2 of 18

Вугільна шахта

джерело скидної низькопотенціальної енергії

Шахтна вода

Вентиляційне повітря

Терикон

Всього за рік відкачано шахтної води

211993,15 тис. м³

з яких скинуто на рельєф

177699,27 тис. м³

Загальна площа 8383,56 га

під породні відвали 2264,84 га

кількість діючих відвалів 83 од.

з них плоских 64 од.

хребтових 1 од.

конусних 18 од.

кількість недіючих 137 од.

Вентиляційні установки 127 од.

Вугілля – єдина стратегічна сировина на території України, запасів якої потенційно достатньо для забезпечення енергетичної незалежності країни. Як що розглядати вугільне підприємство компліксно, то можна зробити висновок, що крім основної продукції яку воно виробляє – кам'яне вугілля, воно ще генерує велику кількість низькопотенційної енергії у вигляді таких джерел, як шахтна вода, вентиляційне повітря та відвали пустої породи - терикони. Станом на 2020 р. вугільні підприємства відкачали загальний об'єм шахтної води у кількості 211993,15 тис м3 з них було скинуто на рельєф 177699,27 тис м3, тобто 84% шахтної води не було використано в будь-яких господарчих цілях. З другого боку виробництво кам'яного вугілля на пряму пов'язано з вилученням великої кількості пустої породи, яку необхідно десь зберігати, а саме у вигляді териконів, які займають достатньо значну площу біля вугільних шахт. Так із загальної площі що займають у вугільних підприємствах – а це 8383,56 га, під породні відвали відведено 2264,84 га (що складає біля 30%), де розташовано 83 діючих териконів, з яких 64 плоских, 1 хрептовий та 18 конусних. Крім того ще налічується 137 одиниць недіючих породних відвалів. Також значним джерелом низькопотенційної енергії є вентиляційне повітря шахти, яке скидається до атмосфери. На всіх діючих нині шахтах зараз працює 127 вентиляційних установок. Наведені дані не враховують вугільні підприємства, що розташовано на непідконтрольній території України.

3 of 18

Характеристика джерел низькопотенційного тепла

Шахтна вода V= 100 – 1000 м³/год, Т= +15 - +25 °С

Стічні води V= 50 – 70 м³/год, Т= +15 - +18 °С

Вода систем оборотного водопостачання Т= +35 - +45 °С

4. Скидне вентиляційне повітря V= 12000 – 20000 м³/хв, Т= +14 - +16 °С

5. Стиснене повітря компресорних станцій Т= +50 - +80 °С

6. Тепло породи териконів Т= +25 - +75 °С

Вище згадані джерела низькопотенційної енергії мають наступні характеристики, як за обсягом так і за температурними показниками. Так на вугільному підприємстві шахтна вода відкачується зі швидкістю 100 – 1000 м3/год і має температуру від +15 до 25 С (в залежності від часу року). Стічні води відкачуються зі швидкістю 50 – 70 м3/год з температурою +15 -18 С. Вентиляційні установки працюють зі продуктивністю вентилятора 12000 – 20000 м3/хв та скидають до атмосфери вентиляційне повітря з температурою +14 – 16 С (вона майже не змінна на протязі всього року). Температура породи у середині терикону може становити від 25 до 75 С. В той же час не рідким є явище самозаймання териконів, в такому випадку температура в середині териконів сякає більше ніж 1000 С. Ще в якості джерел низькопотенційного тепла на вугільних підприємствах може розглядатися вода систем оборотного водопостачання з температурою +35 – 45 С та стиснене повітря компресорних станцій з температурою +50 – 80 С. Всі ці джерела скидної низькопотенційної енергії можуть і повіни бути використані для виробництва теплової енергії за допомогою теплових насосів, для забезпечення потреб самої шахти, а також близько розташованих населених пунктів.

