(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210901367.5 (22)申请日 2022.07.28 (71)申请人 中煤能源研究院有限责任公司 地址 710001 陕西省西安市碑林区雁塔路 北段66号中煤能源大厦二层 (72)发明人 李瑞华　武进　董宝光　李超　 王帅　王东军　王龙飞　向轶　 李庆　 (74)专利代理 机构 西安弘理专利事务所 61214 专利代理师 曾庆喜 (51)Int.Cl. G06F 30/18(2020.01) G06F 30/20(2020.01) E21F 17/00(2006.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种耦合 新能源的矿井供 热系统设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种耦合新能源的矿井供热 系统设计方法， 步骤1、 分区分项逐时预测分析矿 井热负荷； 步骤2、 评估矿井区域热源资源条件； 步骤3、 计算矿井可用热源供应量； 步骤4、 矿井供 热系统源荷分区匹配响应； 步骤5、 系统容量配置 及优化。 本发 明围绕矿井小型燃煤锅炉房淘汰后 供热热源多元化的新问题， 以矿井工业余热为基 础， 耦合新能源作为调节热源， 外部电能作为应 急， 并结合熵值法对系统配 置进行优化。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 115248964 A 2022.10.28 CN 115248964 A 1.一种耦合 新能源的矿井供 热系统设计方法， 其特 征在于， 具体按照如下步骤实施： 步骤1、 分区分项逐时预测分析矿井热负荷： 考虑系统热损失和裕量系数后分别分区逐 时模拟计算井筒防冻热负荷Q1、 建筑热负荷Q2、 生活洗浴热负荷Q3和矿井总热负荷Q， 得到矿 井全年热负荷逐时曲线； 步骤2、 评估矿井区域热源资源条件： 对矿井所处区域的太阳能和风资源赋存条件进行 评估， 判断矿井是否有 条件开展耦合新能源供热， 若 是则继续执行后续步骤， 若否则该矿井 供热系统无法耦合 新能源； 步骤3、 计算矿井可用热源供应量： 根据矿井热源资源评估结果， 计算有利用价值的热 源资源最大供应量， 包括矿井工业余热量P1， 太阳能集热量Qs、 光伏发电量E1和风力发电量 Eth； 步骤4、 矿井供热系 统源荷分区匹配响应： 按照 “分时分区、 动态平衡 ”的设计原则、 “矿 井工业余热为基础热源， 耦合新能源为调节热源， 外部电能作为应急热源 ”设计思路， 根据 空间距离的远近将矿井用热终端划分不同区域， 再根据区域内热源分布情况依次按照按工 业余热、 新能源、 外部电网的次级顺序增加供热量直至与区域内矿井总热负荷相匹配， 以各 区域热平衡为基础构成整个矿井供 热循环大平衡； 步骤5、 系统容量配置及优化： 依据源荷分区匹配响应结果， 通过调整变量得到多种系 统配置方案， 所述变量包括热源类别、 各热源供热量占比、 运行策略， 将碳排放 强度、 综合能 效、 设备利用率、 投资作为指标利用熵值法计算各指标权重， 在多种系统配置方案中选择综 合评价值最高的方案作为 最终方案 。 2.根据权利要求1所述的一种 耦合新能源的矿井供热系统设计方法， 其特征在于， 所述 步骤1计算井筒防冻热负荷Q1、 建筑热负荷Q2、 生活洗浴热负荷Q3和矿井总热负荷Q具体如 下： Q(t)＝K×(Q1(t)+Q2(t)+Q3(t))    (1) 式(1)中， Q(t)为t时刻总热负荷， k W； K为考虑系统热损失的总热负荷裕量系数； Q1(t)＝1.1 ×ρ×Cp×L×(2‑te)    (2) 式(2)中， Q1(t)为t时刻井筒防冻热负荷， kW； L为井口进风量， m3/s； ρ 为当地大气压下空 气2℃时的密度， kg/m3； CP为当地大气压下空气2℃时的定压比热， kJ/(kg ·℃)； te为t时刻 当地环境温度， ℃； 式(3)中， Q2(t)为t时刻建筑热负荷， kW； K2为建筑热负荷的裕量系数； Ki为第i个建筑物 单位体积热指标， W/(m3·℃)； Vi为第i个建筑物体积， m3； ti为第i个建筑物室内设计温度， ℃； 式(4)中， Q3(t)为t时刻生活洗浴热负荷， kW； K3为生活洗浴热负荷裕量系数； V3为单次 洗浴用水量， m3； Δt3为洗浴用水温升； T3为单次加热洗浴用水时长， h 。 