CN108915754A - 用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，所述掘进巷道具有掘进工作面，所述***包括设置于所述掘进巷道内的筒状结构的隔离体以及自上而下分布且能够连通的地上单元、浅层换能单元和与井下单元，筒状结构将所述掘进巷道划分为内巷道和外巷道，所述内巷道和所述外巷道与所述井下单元分别连通。所述地上单元包括热泵机组，所述热泵机组的蒸发侧分别配置有第一阀门和第二阀门；所述浅层换能单元包括埋设于地下的土壤层的换能器，所述换能器配置有阀门组。本发明在一方面保证了掘进巷道的降温除湿效果，另一方面实现了能量的充分利用。

Description

用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***

技术领域

本发明涉及高温矿井降温除湿技术领域，尤其涉及一种用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***。

背景技术

随着矿井开采深度的不断增加，矿井岩层的温度不断升高，因此井下热害愈发严重。特别是在高温高湿开采层，持续的高温高湿作业环境对作业人员及相关设备产生较大影响，不仅影响工作效率，而且会使井下事故率升高。

为了改善井下的作业环境，目前通常借助采用井上集中制冷的方式对井下作业环境进行降温除湿作业，不过目前的方式存在这样的问题：一方面，井上集中制冷是通过制冰降温***采用直接的能耗产生冷量因此能耗较高，并且冷量的载体(如冷冻水、冰块/浆等)从井上到井下的输送距离长，因此存在较大冷量损失。另一方面，由于作业环境位于井下因此对其进行局部制冷产生的冷凝热排放困难，容易导致二次热害。此外，由于目前的降温方法针对的整个工作区域，因此这样的降温处理方法存在能耗高的问题。因此目前的降温除湿的效果有待进一步提升。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***高温高湿矿井的井下掘进巷道降温除湿***，所述***包括所述掘进巷道具有掘进工作面，其特征在于，所述***包括：隔离体，其设置于所述掘进巷道内，所述隔离体为筒状结构，所述筒状结构的内侧形成有内巷道，所述筒状结构的外侧和所述掘进巷道形成外巷道；以及自上而下分布且能够连通的地上单元、浅层换能单元和与所述内巷道和所述外巷道分别连通的井下单元，其中，所述地上单元包括热泵机组，所述热泵机组的蒸发侧的进水口和出水口分别配置有第一阀门和第二阀门，以便通过切换所述第一阀门和所述第二阀门的启/闭状态来调整用于进行热质交换的循环水是否流经所述热泵机组；其中，所述浅层换能单元包括换能器，所述换能器埋设于地下的土壤层，且所述换能器配置有阀门组，所述阀门组包括多个阀门且所述阀门组设置成能够通过切换各个阀门的启/闭状态来调整用于进行热质交换的循环水的流动路径。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述浅层换能单元包括第二循环泵，所述阀门组包括第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门，所述换能器和第二循环泵通过管道连接形成闭环，其中，所述第二循环泵的进水口与所述井下单元连接且所述第六阀门设置于二者之间，所述第二循环泵的出水口与所述第一阀门连接，所述第四阀门和所述第七阀门依次串联并设置于所述第二阀门和所述井下单元之间，所述第五阀门设置于所述换能器的出水口和所述第二循环泵的进水口之间，所述第三阀门设置于所述第二循环泵的出水口与所述换能器的进水口之间。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述井下单元包括制冷机组、降温除湿室和增压泵，所述降温除湿室与所述内巷道和所述外巷道分别连通，所述制冷机组的冷凝侧的进水口与所述第七阀门连接，所述制冷机组的冷凝侧的出水口与所述第六阀门连接，所述制冷机组的蒸发侧的出液口与所述降温除湿室连接，所述降温除湿室与所述制冷机组的蒸发侧的进液口连接且所述增压泵设置于二者之间；其中，所述内巷道和所述外巷道均通过回风巷与外部连通，以保证所述掘进巷道内的气体流通。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述井下单元包括风机、第一风筒和第二风筒，其中，与外部连通的新风巷道通过所述第一风筒与所述降温除湿室的进风口连接，以便将所述新风巷道中从地上引入地下的高温高湿的新风送入降温除湿室；其中，所述降温除湿室的出风口通过所述第二风筒与所述内巷道和所述外巷道分别连接，以便将降温除湿后的空气送入所述内巷道和所述外巷道。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述筒状结构在靠近所述掘进工作面的端部具有第一壁体，以及所述筒状结构在远离所述掘进工作面的端部设置有第二壁体，所述外巷道包括由所述筒状结构和所述掘进巷道的侧壁形成的环状部分以及由所述第一壁体、所述掘进巷道的侧壁和所述掘进工作面形成的柱状部分，所述第二风筒沿轴向贯穿所述内巷道且所述第二风筒的下游端与所述柱状部分连通，所述第二风筒在容纳于所述内巷道的部分设置有连通孔组，所述连通孔组，所述第二风筒通过所述连通孔组与所述内巷道连通。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述连通孔组包括沿所述第二风筒的轴向分布的至少一个连通孔单元，所述连通孔单元包括沿所述第二风筒的周向分布的至少一个连通孔。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述隔离体包括隔离层，所述隔离层由隔热材料和/或隔湿材料制成；或者所述隔离体包括基体，所述基体的至少一部分上设置有所述隔离层。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述降温除湿室内设置有溶液管路，所述溶液管路包括主管路以及与所述主管路分别连通的多个支管路，所述支管路上分布有由多个喷嘴，其中，所述制冷机组的蒸发侧的出液口与所述主管路连接；其中，所述支管路位于所述主管路的下方且与所述主管路具有夹角，所述降温除湿室的出液口位于侧壁靠近下方的位置，以便使从所述喷嘴喷射出的溶液汇集至所述降温除湿室的出液口并借助所述增压泵被重新泵入所述制冷机组的蒸发侧，形成溶液循环。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述降温除湿室的进风口与出风口的方位设置成能够增加来自所述新风巷道的高温高湿的新风在由所述降温除湿室的进风口流至出风口的过程中与从所述喷嘴喷射出的溶液的接触面积；并且/或者同一个所述主管路上各个喷嘴的喷射方向相同或者不同，不同的所述主管路上的喷嘴的喷射方向相同或者不同。

