低溫空氣源熱泵在高原高寒地區(qū)鐵路車站的應(yīng)用研究

馬 強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，面臨的環(huán)境問題也越來越無法回避。近年來，霧霾問題更是十分突出，國務(wù)院于2013年9月10日下發(fā)了大氣污染防治行動計(jì)劃，其中明確要求:到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰10蒸t/h及以下的燃煤鍋爐，禁止新建20蒸t/h以下的燃煤鍋爐，其他地區(qū)原則上不再新建10蒸t/h以下的燃煤鍋爐;在供熱供氣管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)，改用電、新能源等。各地也已紛紛出臺各項(xiàng)控制措施。由于鐵路車站通常距離城市較遠(yuǎn)，具有數(shù)量眾多、位置偏僻和分散的特點(diǎn)，通常與市政的集中供熱管網(wǎng)無法連接，而高原高寒地區(qū)也往往不具備供天然氣的條件，熱泵技術(shù)特別是空氣源熱泵在這些地區(qū)的使用也勢在必行。

1 熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)作為一種可再生能源的利用模式，節(jié)能環(huán)保，這些年來已受到廣泛的重視和應(yīng)用。根據(jù)熱量的來源，熱泵可分為土壤源熱泵、水源(地下水、地表水、湖水、海水、污水等)熱泵、空氣源熱泵。各種熱泵系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，土壤源熱泵熱源穩(wěn)定，但需要很大埋管面積;水源熱泵受自然條件限制，需在水資源豐富的地區(qū)，現(xiàn)在全國很多地區(qū)嚴(yán)重缺水，地下水位越來越低，各地政府已嚴(yán)格控制打井采取地下水，地表水的使用控制更為嚴(yán)格;而空氣源熱泵是直接從空氣中提取熱量，空氣中的熱量主要來自太陽，因此它實(shí)際上是間接和深層次地利用了太陽能。設(shè)置靈活，但不太穩(wěn)定，受室外溫度影響較大。

2 空氣源熱泵工作原理

空氣源熱泵在我國長江流域及西南、華南地區(qū)已有廣泛應(yīng)用，這些地區(qū)冬季室外溫度一般不低于－5℃，室內(nèi)所需熱量不大，夏季溫度較高，有制冷要求，當(dāng)采用空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性可以得到較好的保證，無需輔助熱源，能夠以較低的初投資、較低的能耗較好地滿足該地區(qū)的采暖、空調(diào)要求，高效節(jié)能不污染環(huán)境，可一機(jī)兩用［1-2］。而對于黃河流域、華北地區(qū)這些傳統(tǒng)的采暖地區(qū)長期以來一直依靠燃煤、燃油采暖。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的采暖方式不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求［3］。傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組當(dāng)環(huán)境溫度低于－10℃，制熱量和能效比通常都大幅衰減，并出現(xiàn)結(jié)霜問題。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn):①制熱量隨著環(huán)境溫度的下降逐步衰減，只能采用電加熱器補(bǔ)熱的方式，但工作效率降低很大，導(dǎo)致在寒冷惡劣低溫工況下系統(tǒng)的制熱量不能滿足要求;②在低溫環(huán)境下，吸氣壓力低、制冷劑循環(huán)量小、壓縮比大、排氣溫度高等問題，會使機(jī)組的可靠性降低。

傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組已無法在 －20℃～－30℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定有效地制熱?，F(xiàn)在市場上比較成熟的低溫型空氣源熱泵機(jī)組分別采用以下幾種技術(shù)。

1)噴氣增焓技術(shù)。壓縮機(jī)除了常規(guī)的吸氣口和排氣口外，還帶有第2個(gè)吸氣口，即蒸汽噴射口，中壓的制冷劑蒸汽通過蒸汽噴射口和位于定渦旋盤的噴射孔噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，結(jié)合帶經(jīng)濟(jì)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到增加系統(tǒng)制熱量以及降低渦旋溫度的目的，循環(huán)過程見圖1。高溫噴汽增焓系統(tǒng)是由噴汽增焓壓縮機(jī)、噴氣增焓技術(shù)、高效過冷器組成的新型系統(tǒng)，高效過冷器一方面對主循環(huán)回路冷媒進(jìn)行節(jié)流前過冷，增大焓差;另一方面，對輔助回路(這路冷媒將由壓縮機(jī)中部導(dǎo)入直接參與壓縮)中經(jīng)過電子膨脹閥降壓后的低溫低壓冷媒進(jìn)行適當(dāng)?shù)仡A(yù)熱，以達(dá)到合適的中壓，提供給壓縮機(jī)進(jìn)行二次壓縮。

圖1 采用噴焓技術(shù)的冷媒循環(huán)

