空氣源熱泵（R404A）在超低環(huán)境溫度下鐵路沿線供暖中的應用研究

常鑫

摘 要 以二連站管轄的齊哈日格圖站為例開展了試點實驗研究。結合實驗記錄數(shù)據(jù)對空氣源熱泵（R404A）的使用效果、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟效益進行了分析，并對超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）在我國鐵路沿線建筑供暖的應用前景進行分析。

關鍵詞 空氣源熱泵；燃煤鍋爐；應用

為驗證空氣源熱泵機組（R404A）在北方寒冷地區(qū)應用的可能性，并對其節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益進行分析，選擇齊哈日格圖站為試點開展超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）試驗研究，分析空氣源熱泵（R404A）在寒冷地區(qū)的使用效果。

1 工程概況

項目地點位于齊哈格日圖站，始建于1953年4月，位于二連浩特市，地處集二線，低溫、大風以及沙塵天氣時常發(fā)生，屬于局管內(nèi)氣候條件比較有代表性的車站。既有房屋450㎡，冬季最低溫度達到-35℃。既有熱源為燃煤鍋爐，末端為暖氣片，制冷采用分體空調(diào)。既有鍋爐安裝于2009年9月，經(jīng)過8年的使用，鍋爐老化嚴重，熱效率轉換較低，既有暖氣循環(huán)系統(tǒng)跑、冒現(xiàn)象頻繁，供暖費用支出較大，一個采暖期內(nèi)共需支出63165.8元[1]。

2 設計方案

采用超低環(huán)溫空氣源熱泵（R404A）作為供暖熱源，既有平房末端采用風機盤管，夏季兼具制冷功能。新建 小樓末端采用地熱。具體方案如下

（1）室外設2臺超低環(huán)溫空氣源熱泵（R404A）對本建筑進行供暖制冷。冬季制熱供回水溫度45/40℃，夏季制冷供回水溫度7/12℃。超低環(huán)溫空氣源熱泵額定工況為：制熱量為73.4kW，功率21.9kW；制冷量為63.6kW，功率為23.6kW；低溫工況：熱水供回水溫度45℃/40℃，不帶電輔加熱，機組能夠高效制熱；最低可在-35℃環(huán)境溫度下供暖。

（2）熱泵機房設兩臺變頻循環(huán)泵，設有一套全自動軟水器及定壓補水裝置，系統(tǒng)補水定壓采用囊式落地膨脹水箱，補水泵由壓力控制器自動控制。

（3）末端采用風機盤管采暖，下供下回同程系統(tǒng)，由熱泵機組提供供回水45/40℃熱媒[2]。

3 超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）效益分析

3.1 能源消耗情況

在2016年10月9日至2016年11月26日期間，超低溫空氣源熱泵（R404A）機組共耗電19920kWh，日均耗電量為： 19920÷48÷450=0.9kWh/d㎡

若采用電鍋爐作為采暖熱源，改造后建筑內(nèi)熱負荷取75W/㎡進行估算，熱負荷總計為33.75kW，電鍋爐效率按95%進行計算，估算電鍋爐單位建筑面積日均用電量為：

33.75×24÷0.95÷450=1.9 kWh/d㎡

則與電鍋爐相比，節(jié)電率為：（1.9-0.9）÷1.9=53%

3.2 環(huán)保效益分析

改造前齊哈日格圖站采用一臺0.14MW燃煤鍋爐進行供暖，供暖期燃煤量98.1噸。燃煤鍋爐運行中會產(chǎn)生廢氣、SO2、煙塵及爐渣等排放物，根據(jù)《鐵路運輸企業(yè)環(huán)境保護統(tǒng)計規(guī)則》中關于燃料燃燒廢氣及其污染物統(tǒng)計常用計算方法，燃煤鍋爐廢氣排放量按下式進行計算： V=B×Vy。

式中：V為廢氣排放量，萬m?；B為燃料消耗量，t；Vy為廢氣排放系數(shù)，設煤炭低位發(fā)熱量為20935Kj/kg，過剩空氣系數(shù)為2.0，則Vy為1.159。改造前該燃煤鍋爐一個采暖期消耗燃煤98.1t，則廢氣排放量為：98.1×1.159=113.7萬m?。

燃煤鍋爐SO2排放量按下式進行計算： WSO2=B×GSO2×（1-γSO2）。

式中：WSO2為SO2排放量，kg；B為燃料消耗量，t；GSO2 為SO2產(chǎn)污系數(shù)，kg/t，根據(jù)相關資料，內(nèi)蒙地區(qū)煤炭中平均含硫量為1.14%，燃煤中硫的轉化效率為85%，則GSO2=21.25 kg/t；設γSO2=85%，則SO2排放量為：