对于上述用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，在一种可能的实施方式中，所述地上单元包括第一循环泵，具有热量需求的热用户与所述热泵机组形成闭环，所述第一循环泵设置于所述热泵机组的冷凝侧的出水口与所述热用户的进水口之间。本发明的***中，通过地上单元、浅层换能单元和井下单元的协作，巧妙地吸取了浅层换能单元的冷量，通过浅层换能单元和/或地上单元可靠地保证了井下单元的降温除湿效果，有效地利用并回收了井下单元中由于处理进风巷道中的高温高湿的新风产生的冷凝废热。并且，通过隔离体将掘进工作面后方的井下掘进巷道分割为外巷道和内巷道两部分，并使井下单元通过将低温低湿的新风流分别送入外巷道和内巷道并与其内的高温高湿的空气进行混合，有效地实现了对井下掘进巷道中有作业人员停留的部分的降温除湿。

优选地，外巷道包括柱状部分和环状部分，这样一来，只需对有作业人员停留的柱状部分即仅对外巷道的局部区域的空气进行降温除湿即可，因此节省了井下单元需要提供的低温低湿新风流的量。以及优选地，隔离体具有隔热和/或隔湿功能，这样一来，可以阻挡温度和/或湿量在外风巷尤其是外风巷的环状部分与内风巷之间发生传递，因此尽可能避免了由此导致的湿量向内风巷“回流”的现象。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1A示出本发明一种实施例的浅层冷能循环矿井降温除湿及废热利用***的结构示意图；

图1B示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***中掘进巷道的内部结构示意图；

图2示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在正常降温除湿模式一时的状态示意图；

图3示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在正常降温除湿模式二时的状态示意图；

图4示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在非降温除湿模式时的状态示意图；以及

图5示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在超负荷降温除湿模式时的状态示意图。

附图标记列表：

10、热泵机组；11、第一循环泵；12、热用户；13、第一阀门；14、第二阀门；20、换能器；21、第三阀门；22、第四阀门；23、第五阀门24、第六阀门；25、第七阀门；26、第二循环泵；30、制冷机组；31、增压泵； 32、降温除湿室；33、风机；(341、342)风筒；3421、连通孔；35、掘进巷道；351、回风巷；352、掘进工作面；353、隔离体；3531、第一壁体； 3532、第二壁体；354、内巷道；3541、内回风口；3551、柱状部分；3552、环状部分；35521、外回风口；36、新风巷道；37、主管路；38、支管路； 39、喷嘴。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

参照图1A，图1A示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***的结构示意图。如图1A所示，该***主要包括自上而下分布的地上单元、浅层换能单元和井下单元，浅层换能单元和井下单元均处于地下，地上单元和浅层换能单元之间以及浅层换能单元和井下单元之间分别通过管道连接。如管道选用钢管，钢管选用耐腐蚀的镀锌碳钢管。其中，井下单元主要用于提供低温盐溶液并对井下作业环境的掘进巷道 35内的高温高湿的风流进行降温除湿处理，以提高掘进巷道35内空气的舒适性，从而保证矿井开采作业的效率。地上单元主要用于向热用户12提供热量并回收热用户的冷量，其中热量的来源主要是井下单元在对井下作业环境进行降温除湿的过程中产生的冷凝废热，即地上单元实现了对井下单元的冷凝废热的资源化利用。而浅层换能单元则主要用于为井下单元提供低温盐溶液需要的冷能以及为地上单元提供热用户需要的热能。其中，低温盐溶液并对掘进巷道35内的高温高湿的风流进行降温除湿处理的过程具体为：新风巷道 36通过新风进风口与外部连通并将地上的新风引入地下，如同时向多个掘进巷道35提供新风。由于新风巷道36的大部分处于地下因此较为潮湿，加之新风巷道36的壁面必然与新风会发生热质交换的原因，因此新风巷道36内通常充满的是高温高湿的新风。提供低温盐溶液首先对新风巷道36中的高温高湿的新风进行降温除湿处理，之后这部分降温除湿处理后的新风通入掘进巷道 35内进一步对掘进巷道内的高温高湿的风流进行降温除湿处理，同时，从掘进巷道***的岩体中延伸通向外部环境的回风巷351，因此掘进巷道35通过回风巷351与外部连通，如回风巷的上游端与掘进巷道35连通，回风巷的下游端与地上连通且配置有能够将空气抽回外部的矿井抽风机，从而保证了掘进巷道内的气体流通。