3.根据权利要求1所述的一种 耦合新能源的矿井供热系统设计方法， 其特征在于， 所述权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115248964 A 2步骤2具体为： 矿井所处区域的太阳能和风资源赋存条件评估主要分为太阳能资源评估和风资源评 估， 按照 《太阳能资源评估方法》 GB/T  37526‑2019若太阳能资源等级达到C级以上， 且矿井 有闲置的屋顶及沉陷区土地面积， 则适宜建设光伏发电； 按照 《风电场风能资源评估方法》 GB/T 18710‑2002若风资源等级达到3级以上， 且建设区域地表沉降小于 《陆上风电场工程 风电机组基础设计规范》 中规定的地基变形允许值， 则适宜建设风力发电； 若矿井所 处区域 适宜建设光伏发电或风力发电或两者同时满足， 则可以开展矿井耦合 新能源供 热。 4.根据权利要求1所述的一种 耦合新能源的矿井供热系统设计方法， 其特征在于， 所述 步骤3中计算矿井工业 余热量P1， 光伏发电量E1和风力发电量Eth具体为： P1＝PHC+PAP+Pgas    (5) 式(5)中， PHC为矿井水和矿井回风余热可供应量， kW； PAP为矿井空压机余热可供应量， kW； Pgas为瓦斯发电机组余热 可供应量， k W； PHC＝∑cp,source×msource×Δtsource×COP/(COP ‑1)    (6) 式(6)中， cp,source为热泵蒸发器侧工质比热容， k J/(kg.℃)； msource为热泵蒸发器侧工质 质量流量， kg/s； Δtsource为热泵蒸发器侧工质温降， ℃； COP为热泵能效比； PAP＝nAP×N×ηAP    (7) 式(7)中， nAP为矿井空压 机台数； N 为单台矿井空压 机功率， k W； ηAP为空压机热转化率； Pgas＝QL×QV×ηh    (8) 式(8)中， QL为湿瓦斯低位发热量， kJ/m3； QV为湿瓦斯体积流量， m3/s； ηh为瓦斯发电机热 效率； 式(9)中， HA为水平面太阳能总辐照 量， kW·h/㎡； PAZ为组件安装容量， kWp； Es为标准条 件下的辐照度； Kp为综合效率系数； 式(10)中， n为风力发电机组台数； υ1为风力发电机组切入风速， m/s； υ2为风力发电机组 切出风速， m/s； pi( υ )为第i台风力发电机组在风速 υ时的发电功率， MW； fi( υ )为第i台风力发 电机组轮毂高度处风速概 率分布。 5.根据权利要求1所述的一种 耦合新能源的矿井供热系统设计方法， 其特征在于， 所述 步骤4中矿井用热终端包括井筒防冻用热终端、 建筑用热终端、 生活洗浴用热终端。 6.根据权利要求5所述的一种 耦合新能源的矿井供热系统设计方法， 其特征在于， 所述 步骤4中， 根据区域内热源分布情况依次按照按工业余热、 新能源、 外部电网的次级顺序增 加供热量具体为在区域内先以矿井工业余热量作为增加的供热量， 若此时区域内供热总量 与矿井总 热负荷匹配则确定该源荷分区匹配响应结果， 若不匹配则以太阳能集热量、 光伏 发电量、 风力发电量转化进 行供热， 增加供热量， 若 此时区域内供热总量与矿井总热负荷匹 配则确定该源荷分区匹配响应结果， 若不匹配则以外部电网进行供热增加供热量， 直至与 区域内矿井总热负荷相匹配， 确定该源荷分区匹配响应结果。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115248964 A 3