4 of 18

Принцип роботи теплового насоса

Втрати на котельні

Викопне паливо

Тепло, що споживається

Скидне низькопотенційне тепло

Робота компресора

Тепло, що споживається

Електрична енергія з мережі

Втрати на компресорі

Виробництво теплової енергії за допомогою котельної

Виробництво теплової енергії за допомогою теплового насосу

Тепловий насос працює наступним чином: для виробництва 100 одиниць теплової енергії, яка буде спожита споживачем, біля 80 одиниць енергії він відбирає з оточуючого середовища у вигляді низькопотенційної енергії, а 20 одиниць він отримує за рахунок роботи компресора, який потребляє для своєї роботи електричну енергію, отриману з мережі. Таким чином, споживач платить тільки за електричну енергію, яка йде на роботу компресору, а решта енергії отримується безкоштовно, тому теплові насоси є найбільш енергоефективними приладами для виробництва теплової енергії і характеризуються високим коефіцієнтом перетворення енергії (СОП). З іншого боку, для виробництва тієї ж кількості теплової енергії на звичайній котельні, необхідно значно більше викопного палива, так як при згоранні його в котлі треба ще враховувати ККД котла, тобто для виробництва 100 одиниць теплової енергії потрібно використати 120 одиниць енергії викопного палива, за що врешті решт сплачує споживач. Таким чином, можна порівняти ефективність виробництва теплової енергії – тепловий насос зі 20 одиницями енергії, за які сплачує споживач із 120 одиницями енергії викопного палива для звичайного котла.

5 of 18

Скидне вентиляційне повітря шахти особливо привабливий для використання в якості низькопотенційного джерела тепла із за наявної великої кількості та майже не змінної на протязі року температури. Повітряні теплові насоси не потребують ні горизонтальних колекторів ні вертикальних зонтів. Теплові насоси типу «повітря-вода» здатні працювати на протязі всього року, як у взимку, так і влітку.

Переваги – зниження інвестиційних витрат в порівнянні з іншими типами теплових насосів за рахунок відсутності додаткових земляних робіт, простоти конструкції для використання в цілях опалення та охолодження.

Шахтна вода – найкраще джерело низькопотенційної енергії для теплових насосів. Крім того додатковим джерелом можуть слугувати стічні води та технологічні води оборотного водопостачання. Для промислових підприємств інвестиції в теплонасосну установку відразу з моменту запуску забезпечує економію коштів на опалення і скорочують залежність від централізованих мереж теплозабезпечення.

Переваги – стабільність роботи і отримання високого теплозйому серед всіх типів теплових насосів.

Терикони – великі масиви пустої породи що накопичують достатньо значну кількість низькопотенційної енергії. В той же час за рахунок хімічних реакцій які проходять у середині териконів постійно спостерігається явище саморозігрівання породи, в деяких випадках це призводить до самозаймання териконів. За допомогою горизонтальних, або вертикальних колекторів можна вилучати накоплену теплову енергію з породи териконів.

Переваги – можливість отримання значну кількість теплової енергії на протязі 100 років.

Тепловий насос типу «повітря-вода»

Тепловий насос типу «вода-вода»

Геотермальний тепловий насос

Існуючі типи теплових насосів та їх характеристика

6 of 18

Загальновизнані та безперечні переваги ТН

Висока економічна ефективність - 1 кВт витраченої електроенергії виробляє від 2,5 до 4 і більше кВт теплової енергії або 1,5-2,5 кВт потужності по охолодженню. Тепловий насос використовує введену в нього енергію на порядок ефективніше будь-яких котлів, що спалюють паливо/використовують електричну енергію
Автономність і універсальність. Робота теплового насоса не залежить від поставок органічного палива. Можливість використання в будь-яких кліматичних умовах і в будь-якій місцевості. В одному комплекті обладнання споживач отримує одночасно і систему опалення, охолодження і систему нагріву води
Екологічна безпека. Екологічно чистий метод опалення та кондиціювання. Під час роботи відсутні шкідливі викиди в навколишнє середовище таки як CO, СO₂, NO_х, SO₂, PbO₂
Універсальність (оборотність) теплових насосів. У холодну пору року ТН обігрівають приміщення, в тепле - видаляють надлишки тепла або охолоджують його (кондиціонують)
Безпека експлуатації. Відсутність палива - газу, солярки - виключає можливість пожеж, вибухів, витік небезпечних для здоров'я речовин. Ці агрегати вибухо- і пожежобезпечні. По суті, тепловий насос небезпечний не більш ніж холодильник
Довговічність. Відносна простота пристрою ТН дозволяє їм працювати 20-25 років без капітального ремонту