此外，需要说明的是，与循环水相比，盐溶液能够提供以液态的形式提供低于零摄氏度以下的冷量，从而能够更好地对井下作业环境进行降温除湿。如盐溶液可以是NaCl溶液或者CaCl₂溶液等，优选为无毒且喷射出的液滴滴落至作业人员身上也对人体无伤害的NaCl溶液。可以理解的是，可以根据实际情形采用其他能够具有等同效果的溶液形式，退一步讲，即使采用循环水(此时相当于溶液中的溶质为无)，也可以实现对巷道的降温除湿。

继续参照图1A，地上单元主要包括热泵机组10、第一循环泵11、第一阀门13和第二阀门14。其中，具有热量需求(如热水、供暖等)热用户12与热泵机组10之间通过管路连接形成闭环，第一循环泵11设置于闭环上。具体地，热泵机组10的冷凝侧的出水口通过管道连接至第一循环泵11的进水口，第一循环泵11的出水口通过管道连接至热用户12的进水口。第一阀门13设置于热泵机组的蒸发侧的出水口与浅层换能单元之间以便切换地上单元是否向浅层换能单元或者井下单元提供冷量的单向连通状态，第二阀门14设置于热泵机组的蒸发侧的进水口与浅层换能单元之间以便切换浅层换能单元或者井下单元是否向地上单元提供热量的单向连通状态。

继续参照图1A，浅层换能单元主要包括换能器20、阀门组和第二循环泵 26，阀门组包括第三阀门21、第四阀门22、第五阀门23、第六阀门24、第七阀门25。第二循环泵26的进水口与井下单元连接且第六阀门24设置于二者之间，第二循环泵26的出水口与第一阀门13连接，第四阀门22和第七阀门25依次串联并设置于第二阀门14和井下单元之间，换能器20和第二循环泵26通过管道连接形成闭环，且第五阀门23设置于换能器20的出水口和第二循环泵26 的进水口之间，第三阀门21设置于第二循环泵26的出水口与换能器20的进水口之间。

继续参照图1A，井下单元主要包括制冷机组30、增压泵31、降温除湿室 32、风机33和风筒(341、342)，井下矿井开采作业过程中会形成掘进巷道 35，掘进巷道35内待开采的端面为掘进工作面352。第七阀门25与制冷机组30 的冷凝侧的进水口通过管道连接，制冷机组30的冷凝侧的出水口与第六阀门 24通过管道连接，制冷机组30的蒸发侧的出液口与降温除湿室32通过管道连接。

具体而言，降温除湿室32内设置有溶液管路，溶液管路包括水平方向的主管路37和与主管路37分别连通的、位于主管路37下方的若干个竖直方向的支管路38，每个支管路38上分布有由多个喷嘴39构成的喷嘴组，各个喷嘴的喷射方向可以相同也可以不同，如，每个支管路38上的喷嘴个数相同，喷嘴为锥状结构，锥状结构的轴线为水平方向且与进风方向相向设置，即逆流喷射，或者锥状结构的轴线为水平方向且与进风方向同向设置，即顺流喷射，或者与前述的两种方向具有夹角的其他方向。降温除湿室32的进液口位于降温除湿室32的上方并与主管路37通过管道连接，降温除湿室32的出液口位于侧壁靠近下方的位置并与增压泵31的进液口通过管道连接，增压泵31的出液口与制冷机组30的蒸发侧的进液口通过管道连接。这样一来，从制冷机组流出的低温盐溶液从喷嘴39喷射至降温除湿室32后对流经降温除湿室32的高温高湿新风进行处理，之后温度升高的低温盐溶液汇聚至下方的降温除湿室32 的出液口并借助于增压泵31流回制冷机组。

这样一来，风机33通过一段风筒，即风筒341与降温除湿室32的进风口连接以便将新风巷道36中的高温高湿的新风送入降温除湿室32，如按照图1A中的方位，出风口位于降温除湿室的左侧壁且出风方向大致为水平向左，进风口位于降温除湿室的右侧壁且进风方向也大致也为水平向左，因此在降温除湿室32中大致按照自右向左的趋势流动，同时低温盐溶液从制冷机组的蒸发侧的出液口通过管道进入降温除湿室32的上方汇入主管路37并进一步分流到各个支管路38中，之后低温盐溶液通过支管路38上的喷嘴39在降温除湿室32内沿深度方向一部分顺流喷射一部分逆流喷射，喷射至降温除湿室32内的雾状液滴与高温高湿的来自新风巷道36的新风流接触，新风流被降温后其中凝结的水蒸气并被低温盐溶液带走，从而实现了对新风流的降温除湿处理，喷射出的低温盐溶液在降温除湿室32的底部汇集后，被增压泵31重新泵入制冷机组31的蒸发侧，从而形成盐溶液循环。如降温除湿室32的出液口应当设置于侧壁靠近下方的位置。

