1 技术原理 
煤矿是个巨大的蓄热体，蕴藏丰富的地热资源。进入煤矿的空气不断与煤矿的巷道、机电设备、淋水等进行热交换，最终，空气温度与煤矿的地温达到平衡。煤矿的地温基本恒定，致使煤矿回风的温度全年基本恒定，受外界气温的影响很小。另一面井下机电设备散热（一般机电设备功率的20%）、煤尘氧化散热、地下水散热、人员散热等均进入矿井回风中。故而，煤矿回风是一种稳定的较优质的余热资源。宁煤集团下属矿井冬季矿井回风温度为18℃左右。“风—风”换热（图1.1），室外新鲜空气通过间壁式热交换器与矿井回风直接进行热交换，通过风道将换热后的新风直接送入进风井，该系统特别适用于进出风井之间距离相对较近的情况。

                                                图1.1 矿井回风直接换热原理图
2 技术特点
⑴防冻费低。矿井回风热能直接加热新风用于副井防冻，无需耗电能用于加热，仅消耗占供热量10%的电能用于输送加热后的空气，井筒防冻费用低。
⑵安全保证。井口进风温度可保证8℃以上，比传统的系统2℃的保证温度有更大的安全冗余。
⑶风阻为零。回风换热器通风阻力为零，对通风机不产生阻力，解决了传统的换热技术保证50Pa以下（部分厂家阻力达到300Pa以上）阻力导致主通风机增加能耗。
⑷工期保证。更短的施工周期，传统技术施工周期90天，第四代技术施工周期45天。
⑸投资节约。更低的投资，井筒防冻负荷占到总负荷的50%左右，有效解决井筒防冻负荷后可大幅节约投资，平均节约工程投资40%以上。若宁煤集团下属矿井全部采用该技术，可节约投资约1.5亿元。
3 传统矿井回风源热泵原理
3.1风水换热型
⑴技术原理
系统原理图如下图3.1所示，从热泵机组的蒸发器出水约4℃左右进如

       图3.1 风水换热原理图
换热扩散塔的入回风热交换器中，在回风热交换器中形成雾状的水滴与18℃左右的矿井回风进行热交换，水温升高至12~15℃，换热后的水一部分自由落体进入下部汇水槽，另一部分经挡水板后形成水流自由落体流入汇水槽，汇水槽中的水通过水沟进入换热循环水池，由换热循环水池中的循环水泵送入蒸发器，完成一个完整的回风换热侧的循环。热泵机组通过压缩机驱动将蒸发侧的能量提取后供暖，冷凝侧的供水温度为45~60℃。
⑵技术特点
①喷淋换热换热效率较高，一般换热温差可控制在4℃以内。
②换热器的局部阻力低，一般可以控制在50Pa以内。
③热泵机组提取后可以制取45~60℃的热水，可以满足洗浴热水加热及建筑采暖的需求。
④热泵系统（含循环水泵）需要消耗相当于供热能力的30%左右的电能。
3.2直接膨胀式换热
⑴技术原理
系统原理如图3.2所示，热泵机组节流阀出来的0~5℃低温氟利昂直接进入翅片管，在翅片管中与回风进行换热，蒸发膨胀吸取回风中的热量后进入压缩机的吸气口，完成回风侧换热循环。

      图3.2 直接膨胀换热原理图
① 技术特点
①系统蒸发侧无需循环水泵，干式运行。
②换热器的局部阻力较高，一般在300Pa以上。
③热泵机组提取后可以制取45~60℃的热水，可以满足洗浴热水加热及建筑采暖的需求。
④翅片管的积灰和腐蚀问题较严重。
4 投资分析
4.1投资分析
矿井回风回风直接换热系统相比于矿井回风源热泵系统，投资大幅降低，节约管道安装工程、土建工程的费用。投资降低40%以上。
4.2运行费用分析（以5500kW的供热量为例估算电费、人工费）
1、回风直接换热年运行费
单台换热器电功率为30kW，其中开启5台的比例80%开启10台的比例15%，开启11台的比例5%
运行天数安150天计算则运行耗电量为：
30×5×0.8×150×24+30×10×0.15×150×24+30×11×0.05×150×24=43.2+16.2+5.9=65.3万kWh
电价取0.4元/kWh，则电费为26.12万元
系统传热介质为水，无结冰风险，实现无人值守。
设备维护费用：5万元
总费用：26.1+5=31.1万元
2、回风源热泵系统年运行费
装机容量为1600kW，负荷率0.6
则耗电量：
1600×150×24×0.5=345万kWh
电费为：138.2万元
人员工资：自动控制4人值班，50万元
设备维护费用：15万元
总费用：138.2+50+15=203万元
3、燃煤锅炉年运行费
耗煤量：3600吨，煤价400元
燃料费为：144万
锅炉电功率100kW
则耗电量：
100×150×24=36万kWh
电费为：14.4万元
人员工资：自动控制18人值班，230万元
设备维护费用：45万元
总费用：144+14.4+230+45=433.4万元

序号	方案（5500kW为例）	综合运行费用 （万元）
1	矿井回风直接换热	31.1
2	矿井回风源热泵喷淋式	203
3	燃煤锅炉+超低排放	433.4

表4.2 不同供暖方运行费用比较表
5 不同方案优缺点综合比较
不同方案的优缺点综合比较表见下表5.1

方案1（推荐方案） （回风直接换）		方案Ⅱ （热泵供热）
优 点	① 投资低。 ② 运行费用低。 ③ 维护费用低。 ④ 施工周期短。 ⑤ 系统无水，没有结冰的风险。 ⑥ 无人值守	优 点	① 样板工程多。 ② 可以获得更高的进风温度。 ③ 供暖介质为低温热水，管道可直埋敷设，美观性较好。 ④ 可同时解决洗浴热水加热及采暖的需求。 ⑤ 机组夏季可以制冷用于井口送冷风。
缺 点	① 技术较新，样板工程数量相对较少。 ② 需要建设风道，影响美观。 ③ 无法直接解决洗浴热水加热及采暖的需求。	缺 点	① 投资大。 ② 运行、维护工作量大维护费用高。 ③ 水系统有突然断流有冻裂管道或表冷器的风险。 ④ 施工周期长 ⑤ 需要工人值班

表 5.1不同方案优缺点综合比较表
 
6 工程案例
微山矿业集团欢城1号井年产量30万吨，回风量68m³/s，4080m³/min，井筒防冻热量量1054kW，回风17℃，新风-10~10℃。
项目工程投资150万元，替代燃煤锅炉供暖，原供暖系统为2台4吨燃煤锅炉。改造后井筒防冻节约燃煤约1000吨。
改造前后相关数据对比见下表6.1
 
 
 

序号	项目	改造前（锅炉）	改造后（回风余热直接供暖）
1	基本数据	回风量68m³/s，年产量30万吨，极端天气温度平均值-12℃，极端天气温度-13℃，换热后出风温度10℃，正常井口供暖温度5℃，极端天气井口温度2℃，换热方式为间壁式换热，年低于0℃以下天数60天。
2	工程投资（万元）	——	150
3	运行费用（万元）	110	15
4	运行人员数量（人）	10	无人值守
5	维修维护费	25	2

                                        表 6.1改造前后数据比较表