7 of 18

Утилізація тепла скидного вентиляційного повітря

Технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує тепло вентиляційного повітря шахти ДП «Львіввугілля»

1 – високотемпературні теплові насоси типу «повітря-вода» з вбудованими гідромодулями, 2 – циркуляційний насос теплоносія, 3 – розширювальний бак, 4 – двох ходові вентилі, 5 – трьох ходовий вентиль, 6 – бак-теплоакумулятор системи гарячого водопостачання, 7 – теплообмінник нагрівач для гарячої води, 8 – бак-теплоакумулятор системи опалення.

�

COP=2,94

при температурі теплоносія +65 °С

На слайді представлена технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує низькопотенційне тепло скидного вентиляційного повітря шахти «Степова» ДП «Львіввугілля». Теплонасосна установка складається з двох контурів, першого – теплові насоси типу «повітря-вода», за допомогою яких відбувається вилучення тепла з вентиляційного повітря шахти, і далі отриманий теплоносій направляється до другого контуру – безпосередньо системи опалення та гарячого водопостачання, який складається з баків акумуляторів та насосів розподілення теплоносія по системи опалення та системи приготування гарячої води для миття шахтарів, використання її в їдальні та санітарно-побутових цілей. Теплонасона установка має досить високий коефіцієнт перетворення енергії на рівні біля 3 при температурі виробництва теплоносія на рівні +65 С. Представлений коефіцієнт трансформації енергії розрахований для холодної пори року (зими).

8 of 18

Утилізація тепла породи відвалу/терикона

COP=5,22

при температурі теплоносія +60 °С

Технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує тепло породи відвалу шахти ДП «Львіввугілля»

1 – високотемпературні теплові насоси типу «вода-вода», 2 – циркуляційний насос теплоносія, 3 – розширювальний бак, 4 – двох ходові вентилі, 5 – трьох ходовий вентиль, 6 – бак-теплоакумулятор системи гарячого водопостачання, 7 – теплообмінник нагрівач для гарячої води, 8 – бак-теплоакумулятор системи опалення, 9 – циркуляційний насос проміжного теплоносія, 10 – ґрунтовий теплообмінник, 11 – двох ходові вентиля грунтового теплообмінника, 12 – розширювальний бак.

�

На цьому слайді представлена технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує низькопотенційне тепло породи що накопичився на діючому відвалі шахти ДП «Львіввугілля» Теплонасосна установка складається з двох контурів та геотермального теплообмінника розташованого на деякій глибині в тілі діючого відвалу. Первинний контур складається з теплових насосів типу «вода-вода» за допомогою яких відбувається вилучення тепла з породи відвалу і далі отриманий теплоносій направляється до другого контуру – безпосередньо системи опалення та гарячого водопостачання, який складається з баків акумуляторів та насосів розподілення теплоносія по системи опалення та системи приготування гарячої води для миття шахтарів, використання її в їдальні та санітарно-побутових цілей. Теплонасона установка має досить високий коефіцієнт перетворення енергії на рівні біля 5 при температурі виробництва теплоносія на рівні +60 С.

9 of 18

Злив шахтної води

на очисні споруди

Подача холодної води

Злив стічної води

Утилізація тепла шахтної води

Технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує тепло шахтної води

1 – гідромодуль, 2 – теплообмінник підігріву холодної води, 3 – існуючи баки-акумулятори гарячої води, 4 – насоси системи ГВП, 5 – душові кабіни, 6 – пральня, 7 – приємна ємкість стічної води, 8 – існуюча система відкачки шахтної води, 9 – існуючий бак-накопичувач шахтної води, 10 – насоси шахтної води; тепловий насос (ТН), 11 – теплообмінники утилізатори, 12 – ємкість проміжного теплоносія, 13 – насоси проміжного теплоносія, 14 – теплові насоси системи ГВП.