降温除湿室32通过另一段风筒，即第二风筒342与掘进巷道35连接以便将降温除湿处理后的空气送入掘进巷道35内与其内的高温高湿的风流进行混合，实现了对掘进巷道35内风流的降温除湿，改善了掘进巷道35中靠近掘进工作面352的区域即井下作业环境的舒适性。

参照图1A和图1B，图1B示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***中掘进巷道的内部结构示意图。如图1A 和图1B所示，在本发明的技术方案中，在掘进巷道35内容纳有筒状结构的隔离体353，隔离体的右端部具有第一壁3531体而在靠近降温除湿室的出风口的端部即左端设置有主要作为风门的第二壁体3532。这样一来，掘进工作面352 后方(左侧)的掘进巷道35被划分为两部分：筒状结构的外侧和掘进巷道352 形成外巷道，第二壁体和筒状结构的内侧形成内巷道354。而外巷道进一步包括以下两部分：由筒状结构和掘进巷道的侧壁形成的环状部分3552以及由第一壁体、掘进工作面的侧壁以及掘进巷道的侧壁形成的柱状部分3551。

如当前处于休息状态的人停留在内巷道以及相关的工具等物品也放置Z在内巷道，当前作业人员需要在外巷道靠近掘进工作面的局部区域即柱状区域活动，此时只需通过对内巷道和柱状区域进行降温除湿作业以使两个区域能够保持舒适的温度和湿度。

由于外巷道内只有靠近掘进工作面的局部区域，即柱状部分会有作业人员，因此仅针对这一部分进行降温除湿即可保证外巷道作业人员的舒适性。也就是说，无需针对环状区域进行降温除湿作业，因此这样的设置方式节省了低温低湿新风流的量，降低了用于生产低温低湿新风流所需的低温盐溶液所需要的冷量。

第二风筒342包括筒体，筒体沿进风方向的上游端与降温除湿室的出风口相连接，筒体通过开设于第二壁体3532上的孔穿入内巷道354并贯穿整个内巷道，筒体在内巷道的部分上设置有包括多个连通孔3421的连通孔组以便实现第二风筒与内巷道的连通，筒体的下游端通过开设于第一壁体3531上的孔穿出第二壁体并处于柱状部分内以便实现第二风筒与外巷道的连通。也就是说，风筒内的低温低湿的新风流在自左向右通向柱状部分的过程中，一部分低温低湿的新风流通过连通孔组与内巷道连通以便与内巷道内的高温高湿的空气混合，从而对内巷道进行降温除湿；另一部分低温低湿的新风流通过下游端与柱状部分连通以便与外巷道内靠近工作掘进面的柱状部分的高温高湿的空气混合，从而对柱状部分的空气进行降温除湿。

如连通孔组可以包括沿第二风筒的轴向均匀分布的多个连通孔单元，每个连通孔单元包括沿第二风筒的周向分布的多个连通孔。通过轴向的多点送风，可以使内风巷在长度方向获得更为均匀的低温低湿的新风流，通过周向的多点送风，可以使低温低湿的新风流能够更好地扩散至内风巷。可以理解的是，各个连通孔单元沿轴向可以均匀或者不均匀分布，且各个连通孔单元之间可以相同或者不同(如连通孔的数量等)。连通孔单元中各个连通孔之间沿周向可以均匀或者不均匀分布，各个连通孔的规格可以相同或者不同，如连通孔可以是圆孔、方孔或者条形孔，以圆孔为例。各个圆孔的孔径可以有所区别。总之，本领域技术人员可以根据实际情形灵活设置连通孔组在风筒的第一部分上的布置形式。

通常情形下，掘进巷道的侧壁与隔湿体的侧壁之间应当保持250-400mm 的距离(如300mm左右)，以便布置相关的线缆、工具等，以及保证来自柱状区域的气流能够顺利地经环状部分通向回风巷进而与外部连通。

可以理解的是，在低温低湿的新风流流经处于内巷道的筒体的过程中，即没有通过连通孔组进入内巷道的低温低湿的新风流在通向柱状部分的过程中，风筒的管壁会与内巷道中的空气进行热交换，因此会被内巷道中的湿热空气小幅度加热，不过低温低湿空气流被小幅度加热后仍保持在低温低湿的水平，因此柱状部分的高温高湿空气与其混合后仍能够获得降温除湿的效果，只不过换热力度与内风巷相比力度较小，因此柱状部分的温度会略高于内风巷。

显然，回风巷应当与内巷道和外巷道分别连通，从而将风排出掘进巷道，保证掘进巷道内的空气流通。如继续参照图1B，在外巷道的环状部分 3551的下方设置有外回风口35521，内巷道354的下方设置有内回风口3541，内回风口、外回风口和回风巷分别连通且彼此对准以便将风排出掘进巷道。具体而言，内巷道内的空气直接依次经内回风口-外回风口-回风巷排出掘进巷道，而外巷道内的柱状部分的空气则先流入环状部分，然后经外回风口-回风巷排出掘进巷道。

