一种低碳矿井冷热能综合利用系统

本发明属于暖通空调领域，具体为一种低碳矿井冷热能综合利用系统。

背景技术：

1、近年来，我国工业化进程不断加快，工业发展对矿产资源的依赖性比较大，矿井开采深度不断增加。同时，深部矿井井下空气环境的高温高湿问题愈来愈严重，其导致的一系列问题也更加突出，如对劳动者身体造成伤害(中暑、神经性疾病等)、生产效率下降、事故发生率增加、机械设备寿命缩短等，严重制约了矿产资源的开发效率和矿井工人的健康保护。目前，矿井热害已成为威胁煤矿安全生产的六大灾害之一；

2、因此需重视矿井热害环境控制技术的研发；目前的矿井空气降温热泵系统往往依靠大量其他能源(如天然气、废瓦斯、排风排水废热等)为热泵提供能量，但其获取难度大、利用成本高且适用范围小，井下空气换热不够灵活，难以满足全年工况低碳运行需求。

技术实现思路

1、针对我国全年空气温度温差较大的特点，本发明提供了一种低碳矿井冷热能综合利用系统，其特征在于，包括：一次网供水、一次网回水、二次网供水、二次网回水、三次网供水、三次网回水、气-水换热器、冷却塔、电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二、电动压缩式热泵三、电动制冰机、蓄冰罐、常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器，其中室外空气管网分别与常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器相连，常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器依次相连并通入通风井中；矿井新风进入通风井后通过矿井井下通风系统吸热后与回风井相连，回风井的回风进入气-水换热器的气侧进行放热或者直接排入大气；蓄冰罐分别通过管路与电动制冰机和超低温表冷器相连形成回路；

2、一次网回水依次经过第十三阀门、第十六三通、第十五阀门、第一三通、电动压缩式热泵一的非二次水入出口、循环水泵、第二三通、第十六阀门、第三三通、电动压缩式热泵二的非二次水入出口、循环水泵、第四三通、第十七阀门、电动压缩式热泵三的冷凝器侧、第十八阀门、第十五三通和第十四阀门与一次网供水相连；第十五三通的第三路经过第二一阀门、第十七三通、常温表冷器的水侧、第十八三通、第二二阀门与第十六三通的第三路相连，第十七三通的第三路经过第二阀门与第二三通的第三路相连，第十八三通的第三路经过第一阀门与第一三通的第三路相连；第四三通的第三路经过第三阀门、低温表冷器的水侧、第四阀门和第三三通的第三路相连；

3、所述二次网回水分别经过第六三通、第十三通、第八三通和第十二阀门进入电动压缩式热泵三的蒸发器侧，随后电动压缩式热泵三的蒸发器侧出口依次经过第十一阀门、第七三通、第九三通和第五三通后作为二次网供水，二次网供水经过第十一三通和第八阀门返回气-水换热器的水侧；第五三通的第三路经第五阀门、冷却塔、第六阀门、循环水泵与第六三通的第三路相连；第八三通的第三路顺序经第三二阀门、电动压缩式热泵一的二次水入出口和第三一阀门与第七三通的第三路相连；第十三通的第三路经电动压缩式热泵二的二次水入出口与第九三通的第三路相连；第十一三通的第三路经第十阀门、电动制冰机、第九阀门与第十二三通的第三路相连，气-水换热器的水侧流出的水经过第七阀门、第十二三通和循环水泵之后与电动式制冰机流出的水汇合作为二次网回水。

4、当环境温度＞26℃时，所述电动压缩式热泵一、所述电动压缩式热泵二和所述蓄冰罐均开启，电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵一蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵一的非二次水入出口与常温表冷器水侧的入出口相连；电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵二的非二次水入出口与低温表冷器水侧的入出口相连；室外空气先进入到常温表冷器的气体侧进行降温，再进入到低温表冷器气体侧进行二次降温，然后进入超低温表冷器气体侧进行第三次降温，最后送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自矿井回风井排入大气。

5、当环境温度为15℃～26℃时，所述电动压缩式热泵二开启，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵二的非二次水入出口与低温表冷器水侧的入出口相连；室外空气直接进入到低温表冷器的气体侧进行降温，再进入到超低温表冷器进行二次降温，最后送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自回风井排入大气；电动压缩式热泵二的冷凝器侧通过冷却塔换热降温，超低温表冷器的水侧与蓄冰罐换热降温；

6、当环境温度为5℃～15℃时，所述超低温表冷器开启，室外空气直接进入到超低温表冷器的气体侧进行降温，并送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自回风井送入气-水换热器进行回风降温，超低温表冷器与蓄冰罐换热。