98.1×21.25×（1-85%）=312.7kg

煙塵排放量按下式進行計算：W煙塵=B×G煙塵×（1-γ煙塵）

式中：W煙塵為煙塵排放量，kg；B為燃料消耗量，t；G煙塵為煙塵產(chǎn)污系數(shù)，kg/t，根據(jù)相關資料，內(nèi)蒙古地區(qū)煤炭中平均灰分為30%，設該鍋爐為層燃爐，則G煙塵=42.86 kg/t；γ煙塵為除塵器煙塵去除效率，設γ煙塵=90%，則煙塵排放量為：

98.1×42.86×（1-90%）=420.5kg

從2016年10月9日至2016年12月2日采暖期結束（共55天），空氣源熱泵（R404A）機組累計用電24270kWh，在此期間空氣源熱泵（R404A）機組日均耗電為：

24270÷55=441.27kWh/d

二連浩特地區(qū)采暖天數(shù)為210天，則整個采暖期空氣源熱泵（R404A）機組耗電為： 441.27×210=8.54萬kWh

按照1tce發(fā)電量為3030kWh進行計算，則一個采暖期的耗電量折算標煤為：85400÷3030=28tce。

即產(chǎn)生8.54萬kWh電能需消耗標煤28t，根據(jù)上述計算公式，廢氣排放量為：28×1.581=44.268萬m?。

發(fā)電廠脫硫效率按90%計，則SO2排放量為：28×21.25×（1-90%）=59.5kg。

發(fā)電廠除塵器煙塵去除效率按95%計，則28×42.86×（1-95%）=60kg。

綜上所述， 項目改造后，采用超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）替代了既有燃煤鍋爐，超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）僅消耗電能，改造后可實現(xiàn)減排廢氣69.432萬m?，減排SO2 253.2kg，減排煙塵360.5kg。

3.3 經(jīng)濟效益分析

據(jù)統(tǒng)計，改造前齊哈日格圖站燃煤鍋爐費用支出較大，主要包括臨時用工支出、維修費用及生產(chǎn)用煤的支出。據(jù)統(tǒng)計，集二線采暖期為7個月，2014年采暖期齊哈日格圖站雇傭鍋爐工一名，需支付臨時工資費用為7350元；2014年車站對齊哈日格圖站鍋爐和供暖系統(tǒng)進行臨時性維修，維修費用約為5000元。

2014年齊哈日格圖站累計使用生產(chǎn)用煤98.1噸，當?shù)孛簝r為518元/噸，則燃煤消耗的費用支出為50815.8元；

循環(huán)泵耗電量為0.24萬kwh，則循環(huán)泵耗電費用為： 0.24×10000×0.58=1392元。

燃煤鍋爐的排污費按24.07元/噸進行計算，則一個采暖季需繳納排污費用為：98.1×24.07=2361.3元。

則原鍋爐在采暖期內(nèi)共需支出為：7350+50815.8+5000+2361.3+1392=66919元。

即2014年采暖季該燃煤鍋爐共支出費用6.69萬元。

2016年10月9日至2016年11月26日期間，超低溫空氣源熱泵（R404A）機組共耗電19920kwh，日均耗電量為0.9kwh/d㎡，二連浩特地區(qū)采暖天數(shù)為210天，則整個采暖期空氣源熱泵（R404A）機組耗電為： 0.9×210×450=8.51萬kwh。

當?shù)仉妰r為0.58元/kwh，估計采用低環(huán)溫空氣源熱泵（R404A）后的維護費用為0.2萬元/年，則改造后的年運行成本為：8.51×0.58+0.2=51358元。

采用低環(huán)溫空氣源熱泵（R404A）后年運行成本為5.14萬元，則對比燃煤鍋爐年節(jié)約費用為： 6.69-5.14=1.55萬元。

3.4 使用效果分析

下圖為2015年12月18日-2016年4月30日的環(huán)境溫度變化曲線，其中數(shù)據(jù)記錄的12月的平均氣溫為-21℃，1月的平均氣溫為-26℃，2月的平均氣溫為-21℃，3月的平均氣溫-9℃，4月的平均氣溫為-2.2℃，在2016年1月26日-2016年1月29日期間連續(xù)四天環(huán)境溫度均在-25℃以下。