为了防止内巷道与外巷道的风流之间发生热质交换或者水分交换，可以将隔离体的材质、结构和/或尺寸等参数进行处理。如在隔离体为表面涂覆有防水/隔热层的结构、隔离体自身为具有隔热/隔湿的材质或者将隔离体加工为中空结构以实现防水/隔热的效果等。

在一种可能的实施方式中，隔离体采用不透水型材料制成以便隔绝流经内巷道与外巷道的风流之间发生水分交换。如隔离体采用隔湿性能良好的碳钢板，并对碳钢板进行防腐处理(如喷涂防腐漆)以防止隔湿的过程中隔离体出现生锈等现象。此外，截面为方形的隔离体的底部内侧增置有巷道底板，以提高内巷道的强度。在本实施方式中，由于隔离体可以避免湿量在外风巷尤其是外风巷的环状部分与内风巷之间发生传递，因此避免了由此导致的湿量在由柱状部分-环状部件通向回风巷的过程中向内风巷“回流”的现象。如第二壁体作为隔离体的一部分因此也为碳钢板，而第一壁体由于主要用于安装第二风筒342的风门且同时作为构成内风巷的一部分，优选地可以具有较高的强度和隔湿形性能，如可以采用具有内支撑的碳钢板，从而在保证风门的承重能力的前提下进一步提高了内巷道的隔湿性能。

需要说明的是，由于内风巷内会有休息状态的作业人员停留且此时作业人员的警惕性较低，出于对掘进巷道的安全性考虑，需要保证内风巷的强度。此时可以首先形成一个基体，然后将隔离体加装于基体上，如基体为一个框架结构，隔离体安装于框架结构上。

此外，为了便于掘进作业的进行，需要材料的进出以及作业人员的通行，在两个壁体上均设置有连通门，如在第一壁体和第二壁体上分别设置有材料门和行人门。显然，可以根据实际情况将两种功能的门进行合一设计，即兼作材料门和行人门的连通门。为了保证由于漏风造成的热量和湿量处理水平下降，连通门在正常情形下均应当保持常闭状态。此外，(第二壁体、隔离体、第二风筒)之间以及(第二壁体、掘进巷道)之间也应该密封连接，以防止漏风。在构建出的内巷道与外巷道之间能够具有良好的密封性的前提下，避免了热量与湿量的流窜与传递，保证了降温除湿的可靠性。

可以理解的是，上述主管路、支管路、喷嘴以及降温除湿室的(进、出)风口以及(进、液)风口的设置方式只是一种较佳的实施方式，并不会对本发明的保护范围造成不必要的限定。在能够保证新风巷道内的高温高湿的新风流送达至降温除湿室以及降温除湿室将处理后的空气送入掘进巷道的过程中，能够与依次经制冷机组的蒸发侧的出液口-主管路-支管路-喷嘴喷射出的低温盐溶液接触的前提下，主管路、支管路以及喷嘴的设置方式可以灵活选择，如主管路和支管路之间可以是非垂直的夹角、各个支管路之间可以非平行、各个支管路上的喷嘴个数以及喷射方向可以相同或者不同、降温除湿室的进风口与出风口之间均为水平方向不过具有高度差或者二者之间具有一定的夹角等。

在本发明中，通过调整地上单元中的(第一、第二)阀门以及浅层换能单元中的阀门组中各阀门的启/闭状态的组合，可使本发明的***实现以下四种不同的运行模式。下面结合图2至图5对该示例中的这四种运行模式进行详细说明。

运行模式一：

参照图2，图2示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在正常降温除湿模式一时的状态示意图。如图2所示，切断阀门(13、14、22、23)，开启阀门(21、24、25)，即可使***处于该模式。在该模式下，***的运行过程包括以下三个方面：

第一方面，风机33抽取新风巷道36中的高温高湿的新风并通过风筒341送入降温除湿室32中。在降温除湿室32中，新风流自右向左流动的过程中，低温盐溶液通过喷嘴以顺流喷射和逆流喷射相结合的方式形成雾状液滴并与高温高湿的新风流接触，充分热质交换后，新风流被降温其中凝结的水蒸气被低温盐溶液带走，实现对新风的降温除湿处理，降温除湿后的空气通过第二风筒342送入掘进巷道35与其内的高温高湿的风流进行混合，提高了井下作业环境的舒适度。

第二方面，降温除湿处理后的低温盐溶液温度上升，在降温除湿室底部汇集后经增压泵31泵入制冷机组30中的蒸发侧的进液口，在制冷机组30中被降温后重新返回降温除湿室32中，形成盐溶液循环，从而使降温除湿室32能够持续提供用于对新风巷道36送入降温除湿室32的新风进行降温除湿的低温盐溶液。

第三方面，制冷机组30的冷凝侧对来自换能器20的低温循环水进行加热后成为高温循环水，在第二循环泵26的作用下，高温循环水进入换能器20并与换能器20所埋设的土壤层进行热交换温度降低，之后返回制冷机组30。也就是说，借助于换能器20使井下单元的高温循环水与浅层换能单元的土壤进行换热，从而保证了制冷机组的蒸发侧能够持续提供足够的冷量对从降温除湿室32内的温度升高的盐溶液进行有效地降温。