�

COP=3,25

при температурі теплоносія +60 °С

На цьому слайді представлена технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує низькопотенційне тепло шахтної води шахти ДП «Львіввугілля». Теплонасосна установка складається з двох теплових насосів типу «вода-вода» за допомогою яких відбувається вилучення тепла з шахтної води і далі отриманий теплоносій направляється до баків акумуляторів гарячої води, звідки вона поступає на миття шахтарів, в пральню та їдальню. З метою забезпечення рівномірність подачі шахтної води в схеми передбачено використання бака-накопичувача шахтної води. Теплонасона установка має досить високий коефіцієнт перетворення енергії на рівні біля 3 при температурі виробництва теплоносія на рівні +60 С. Представлений коефіцієнт трансформації енергії розрахований для холодної пори року (зими).

10 of 18

Утилізації тепла оборотної води компресорної станції

Підігріте повітря, що йде до стволу шахти

Холодне повітря з оточуючого середовища

Технологічна схема теплонасосної установки, що утилізує тепло оборотної води компресорної станції шахти

1 – компресорна станція, 2 – теплонасосна станція, 3 – градирня, 4 – теплообмінник підігріву повітря, що подається до стволу шахти, 5, 6, 7 – циркуляційні насоси, 8 – гідромодуль.

COP=5,0

при температурі теплоносія +85 °С

Ще одним прикладом використання теплових насосів може слугувати технологічна схема представлена на цьому слайді, де джерелом низькопотенційної енергії служить оборотна вода охолодження компресорної станції, запропонована для ДП «Східний Гірничо-збагачувальний Комбінат». Теплонасосна установка працює замість існуючої градирні і утилізує тепло оборотної води охолодження компресорної станції, отриманий теплоносій використовується для підігрівання свіжого повітря яке поступає до шахти. Теплонасосна установка має досить високий коефіцієнт перетворення енергії на рівні біля 5 при температурі виробництва теплоносія на рівні +85 С.

11 of 18

Деякі приклади використання теплових насосів на шахтах

Країна	Назва проекту	Рік введення в експлуатацію	Тип використання / шахта	Глибина, м	Температура води, °C	Теплова потужність, кВт
Німеччина	Zeche Heinrich, Essen	1984	Відкачка шахтної води з відстійника вугільної шахти	335-480	19,5	250
Німеччина	Zeche Zollverein	2000	Відкачка шахтної води з відстійника вугільної шахти	1000	33,0	мах. 790
Німеччина	Marienberg	2007	Видобуток руди	107	12,4	690
Німеччина	Alter tiefer Fürstenstolln	2009	Затоплена шахта	60	10,2	126
Німеччина	Ehrenfriedersdorf	1994	Шахта з видобутку олова	100	10,0	95
Німеччина	Ehrenfriedersdorf	1997	Шахта з видобутку олова	110	10,0	120
Німеччина	Auguste Victoria, Marl	2010	Циркуляційна система з поверненням у ствол (вугільна шахта)	700	н.д.	70
Німеччина	Reiche Zeche, Freiberg	2013	Затоплена шахта	228	18,0	260 (670)
Німеччина	Robert Müser	2012	Відкачка шахтної води з відстійника вугільної шахти	570	21,1	мах. 1600
Німеччина	Zwickau	2013-2015	Затоплена вугільна шахта	625	27,0	н.д.
Німеччина	Bad Schlema	2014	Затоплена уранова шахта	90	н.д.	250
Голандія	Heerlen	2008	Затоплена вугільна шахта	700	30,0 (опалення)/ 16,0 (охолодження)	700
Норвегія	Folldal/Folidal Mine	1998	Циркуляційна система	600	н.д.	18
Шотландія	Shettleston	-	Відкрита система вугільна шахта	100	12,0 или 18,0	н.д.
Шотландія	Lumphinnans	-	Відкрита система вугільна шахта	170	15,4	н.д.
США	Park Hills, Missouri	1995	Відкрита система шахта по видобутку свинця	133/120	14,0	113
США	Pittsburgh	2006	Затоплена вугільна шахта	н.д.	13,6	н.д.
США	Scranton, Pennsylvania	2010	Відкрита система (2 свердловини), Затоплена вугільна шахта	120	13,8	н.д.
США	Kingston Community Center	1982	Затоплена вугільна шахта	н.д.	16,1	н.д.
Канада	Springhill	1994	Відкрита система затопленої вугільної шахти	140	18,0	45