圖1 2015年12月18日-2016年4月30日環(huán)境溫度變化曲線

圖2 2015年12月18日-2016年4月30日期間房間溫度變化曲線

上圖為2015年12月18日-2016年4月30日房間溫度變化，在2015年12月18日-2016年4月26日機組運行期間，房間溫度平均溫度為22℃，房間供暖效果良好，能夠滿足設計要求。

在2016年1月26日-2016年1月29日期間連續(xù)四天環(huán)境溫度均在-25℃以下，機組經(jīng)調(diào)試后能夠正常工作，房間溫度為20℃，說明在-25℃的環(huán)境溫度下，機組能夠正常工作，并且能夠滿足室內(nèi)采暖要求。同時，項目改造后一方面不用再為燒鍋爐人員必須持證上崗犯愁，也減少了臨時用工；另一方面減輕日常維修，設備檢修車間不用冰天雪地趕赴車站，爬地溝、鉆鍋爐尋找和處理漏水點；同時改變以往推煤、加煤、壓火為一日三巡視、三記錄的作業(yè)方式。目前，空氣源熱泵（R404A）經(jīng)過兩個采暖區(qū)的考驗，設備運行基本平穩(wěn)，環(huán)保的性能凸顯，深受職工歡迎。

4 超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）我國鐵路沿線建筑供暖的應用前景

目前寒冷地區(qū)鐵路沿線建筑采暖以鍋爐為主，同時鐵路沿線站房具有數(shù)量眾多、位置偏僻和分散的特點，通常與市政的集中供熱管網(wǎng)無法連接，只能在沿線建設自用鍋爐房保證冬季供暖，這些鍋爐以燃煤鍋爐為主。雖然鍋爐作為傳統(tǒng)熱源能夠滿足我國鐵路沿線建筑采暖需求，但鍋爐燃燒所采用的燃料都為煤炭、燃油、天然氣等化石能源，在燃燒過程中會產(chǎn)生各類污染物，如燃煤鍋爐運行中產(chǎn)生的煙塵、SO2、NOX等污染物是我國大氣污染的主要源頭；同時小鍋爐運行效率，隨著使用時間的增加，鍋爐的運行效率逐漸下降，造成能源消耗量的增加。

在面臨傳統(tǒng)熱源污染較大、效率不高、運行費用高等問題時，空氣源熱泵、地源熱泵、太陽能、生物質(zhì)能等新型供暖技術逐漸進入人們的視野，為鐵路沿線建筑采暖提供了新的選擇，但地源熱泵技術、太陽能供暖技術、生物質(zhì)能供暖技術受水文地質(zhì)條件、太陽能資源、技術成熟度及初期投入高等因素的限制，不具備全面推廣應用的條件，空氣源熱泵具有運行效率高、安裝靈活方便、運行費低等特點，但普通空氣源熱泵在環(huán)境溫度低于-5℃的情況下，機組制熱量和COP急速下降，并不適合在寒冷地區(qū)應用。

2013年國務院發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》中提到“全面整治燃煤小鍋爐，加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。”在面臨我國對節(jié)能環(huán)保的要求越來越高以及節(jié)約成本，減少支出的形勢下，超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）機組在寒冷地區(qū)鐵路沿線建筑的采暖，特別是在冬季環(huán)境溫度低于-5℃的地區(qū)中，將有廣泛的應用前景。

5 結束語

超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）機組的使用，解決了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應用的種種難題，它創(chuàng)造性地以低溫制冷劑R404A作為空氣源熱泵的工質(zhì)，通過試點工程的應用，證明超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）機組在-35℃的環(huán)境溫度下能夠正常運行，且能夠滿足采暖要求。同時，超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）在運行時不產(chǎn)生任何污染物排放，具有顯著的減排效益，降低了運行成本，較高的自動化水平改變了以往燒鍋爐時作業(yè)方式。在面臨我國對節(jié)能環(huán)保的要求越來越高以及節(jié)約成本，減少支出的形勢下，超低環(huán)境溫度空氣源熱泵（R404A）機組在寒冷地區(qū)鐵路沿線建筑的采暖中，將有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 安常林.管內(nèi)鐵路沿線房屋供暖與節(jié)能的探討.鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2011，（6）：286-287，311.

[2] 蔣爽，杜偉，姜紅曉.低環(huán)境溫度空氣源熱泵的設計及其在我國寒冷地區(qū)的應用[J].制冷與空調(diào)，2012，5（12）：39-44.