如在一种具体的示例中，矿井为煤矿井，掘进巷道为的横截面为梯形，外巷道的横截面为上宽1.8m、下宽3m、高2m的梯形，内巷道的横截面为上宽 1.2m、下宽2.4m、高1.7m的梯形，掘进巷道中柱状区域长度大约为5m，风筒的新风送风量约30,000m³/h。风筒在内巷道中的部分沿轴向每隔5m设置一个连通孔单元，连通孔单元包括沿周向均匀分布的3个连通孔，连通孔的尺寸为风机33抽取新风巷道36中的干球温度25℃、含湿量为13.98g/kg的新风流送入降温除湿室32，在降温除湿室32被降温除湿处理后这部分新风流的干球温度降低至0℃、含湿量降至3.59g/kg，这一过程实现了对新风流的降温除湿，即转换为干燥的低温新风流。之后，干燥的低温新风流通过第二风筒 342送入掘进巷道35并与其内的高温高湿的风流混合后，掘进巷道35内的柱状区域会形成干球温度23℃、含湿量为8.784g/kg的较为舒适的空气，掘进巷道 35内的内巷道会形成干球温度20℃、含湿量为5.821g/kg的较为舒适的空气。

在此过程中，降温除湿处理后的降温除湿室32的盐溶液温度从-10℃升高至-5℃，通入制冷机组的蒸发侧被降温至-10℃后重新返回降温除湿室32。对盐溶液进行降温的过程中，制冷机组的冷凝侧的低温循环水被加热至35℃的高温循环水，高温循环水通向水平埋设于温度≤18℃的土壤层中的换能器20 与土壤层进行换热后温度降至20℃再次返回制冷机组以便对温度升高的盐溶液进行降温。

需要说明的是，该运行模式为正常的降温除湿模式一，当井下单元的制冷负荷低于浅层换能单元的换热负荷时，可将井下单元产生的冷凝废热回收并储存于土壤层，作为地上单元的热源。如在供暖期间，将储存于土壤层的热能向热用户的供暖***提供热量。因此该模式主要适用于井下制冷负荷不高于设计的制冷负荷(即浅层换能单元能够提供的换热负荷)的情形。

运行模式二：

参照图3，图3示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在正常降温除湿模式二时的状态示意图。如图3所示，切断阀门(21、23)，开启阀门(13、14、22、24、25)，即可使***处于该模式。在该模式下，***的运行过程包括以下三个方面：

第一方面，风机33抽取新风巷道36中的高温高湿的新风并通过风筒341送入降温除湿室32中。在降温除湿室32中，新风流自右向左流动的过程中，低温盐溶液通过喷嘴以顺流喷射和逆流喷射相结合的方式形成雾状液滴并与高温高湿的新风流接触，充分热质交换后，新风流被降温其中凝结的水蒸气被低温盐溶液带走，实现对新风的降温除湿处理，降温除湿后的空气通过第二风筒342送入掘进巷道35并与其内的高温高湿的风流进行混合，提高了井下作业环境的舒适度。

第二方面，降温除湿处理后的低温盐溶液温度上升，在降温除湿室底部汇集后经增压泵31泵入制冷机组30中的蒸发侧的进液口，在制冷机组30中被降温后重新返回降温除湿室32中，形成盐溶液循环，从而使降温除湿室32能够持续提供用于对新风巷道36送入降温除湿室32的新风进行降温除湿的低温盐溶液。

第三方面，制冷机组30的冷凝侧对来自热泵机组10的蒸发侧的低温循环水进行加热后成为高温循环水，在第二循环泵26的作用下，高温循环水进入热泵机组10的蒸发侧进行热交换，温度降低之后重新返回制冷机组30。也就是说，通过循环水在热泵机组10与制冷机组30之间的流动换热，从而一方面保证了制冷机组的蒸发侧能够持续提供足够的冷量从而对从降温除湿室32内返回的温度升高的盐溶液进行有效地降温，另一方面保证了热泵机组的冷凝侧能够持续提供足够的热量从而使热用户12能够获得理想温度的热水。

需要说明的是，该运行模式为正常的降温除湿模式二，由于该模式下主要是将井下单元产生的热能作为地上单元的热源，因此该模式主要适用于地上单元有热负荷需求的情形，如适用于夏季，此时地面用户有热水需求且土壤层处于温度较高的状态。具体而言，温度较高的土壤层无法单独向盐溶液提供足够的冷量。而对于矿山企业而言，三班倒的工人在出井后必不可少的一环就是洗澡，否则煤灰、煤油灯导致人体感觉极其不舒适，因此热水需求较大，因此在井下正常作业的情形下已经能够向盐溶液足够的冷量。此时***“跳”过土壤层仅通过地上单元和井下单元之间的热质交换即实现了对井下单元的降温除湿。