12 of 18

Приклади реалізованих проектів з використанням теплових насосів

COP=3,7

при температурі теплоносія +85 °С

Ставок-відстійник шахтної води

Теплові насоси

Споживачі, 165 квартал

Резервуар 700м³

Пікова

котельня

Ствол

400,0 м

85 ^оС

70 ^оС

750,0 м

95 ^оС

70 ^оС

22 ^оС

12 ^оС

2,6 МВт

1,7 МВт

4,3 МВт

м. Дзержинськ, Донецької області (2012 р.), джерело низькопотенційного тепла – шахтна вода

13 of 18

Приклади реалізованих проєктів з використанням

теплових насосів

КНС

Теплові насоси

15 ^оС

12 ^оС

55 ^оС

53 ^оС

10 ^оС

7 ^оС

Теплообмінник

Споживачі ТП «Клубний»

Споживачі ТП «1 Травня»

2 136 чол.

2 265 чол.

1,44 МВт

COP=3,5

при температурі теплоносія +55 °С

м. Краматорськ, Донецької області (2009 р.), джерело низькопотенційного тепла – неочищені стічні води

14 of 18

Техніко – економічні показники проєкту на шахті «Степова»

№	Показник	Од. вимір.	Значення
1	Температура теплоносія	°С	+ 65
2	Інвестиційний витрати (станом на 01.01.2016)	тис. грн.	13 525
3	Простий строк окупності	років	2,34
4	Собівартість виробництва Гкал тепла	грн./Гкал	953

Порівняння собівартості виробництва тепла, грн./Гкал

1 – існуюча на шахті електрична котельня;

2 – дослідна теплонасосна установка

15 of 18

Порівняння вартості Гкал, отриманої з різних джерел

Вид палива	Обладнання	ККД обладнання, %	Собівартість виробництва тепла, грн./Гкал	Екологічність
Вугілля	Твердопаливний котел	75	1408
Природній газ	Газовий котел	90	4885
Природній газ	Конденсаційний котел	97	4518
Електрична енергія	Електрокотел	96	7271
Електрична енергія	Тепловий насос	350	1996

Розрахунки зроблено при вартості енергоносиїв:

вугілля 6800 грн/т

природний газ 35000 грн/1000 м³

електрична енергія 6 грн/кВт⋅год

16 of 18

Техніко – економічні показники реалізації проєкту на шахті 5/6

Показники	Значення показників
Низькопотенційне джерело – шахтна вода Середньогодинна витрата шахтної води	250 м3/год
Температура шахтної води	+17 °С (літній режим відкачування) +22 °С (зимовий режим відкачування)
Сумарна теплова потужність	3050 кВт
Коефіцієнт перетворення енергії з боку нагріву СОР	2,65 (при виробництві теплоносія з температурою +80 °С та утилізації тепла шахтної води з температурою +17 °С)
Температура теплоносія у конденсаторі теплового насоса	пряма подача +80 °С зворотне подання +60 °С
Температура теплоносія у випарнику теплового насоса	пряма подача +17 °С зворотне подання +7 °С
Питома вартість 1 кВт теплової потужності теплового насоса на території України	110 євро
Орієнтовна вартість реалізації проекту (остаточно визначається виконанням проектно-кошторисних робіт)	650 – 700 тис. євро (включає вартість теплових насосів, трубопроводів, теплообмінників, запірно-регулюючих пристроїв тощо)

17 of 18

ВИCНОВКИ

1. На шахті в достатній мірі присутні різні джерела низькопотенційної енергії, які можна ефективно утилізувати за допомогою теплових насосів.

2. Результати розрахунків економічної доцільності впровадження теплонасосних установок свідчать, що розрахункова собівартість виробництва теплової енергії тепловими насосами у 2,5 рази менша ніж при опалюванні електрокотлами і в 3,5 рази менше ніж при опалюванні газовими котлами.

3. Строк окупності теплонасосної установки не перевищує 3,5 років

4. Впровадження теплонасосних установок забезпечує високу економічність і екологічно чистий метод опалення та кондиціювання. Під час роботи теплових насосів відсутні шкідливі викиди в навколишнє середовище такі як СО, СО2, NOx, SO2, PbO2

1 of 18