2)增設(shè)回?zé)崞?。熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、回?zé)崞?、?jié)流閥、蒸發(fā)器、貯液器組成封閉回路。低溫低壓的CO2氣體在壓縮機(jī)中壓縮至超臨界，然后進(jìn)入氣體冷卻器中被冷卻介質(zhì)(空氣)冷卻，離開氣體冷卻器后，高壓CO2氣體在回?zé)崞髦羞M(jìn)一步冷卻，然后CO2氣體節(jié)流降壓溫度下降，部分被液化，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器中汽化，貯液器中出來的低壓CO2飽和蒸汽進(jìn)入回?zé)崞鳎诘蛪簜?cè)通道吸收高壓側(cè)中超臨界流體，吸收熱量后成為過熱蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)升壓提溫，反復(fù)循環(huán)運(yùn)動。循環(huán)過程見圖2。

圖2 采用回?zé)崞鞯臒岜醚h(huán)

3)帶噴液旁路的渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)。80年代初日本學(xué)者提出帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機(jī)注氣系統(tǒng)，指出采取這一措施后在低溫工況下可提高制熱性能15%左右。后另有日本學(xué)者提出采用帶噴液旁路的渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)來解決低溫工況制熱時(shí)的排氣溫度過高問題，并開發(fā)出樣機(jī)，通過對輔助回路的投?？梢詫?shí)現(xiàn)既能在常溫工況下高效正常工作，又能夠在低溫工況下安全可靠工作。日本某公司的熱泵空調(diào)機(jī)組，就是采用帶噴液旁路的方法，現(xiàn)場實(shí)際測試表明其可以在－15℃以上的條件下正常工作［4］。

3 工程實(shí)例

1)新建鐵路拉日線日喀則車站

新建鐵路拉日線為拉薩到日喀則的高原高寒鐵路。日喀則地區(qū)海拔高度3 936 m，冬季大氣壓力63.61 kPa，年平均溫度6.5℃，采暖室外計(jì)算溫度－7.3℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度－9.1℃，極端最低氣溫－21.3℃，屬于氣候分區(qū)中的寒冷地區(qū)，冬季需設(shè)采暖。當(dāng)?shù)丨h(huán)評要求不準(zhǔn)新建燃煤鍋爐，此處又無天然氣源，綜合比較燃油鍋爐、熱泵采暖及電采暖3種方案，最后確定采用低溫空氣源熱泵機(jī)組。

以日喀則車站單身宿舍為例，建筑面積2 420 m2，共3層。建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為203 kW。參考某采用噴焓技術(shù)的日本設(shè)備廠家甲樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備選型，見圖3。

由圖3可見，由于采用了噴焓技術(shù)，在室外濕球溫度降低到4℃時(shí)，室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為20℃時(shí)設(shè)備制熱能力率曲線不降反增至約1.13，之后隨室外濕球溫度的下降而下降，直到室外濕球溫度降低到－15℃時(shí)，設(shè)備制熱能力率仍能保持在1.0以上。應(yīng)該注意，在室外濕球溫度降低至4℃后，設(shè)備輸入功率出現(xiàn)大幅增加，如室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為20℃時(shí)設(shè)備制熱輸入率曲線將由1.05上升至1.6，按此數(shù)值核算各型號設(shè)備能效比約為2.10～2.25，效率仍遠(yuǎn)高于電采暖。選擇設(shè)備后應(yīng)配備足夠電功率，以使設(shè)備能力完全發(fā)揮。

圖3 不同室內(nèi)干球溫度(DB)下設(shè)備制熱能力率和輸入率的變化曲線

由于所處地區(qū)為高海拔地區(qū)，而設(shè)備樣本上給出的性能曲線，均是指設(shè)備中風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(大氣壓力101.3 kPa、溫度20℃、相對濕度50%、空氣密度1.20 kg/m3)的參數(shù)。在使用條件改變的條件下，其性能應(yīng)按下列各式進(jìn)行換算，按換算后的性能參數(shù)進(jìn)行選擇，同時(shí)還應(yīng)核對風(fēng)機(jī)配用電動機(jī)軸功率是否滿足使用條件下的要求。修正時(shí)風(fēng)量不變，風(fēng)壓隨使用工況的空氣密度與標(biāo)定工況空氣密度不同而變化，即