运行模式三：

参照图4，图4示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在非降温除湿模式的状态示意图。如图4所示，切断阀门(21、22、24、25)，开启阀门(13、14、23)，即可使***处于该模式。在该模式下，井下单元的各设备均处于停机状态，因此制冷机组无冷量需求。也就是说，在该模式下，主要是浅层换能单元与地上单元之间的热质交换。

具体而言，一方面，在第二循环泵26的作用下，来自换能器20的高温循环水进入热泵机组10的蒸发侧的低温循环水进行热交换，来自换能器20的高温循环水释放热量温度降低之后重新进入换能器20，热泵机组10的蒸发侧的低温循环水被加热温度升高后返回热泵机组10的冷凝侧并向热用户12持续提供热水。

也就是说，借助于换能器20使地上单元的低温循环水与浅层换能单元的土壤进行换热，从而保证了热泵机组10的冷凝侧能够持续获得足够的热量对井上热用户12提供连续不断的热水。

如在一种具体的示例中，第二循环泵26抽取来自浅层换能单元的18℃的高温循环水，在热泵机组10中的蒸发侧被降温至10℃之后返回换能器20被重新加热，形成第一个水循环。与此同时，热泵机组10的水吸收这部分热量并在冷凝侧向热用户12提供连续不断的45℃左右的热水，形成第二个水循环。

需要说明的是，在该模式下，井下单元的设备均处于停机状态因此没有降温除湿的需求，也就是说降温除湿***此时不需要产生能够向井下单元提供冷量的制冷负荷。此时，通过吸取浅层换热单元所处的土壤中的热能来满足地上单元的热用户12的用热需求，如适用于春、秋、冬季节等井下单元无需降温除湿、土壤层的温度较高且热用户的热需求较大(如热水、采暖等) 的情形。此时，无井下单元介入的***可以“业余”地实现对地上单元的热量供应。

运行模式四：

参照图5，图5示出本发明一种实施例的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***在超负荷降温除湿模式时的状态示意图。如图5所示，切断阀门(21、22、23)，开启阀门(13、14、24、25)，即可使***处于该模式。在该模式下，***的运行过程包括以下三个方面：

第一方面，风机33抽取新风巷道36中的高温高湿的新风并通过风筒34送入降温除湿室32中。在降温除湿室32中，新风流自右向左流动的过程中，低温盐溶液通过喷嘴以顺流喷射和逆流喷射相结合的方式形成雾状液滴并与高温高湿的新风流接触，充分热质交换后，新风流被降温其中凝结的水蒸气被低温盐溶液带走，实现对新风的降温除湿处理，降温除湿后的空气通过第二风筒342送入掘进巷道35与其内的高温高湿的风流进行混合，提高了井下作业环境的舒适度。

第二方面，降温除湿处理后的低温盐溶液温度上升，在降温除湿室底部汇集后经增压泵31泵入制冷机组30中的蒸发侧的进液口，在制冷机组30中被降温后重新返回降温除湿室32中，形成盐溶液循环，从而使降温除湿室32能够持续提供用于对新风巷道36送入降温除湿室32的新风进行降温除湿的低温盐溶液。

第三方面，制冷机组30的冷凝侧对来自换能器20的低温循环水进行加热后成为高温循环水，进一步地，这部分高温循环水在第二循环泵26的作用下进入热泵机组10的蒸发侧进行热交换，温度降低后返回换能器20，在换能器 20内与换能器所埋设的土壤层换热后循环水温度进一步降低，最后返回制冷机组30。也就是说，通过热泵机组10和换能器20的协作，使井下单元产生的高温循环水与地上单元的热泵机组以及浅层换能单元的土壤层进行换热，从而保证了制冷机组的蒸发侧获得足够的冷量对从降温除湿室32的温度升高的盐溶液进行有效地降温。

需要说明的是，该运行模式主要适用于井下单元超负荷运行的情形。在该模式下，井下单元的降温除湿负荷超过了浅层换能单元的储热能力，此时需要提高***的输热量，因此通过增加地上单元的辅助，将井下单元产生的热能一部分通过浅层换热单元消化，即与浅层换热单元所埋设的土壤层进行换热，另一部分通过地上单元的热用户来消化，即作为地上单元的热源向热用户提供热水。

需要进一步说明的是，上述的井下单元超负荷运行可以有两种理解：第一种理解是浅层换能单元的制冷水平足够，只是因为井下单元临时有超负荷运行的需求，如集中赶工程进度等情形。第二种理解是浅层换能单元的制冷水平下降，即土壤层处于温度较高的状态，且单独的任一方即浅层换能单元或者地上单元均不足以实现对盐溶液的冷却。此时井下单元可以是第一种情形所说的集中赶工程进度等特殊状况，也可以是井下单元正常运行只是产生的冷凝废热大于任一方即浅层换能单元或者地上单元能够消化的情形，本发明主要针对后一种理解的情形，在该情形下，通过将两个能够“消化”热量的端串联起来，以协作的方式实现了对盐溶液的冷却。

为了减少热量/冷量的损失，本发明对水循环管道(如制冷机组、换能器之间与热泵机组之间的管道)和盐溶液循环管道(如降温除湿室与制冷机组之间的管道)均进行保温处理，如在水循环管道的外部包覆复合硅酸盐保温材料，盐溶液循环管道的外部包覆阻燃橡塑海绵保温材料。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，所述掘进巷道具有掘进工作面，其特征在于，所述***包括：

