数据，并上报给控制系统。控制系统根据监测的流量、压力和温度数据，对第一、第二等低热能废水管的流量分配进行协调分配，对各热泵、换热器的马达/电机功率进行调节，以达到调节温度的作用，满足洗浴、采暖、防冻等的使用要求，保证整套供热系统的有序运行。

实施例2

参见图3所示，实施例2与实施例1的区别在于，将第一水-水换热器7和第二水-水换热器9改为分别与第一低热能废水管输出的热能废水11、第二低热能废水管输出的热能废水12为并列的关系。换句话说，让热能废水11以一个支路连至第一水-水换热器7、热能废水12以一个支路连至第二水-水换热器9。如此，可保证第一低热能废水管输出的热能废水11和第二低热能废水管输出的热能废水12进入第一热泵组3、第二热泵组10时，与热泵蒸发器端的低温低压传热工质间具有尽量大的温差，从而提高与传热工质的传热效率，由此提高热泵的工作效率。

实施例3

实施例3与实施例1的区别仅在于，将第一水-水换热器7和第二水-水换热器9更换为热泵，同样地，分别与第一低热能废水管输出的热能废水11、第二低热能废水管输出的热能废水12为并列的关系，即热能废水11、热能废水12以一个支路连至各热泵，也就是省略水-水换热器。

实施例4

实施例4与实施例1的区别仅在于，在实施例1的基础上，将低热能废水供应装置1的出水分为第一、第二、第三低热能废水管向外输出热能废水，第一热能废水管供应的低热能废水11供给第一热应用单元20、第二热能废水管供应的低热能废水12供给第二热应用单元70、第三热能废水管供应给第三热应用单元90。换句话说，将低热能废水供应装置1收集的洗浴废水或矿井涌水，不先被第二热应用单元70的水-醇交换器7使用之后再进入第三热应用单元90，而是直接应用于第三热应用单元90，对采暖回水17升温供住户室内采暖。由此，通过保持输入第三热应用单元90的低热能废水的温度，提高与第三热泵组10中低温低压传热工质间的温差，从而提高与传热工质的传热效率，由此提高第三热泵组10的工作效率。

需要说明地是，以上各实施例在保证可实施的情况下可任意组合，只要符合本发明的基本构思并可达到较好的技术效果的各种组合方案，均在本发明的保护范围内。因此，本发明的技术方案不以具体实施例为限。