7、当环境温度为2℃～5℃时，所述一次网回水依次经过电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三升温后提供一次网供水；电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵一蒸发器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连；电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵二的非二次水入出口连通，电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵一的非二次水入出口连通；室外空气直接送入矿井进风井，对井下空气作热湿处理后，自回风井进入气-水换热器进行回风余热回收；由电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三出口汇合的二次供水同时进入气-水换热器的水侧和电动式制冰机吸热升温，回风井的回风进入气-水换热器的气侧放热，电动制冰机制成的冰进入蓄冰罐储存；升温后二次回水汇合后，进入电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三放热。

8、当环境温度＜2℃时，所述一次网回水依次经过电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三升温后提供一次网供水；电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连；电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵二的非二次水入出口连通，电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵一的非二次水入出口连通；室外空气先进入常温表冷器的气体侧进行预热，再送入矿井进风井，对井下空气作热湿处理后，自回风井进入气-水换热器进行回风余热回收；常温表冷器的水侧直接从一次网供水中分出一路换热，并流回至一次网回水管路；由电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三出口汇合的二次供水同时进入气-水换热器的水侧和电动式制冰机吸热升温，回风井的回风进入气-水换热器的气侧放热，电动式制冰机制成的冰进入蓄冰罐储存；升温后二次回水汇合后，进入电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三放热。

9、所述第十六三通和所述第十五阀门之间的管路上安装有第十三三通，所述第十五三通和所述第十四阀门之间的管路上安装有第十四三通，第十三三通的第三路经过第十九阀门、储热水池、第二十阀门和第十四三通的第三路相连；

10、当一次网供水热量富余时，一次网供水在第十四三通的第三路经第二十阀门进入储热水池上部，同时随着上部高温水的进入，储热水池下部低温水经第十九阀门流出与一次网回水混合；

11、当一次网供水热量不足时，一次网回水在第十三三通的第三路经第十九阀门进入储热水池下部，同时随着下部低温水的进入，储热水池上部高温水经第二十阀门流出与一次网供水混合。

12、本发明还提供了一种低碳矿井冷热能综合利用系统，包括：一次网供水、一次网回水、二次网供水、二次网回水、三次网供水、三次网回水、气-水换热器、冷却塔、电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二、电动压缩式热泵三、电动制冰机、蓄冰罐、常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器，其中室外空气管网分别与常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器相连，常温表冷器、低温表冷器和超低温表冷器依次相连并接入通风井中；矿井新风进入通风井后通过矿井井下通风系统吸热后与回风井相连，回风井的回风进入气-水换热器的气侧进行放热或者直接排入大气；蓄冰罐分别通过管路与电动制冰机和超低温表冷器相连形成回路；

13、一次网回水依次经过第十三阀门、第十六三通、第十三三通进入第十九三通后分两路，其中一路依次经过第十五阀门、第一三通、电动压缩式热泵一的非二次水入出口、循环水泵、第二三通、第十六阀门、第三三通、电动压缩式热泵二的非二次水入出口、循环水泵、第四三通、第二三阀门与第二十三通相连，另一路经过第十七阀门、电动压缩式热泵三的冷凝器侧、第十八阀门与第二十三通相连；两路在第二十三通汇合后，依次经过第十五三通、第十四三通、第十四阀门与一次网供水相连；第十五三通的第三路经过第二一阀门、第十七三通、常温表冷器的水侧、第十八三通、第二二阀门与第十六三通的第三路相连，第十七三通的第三路经过第二阀门与第二三通的第三路相连，第十八三通的第三路经过第一阀门与第一三通的第三路相连；第四三通的第三路经过第三阀门、低温表冷器的水侧、第四阀门和第三三通的第三路相连；

14、所述二次网回水分别经过第六三通、第十三通、第八三通和第十二阀门进入电动压缩式热泵三的蒸发器侧，随后电动压缩式热泵三的蒸发器侧出口依次经过第十一阀门、第七三通、第九三通和第五三通后作为二次网供水，二次网供水经过第十一三通和第八阀门返回气-水换热器的水侧；第五三通的第三路经第五阀门、冷却塔、第六阀门、循环水泵与第六三通的第三路相连；第八三通的第三路顺序经第三二阀门、电动压缩式热泵一的二次水入出口和第三一阀门与第七三通的第三路相连；第十三通的第三路经电动压缩式热泵二的二次水入出口与第九三通的第三路相连；第十一三通的第三路经第十阀门、电动制冰机、第九阀门与第十二三通的第三路相连；气-水换热器的水侧流出的水经过第七阀门、第十二三通和循环水泵之后与电动式制冰机流出的水汇合作为二次网回水。