式中:P為使用工況的風(fēng)壓，Pa;pN為標(biāo)定工況的風(fēng)壓，Pa;ρ為使用工況的空氣密度，kg/m3。

在實(shí)際大氣壓力下不同空氣溫度時(shí)的空氣密度為［5］

式中:t為實(shí)際的空氣溫度，℃;B為實(shí)際的大氣壓力，kPa。

項(xiàng)目所在地日喀則冬季大氣壓力為63.61 kPa，實(shí)際空氣溫度按年平均溫度6.5℃，得到實(shí)際空氣密度為0.793 kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度的0.613倍。此處應(yīng)注意，空調(diào)系統(tǒng)及以排除余熱、余濕等為目的通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行海拔修正。因?yàn)樵诖诉^程中體積風(fēng)量雖未變化，但高海拔條件下空氣密度變小，相同體積風(fēng)量的空氣其質(zhì)量減少，在換熱過程中，實(shí)際換熱量將減少。為滿足實(shí)際工況要求，應(yīng)按空氣的質(zhì)量流量及密度修正反算需放大的體積，然后進(jìn)行設(shè)備選型。對于低溫空氣源變頻多聯(lián)機(jī)組，室內(nèi)機(jī)選型時(shí)只進(jìn)行海拔修正即可，室外機(jī)選型時(shí)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行海拔修正及室外溫度條件下的制熱量衰減修正。

此工程由于兼有制冷要求，故選擇可同時(shí)制熱制冷的低溫空氣源變頻多聯(lián)機(jī)組，冷媒為R410A;設(shè)計(jì)中空調(diào)室外機(jī)選擇額定制熱量為63 kW的低溫?zé)岜脵C(jī)組6臺，額定制熱量為8 kW的空調(diào)室內(nèi)機(jī)40臺及額定制熱量為10 kW的空調(diào)室內(nèi)機(jī)2臺。

2)新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線清泉南站

只需冬季供熱的項(xiàng)目，可選擇能效比更高的CO2低溫空氣源熱泵機(jī)組。以新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線清泉南站綜合樓為例，清泉地處甘肅省的嘉峪關(guān)市與玉門市之間，海拔高度1 743 m，冬季大氣壓力84.71 kPa，采暖室外計(jì)算溫度－17℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度－21℃，極端最低氣溫－35.6℃，屬于氣候分區(qū)中的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季需設(shè)采暖。由于清泉南站位于環(huán)境保護(hù)區(qū)附近，環(huán)評要求采用清潔能源供暖，綜合考慮后決定采用低溫CO2空氣源熱泵機(jī)組供暖。綜合樓建筑面積1 230 m2，共3層，建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為118 kW，末端采用地板輻射采暖，熱媒為55/45℃熱水。參考某采用回?zé)崞鳠岜醚h(huán)的國內(nèi)設(shè)備廠家乙樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備選型，見表1。

表1 CO2空氣源熱泵制熱量修正系數(shù)

同樣，機(jī)組選型時(shí)進(jìn)行海拔修正及室外溫度條件下的制熱量衰減修正，計(jì)算得海拔修正系數(shù)為0.81，制熱量衰減修正系數(shù)由表1中機(jī)組出水溫度55℃及室外溫度－21℃按插值法計(jì)算為0.817，總修正系數(shù)為0.66;選擇3臺額定制熱量為75 kW的CO2低溫?zé)岜脵C(jī)組，使其滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736—2012)中規(guī)定:當(dāng)1臺機(jī)組停止工作時(shí)，其余機(jī)組可滿足不小于總供熱量70%的要求。熱泵機(jī)房內(nèi)設(shè)2臺循環(huán)泵，一用一備。系統(tǒng)補(bǔ)水定壓采用囊式落地膨脹水箱，補(bǔ)水泵(一用一備)由壓力控制器自動控制，循環(huán)泵回水管設(shè)泄壓安全閥。系統(tǒng)采用全自動軟水器。軟化水箱設(shè)液位控制器自動控制軟水器。

4 經(jīng)濟(jì)性比較

以日喀則單身宿舍項(xiàng)目為例對低溫空氣源熱泵系統(tǒng)與燃油鍋爐及電采暖系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，見表2。

表2 各方案初投資和全年運(yùn)行費(fèi)用比較 萬元

由表2可見，3種方案中空氣源熱泵系統(tǒng)無論初投資上還是運(yùn)行費(fèi)用均最低，經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

通過實(shí)際工程計(jì)算說明，無論是技術(shù)性還是經(jīng)濟(jì)性，低溫空氣源熱泵在高原高寒地區(qū)鐵路車站都具有良好的適用性。高效、節(jié)能、環(huán)保的低溫空氣源熱泵值得推廣。在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行制熱量衰減修正及海拔修正，并選擇技術(shù)成熟可靠的設(shè)備廠家。在我國大力控制污染物排放、推廣新能源的今天，隨著技術(shù)的不斷革新，相信會有更多的地區(qū)和項(xiàng)目用熱泵來取代鍋爐。

［1］范存養(yǎng).空氣源熱泵的應(yīng)用與展望［J］.暖通空調(diào)，1994，24(6):20-24.

［2］龍惟定，王長慶，丁文婷.試論中國的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向［J］.暖通空調(diào)，2000，30(5):27-32.

［3］江億.華北地區(qū)大中型城市供暖方式分析［J］.暖通空調(diào)，2000，30(4):30-32.

［4］柴沁虎.馬國遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.能源工程，2002(5):25-31.

［5］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.