走进冀中能源集团东庞煤矿北井，你会发现一个奇怪的现象：找遍这个矿区都看不到一台锅炉、一个冷却塔，却照样能一年四季实现供热制冷。
这是全国首个使用矿井回风热泵系统的煤矿。4月28日，东庞煤矿水电公司副经理马建忠向记者揭示其秘密：从矿井回风中采集低温废热当作“种子”，通过新技术“长”出新能源，实现冬天供暖，夏天制冷等功能。
我国煤矿以前基本都采用燃煤锅炉供暖，而燃煤是造成雾霾天气的重要原因之一。2008年，煤矿低温废热回收利用技术由冀中能源股份有限公司和北京矿大节能科技有限公司共同研发并实施。研发团队主要成员之一、河北工程大学教授王景刚表示，采用这一技术，实现了全矿区范围内取消燃煤锅炉，为河北省削减4000万吨燃煤提供一种新思路。
热泵技术将低位废能变为可用能
“冬天暖气热得很，夏天还能感觉到凉风习习，和传统空调没什么两样。”记者在北井矿区热泵机房看到，机房里整齐排列着热泵机组和各种管道、设备，一台供洗浴用热泵机组正在运转。
马建忠指着这些设备说，通过回风换热器和热泵装置，就能将18至21摄氏度的矿井回风中蕴含的热能转移到循环水中，“原本无法有效利用的低位废热，由此摇身一变成为可利用能源，制出45摄氏度热水或7摄氏度冷水，向整个矿区供热和供冷。”
事实上，不仅是东庞煤矿，我国大部分煤矿在开采过程中都会伴生大量矿井回风和矿井排水，同时存在坑口电厂冷却水、洗浴废水以及工业炉窑排烟等废热。这些废热资源储量巨大，但由于大都温度较低，不能直接利用，以往基本会被排放到外界环境中，造成很大的能源浪费。“比如，全国煤矿每年外排矿井水约420亿立方米，利用率却不到30%。”王景刚介绍说。
之前不能有效利用的低位废热资源，怎样才能变废为宝呢？“说白了，就是借助热泵技术，像水泵一样把这些低位热能‘提’出来，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能。”王景刚打了个比方，“换句话说，热泵就相当于能源的采掘机”
热泵系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等构成。王景刚解释说：“经过整个系统将完成吸热、压缩、放热、节流的循环过程，借助储存在煤矿废热中的低位热能，将低温低压液体转化成高温高压液体，所放出的热能不断转移到水循环系统中，将水温提升至设定的温度供矿区采暖、洗浴等使用。”
同一套系统满足冬夏两种不同运行模式
“4月28日16时23分，水温44.6摄氏度……”在东庞煤矿热泵机房的监控系统大屏幕上，清晰显示着这样的实时数据。
“44.6摄氏度是当天洗浴用水的温度。”王景刚解释说，热泵机组冬天供热的标准工况出水温度为45摄氏度，夏季制冷供水温度则稳定保持在7至12摄氏度之间。运行结果表明，设定为这两个温度，能效比达到较佳效果。
那么，同样一套系统，如何满足冬季、夏季两种不同运行模式呢？“我们会根据不同季节通过水系统的切换来调整运行模式，但热泵机组系统本身并不需要改变。”王景刚介绍说，冬季时，经热泵机组蒸发器提取废热低温热源的热能后，再通过冷凝器调节为40至50摄氏度的热水向用户输出；夏季时，矿井废热循环水系统与热泵机组的冷凝器相连，热泵机组按制冷工况运行，制取7至12摄氏度的冷水，供空调系统使用。
“这套系统的难点不是冬夏季不同的运行模式，而是矿井废热包含矿井回风、排水、洗浴废水、坑口电厂冷水等不同类型废热资源，每一类都有其独特之处，复杂的低品位热能向能量提取技术提出了更高要求。”王景刚举例说，如果废热源为矿井水源，矿井水就需要通过在线水处理装置过滤和净化水质后，直接送入热泵机组提取热能。而要提取矿井回风废热资源，则需要开发一种设备，既能高效回收矿井回风热能，又能满足矿井通风系统安全生产的要求，如现在采用的喷淋式矿井回风换热装置。
目前，煤矿低温废热回收系统一般只用于煤矿工业自身用途，春秋季用热需求较小时，矿井产生的多余废热只能白白浪费掉。“跨季节蓄能技术的研发成功，或将弥补热能的季节不平衡现象。”在王景刚看来，不远的将来，可以通过蓄能装置把夏天排出来的热能储存起来，冬天再予以释放，这样就可以实现矿井废热资源在不同季节的转移，提高系统的节能效果，甚至还有可能，通过高效输配技术，实现矿井废热资源跨行业、跨地域的应用。
1份电能可换4倍热能，比燃煤锅炉节能40%以上
“煤矿低温废热回收利用技术具有较好的节能性和经济性。”通过运行几年来的数据对比，马建忠对这项技术信心满满：东庞矿区供热面积6000多平方米，仅此项技术的应用，每年就可以为该矿节约经费136万元，同时减少煤炭消耗2958吨，减少二氧化碳排放7690吨，减少二氧化硫排放59吨。
在王景刚看来，节能和环保是这项技术的最大优点。“煤矿废热资源储量巨大。”他介绍说，应用热泵技术，消耗1份电能，就可以得到4至5倍的热能，与燃煤锅炉相比，可实现节能40%以上。
与此同时，煤矿废热代替燃煤，也可以大大减少燃烧化石燃料带来的环境污染和温室效应。“煤矿废热利用系统运行时可以达到零排放，无燃烧、不排烟，也没有任何废弃物。”王景刚说。
此外，这套系统还具有优良的经济性能。王景刚认为，利用煤矿废热提取热能，主要是设备的初投资，运行费较低，综合经济效益明显。与此同时，热泵系统不仅能满足冬季供暖的需求，还可满足制冷、供生活热水的要求，一套系统可以代替原来的供热锅炉、空调制冷和热水加热3套装置，综合成本大大降低，运行费用为普通中央空调的50%-60%。
“目前河北省已有多家煤矿采用该技术，从已建成项目的运行情况看，热泵系统使用寿命较长，维护费用较低。”王景刚认为，全国煤矿大多分布在北方地区，基本都采用锅炉供暖，直接消耗一次能源，采用该技术可大量降低一次能源消耗。“以全国煤矿矿井总回风为例，利用矿井回风能量回收系统，年可节约标准煤约750多万吨，减少二氧化碳排放量约1800多万吨。”