15、当环境温度＞26℃时，所述电动压缩式热泵一、所述电动压缩式热泵二和所述蓄冰罐均开启，电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵一蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵一的非二次水入出口与常温表冷器水侧的入出口相连；电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵二的非二次水入出口与低温表冷器水侧的入出口相连；室外空气先进入到常温表冷器的气体侧进行降温，再进入到低温表冷器气体侧进行二次降温，然后进入超低温表冷器气体侧进行第三次降温，最后送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自矿井回风井排入大气。

16、当环境温度为15℃～26℃时，所述电动压缩式热泵二开启，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口通过电动压缩式热泵二的非二次水入出口与低温表冷器水侧的入出口相连；室外空气直接进入到低温表冷器的气体侧进行降温，再进入到超低温表冷器进行二次降温，最后送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自回风井排入大气；电动压缩式热泵二的冷凝器侧通过冷却塔换热降温，超低温表冷器的水侧与蓄冰罐换热降温；

17、当环境温度为5℃～15℃时，所述超低温表冷器开启，室外空气直接进入到超低温表冷器的气体侧进行降温，并送入矿井进风井，对井下空气做热湿处理后，自回风井排入大气，超低温表冷器与蓄冰罐换热。

18、当环境温度为2℃～5℃时，所述一次网回水分两路，其中一路依次经过电动压缩式热泵一和电动压缩式热泵二升温，另一路经电动压缩式热泵三升温，两路在升温汇合后提供一次网供水；电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵一蒸发器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连；电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵二的非二次水入出口连通，电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵一的非二次水入出口连通；室外空气直接送入矿井进风井，对井下空气作热湿处理后，自回风井进入气-水换热器进行回风余热回收；由电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三出口汇合的二次供水同时进入气-水换热器的水侧和电动式制冰机吸热升温，回风井的回风进入气-水换热器的气侧放热，电动式制冰机制成的冰进入蓄冰罐储存；升温后二次回水汇合后，进入电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三放热。

19、当环境温度＜2℃时，所述一次网回水分两路，其中一路依次经过电动压缩式热泵一和电动压缩式热泵二升温，另一路经电动压缩式热泵三升温，两路在升温汇合后提供一次网供水；电动压缩式热泵一的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连，电动压缩式热泵二的二次水入出口与电动压缩式热泵二蒸发器侧的入出口相连；电动压缩式热泵二冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵二的非二次水入出口连通，电动压缩式热泵一冷凝器侧的入出口与电动压缩式热泵一的非二次水入出口连通；室外空气先进入常温表冷器的气体侧进行预热，再送入矿井进风井，对井下空气作热湿处理后，自回风井进入气-水换热器进行回风余热回收；常温表冷器的水侧直接从一次网供水中分出一路换热，并流回至一次网回水管路；由电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三出口汇合的二次供水同时进入气-水换热器的水侧和电动式制冰机吸热升温，回风井的回风进入气-水换热器的气侧放热，电动式制冰机制成的冰进入蓄冰罐储存；升温后二次回水汇合后，进入电动压缩式热泵一、电动压缩式热泵二和电动压缩式热泵三放热。

20、所述第十六三通和所述第十九三通之间的管路上安装有第十三三通，所述第十五三通和所述第十四阀门之间的管路上安装有第十四三通，第十三三通的第三路经过第十九阀门、储热水池、第二十阀门和第十四三通的第三路相连；

21、当一次网供水热量富余时，一次网供水在第十四三通的第三路经第二十阀门进入储热水池上部，同时随着上部高温水的进入，储热水池下部低温水经第十九阀门流出与一次网回水混合；

22、当一次网供水热量不足时，一次网回水在第十三三通的第三路经第十九阀门进入储热水池下部，同时随着下部低温水的进入，储热水池上部高温水经第二十阀门流出与一次网供水混合。

23、本发明的有益效果在于：

24、1.充分利用了自然环境下不同时期空气温度不同的特性，将自然冷源进行井下供冷和制冰蓄冰，节约了运行泵耗；同时回收矿井回风余热进行矿区辅助供热和井筒空气防冻预热。

25、2.在冬季室外空气温度较低时，直接将室外空气通入井下进行供冷；此时三台电动压缩式热泵机组通过回收矿井回风余热和制冰产生的热量，为一次网回水升温提供热量；同时电动制冰机和蓄冰罐在冬季可以更快进行制冰蓄冰，为二次网提供热源；充分利用自然资源。

26、3.在室外空气温度低于2℃时还可为井筒空气防冻预热提供稳定可靠的热源。

27、4.使用二次水入出口和非二次水入出口对进入电动压缩式热泵一和电动压缩式热泵二的冷凝侧和蒸发侧进入的管路进行切换，根据环境温度适时切换电动压缩式热泵机的工作状态。