隔离体，其设置于所述掘进巷道内，所述隔离体为筒状结构，所述筒状结构的内侧形成有内巷道，所述筒状结构的外侧和所述掘进巷道形成外巷道；以及

自上而下分布且能够连通的地上单元、浅层换能单元和与所述内巷道和所述外巷道分别连通的井下单元，

其中，所述地上单元包括热泵机组，所述热泵机组的蒸发侧的进水口和出水口分别配置有第一阀门和第二阀门，以便通过切换所述第一阀门和所述第二阀门的启/闭状态来调整用于进行热质交换的循环水是否流经所述热泵机组；

其中，所述浅层换能单元包括换能器，所述换能器埋设于地下的土壤层，且所述换能器配置有阀门组，所述阀门组包括多个阀门且所述阀门组设置成能够通过切换各个阀门的启/闭状态来调整用于进行热质交换的循环水的流动路径。

2.根据权利要求1所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述浅层换能单元包括第二循环泵，所述阀门组包括第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门，所述换能器和第二循环泵通过管道连接形成闭环，

其中，所述第二循环泵的进水口与所述井下单元连接且所述第六阀门设置于二者之间，所述第二循环泵的出水口与所述第一阀门连接，所述第四阀门和所述第七阀门依次串联并设置于所述第二阀门和所述井下单元之间，所述第五阀门设置于所述换能器的出水口和所述第二循环泵的进水口之间，所述第三阀门设置于所述第二循环泵的出水口与所述换能器的进水口之间。

3.根据权利要求2所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述井下单元包括制冷机组、降温除湿室和增压泵，所述降温除湿室与所述内巷道和所述外巷道分别连通，所述制冷机组的冷凝侧的进水口与所述第七阀门连接，所述制冷机组的冷凝侧的出水口与所述第六阀门连接，

所述制冷机组的蒸发侧的出液口与所述降温除湿室连接，所述降温除湿室与所述制冷机组的蒸发侧的进液口连接且所述增压泵设置于二者之间；

其中，所述内巷道和所述外巷道均通过回风巷与外部连通，以保证所述掘进巷道内的气体流通。

4.根据权利要求3所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述井下单元包括风机、第一风筒和第二风筒，

其中，与外部连通的新风巷道通过所述第一风筒与所述降温除湿室的进风口连接，以便将所述新风巷道中从地上引入地下的高温高湿的新风送入降温除湿室；

其中，所述降温除湿室的出风口通过所述第二风筒与所述内巷道和所述外巷道分别连接，以便将降温除湿后的空气送入所述内巷道和所述外巷道。

5.根据权利要求4所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述筒状结构在靠近所述掘进工作面的端部具有第一壁体，以及所述筒状结构在远离所述掘进工作面的端部设置有第二壁体，

所述外巷道包括由所述筒状结构和所述掘进巷道的侧壁形成的环状部分以及由所述第一壁体、所述掘进巷道的侧壁和所述掘进工作面形成的柱状部分，

所述第二风筒沿轴向贯穿所述内巷道且所述第二风筒的下游端与所述柱状部分连通，所述第二风筒在容纳于所述内巷道的部分设置有连通孔组，所述连通孔组，所述第二风筒通过所述连通孔组与所述内巷道连通。

6.根据权利要求5所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述连通孔组包括沿所述第二风筒的轴向分布的至少一个连通孔单元，所述连通孔单元包括沿所述第二风筒的周向分布的至少一个连通孔。

7.根据权利要求5所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述隔离体包括隔离层，所述隔离层由隔热材料和/或隔湿材料制成；或者

所述隔离体包括基体，所述基体的至少一部分上设置有所述隔离层。

8.根据权利要求4所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述降温除湿室内设置有溶液管路，所述溶液管路包括主管路以及与所述主管路分别连通的多个支管路，所述支管路上分布有由多个喷嘴，

其中，所述制冷机组的蒸发侧的出液口与所述主管路连接；

其中，所述支管路位于所述主管路的下方且与所述主管路具有夹角，所述降温除湿室的出液口位于侧壁靠近下方的位置，以便使从所述喷嘴喷射出的溶液汇集至所述降温除湿室的出液口并借助所述增压泵被重新泵入所述制冷机组的蒸发侧，形成溶液循环。

9.根据权利要求8所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述降温除湿室的进风口与出风口的方位设置成能够增加来自所述新风巷道的高温高湿的新风在由所述降温除湿室的进风口流至出风口的过程中与从所述喷嘴喷射出的溶液的接触面积；并且/或者

同一个所述主管路上各个喷嘴的喷射方向相同或者不同，不同的所述主管路上的喷嘴的喷射方向相同或者不同。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于矿井掘进巷道的浅层冷能循环降温除湿及废热利用***，其特征在于，所述地上单元包括第一循环泵，具有热量需求的热用户与所述热泵机组形成闭环，所述第一循环泵设置于所述热泵机组的冷凝侧的出水口与所述热用户的进水口之间。