CO2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在鐵路站段中的應(yīng)用

馮曉娟

（中國城市建設(shè)研究院有限公司 建筑所，北京 100120）

目前，我國北方鐵路站段熱水的制取仍主要依靠燃煤鍋爐。燃煤鍋爐的使用會造成污染氣體的排放，進而引發(fā)環(huán)境問題[1]。根據(jù)國家《大氣污染防治行動計劃》[2]中取締燃煤鍋爐的政策要求，找尋新型熱源替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐勢在必行?？諝庠礋岜米鳛橐环N新型熱源技術(shù)，只需消耗少量電能，即可從低品位的空氣熱源中獲得大量熱能，具有節(jié)能環(huán)保、制熱高效的特點[3]。然而，常規(guī)空氣源熱泵的制熱性能受環(huán)境溫度的影響較大，在低環(huán)境溫度下制熱性能會迅速下降[4]，影響了利用空氣源熱泵技術(shù)替代我國北方鐵路站段既有燃煤鍋爐的可行性。針對這一問題，鐵路科研院所結(jié)合我國北方鐵路沿線的氣候特點及壓縮機中間補氣技術(shù)、壓縮機噴液技術(shù)等低環(huán)境溫度熱泵新技術(shù)[5-6]，研發(fā)了適用于北方鐵路沿線高寒地區(qū)的新型CO2空氣源熱泵機組，并在我國多個北方鐵路站點建立了示范工程。在此，以位于內(nèi)蒙古北部某鐵路站段的熱水項目為例，對CO2空氣源熱泵的應(yīng)用效果進行分析。

1 CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

CO2空氣源熱泵是以CO2作為制冷劑的新型空氣源熱泵，與傳統(tǒng)的R410a和R407c等常規(guī)制冷劑相比，CO2具有極大優(yōu)勢。一方面，CO2是天然工質(zhì)，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和安全性，并且不會造成污染，同時利用CO2作為制冷劑實現(xiàn)了CO2的資源化利用，有助于減少CO2排放、緩解溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。另一方面，CO2具有良好的熱物性，在跨臨界循環(huán)工況下可以生產(chǎn)較高溫度的熱水[7-8]，作為熱泵熱水器使用時，具有比常規(guī)熱泵更高的能效比和更高的出水溫度。利用CO2作為制冷劑結(jié)合壓縮機中間補氣、防高溫噴液和智能化霜等技術(shù)研制的新型CO2空氣源熱泵，具有在低環(huán)境溫度下高效制熱特點。

CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的循環(huán)示意如圖1所示。由圖1 可知，除CO2空氣源熱泵機組外，熱水系統(tǒng)還包括熱水儲水箱、內(nèi)外循環(huán)水泵、補水裝置等設(shè)備及配件。整套系統(tǒng)包含內(nèi)外2個子循環(huán)，內(nèi)循環(huán)通過循環(huán)水泵將水由儲水箱送入室外CO2空氣源熱泵機組，實現(xiàn)對水循環(huán)加熱，保證熱水儲水箱內(nèi)的水溫始終保持在所需溫度范圍內(nèi)。外循環(huán)通過外循環(huán)水泵將儲水箱內(nèi)的熱水送至熱水系統(tǒng)末端的淋浴噴頭，用于用戶熱水。補水裝置直接連接自來水管，在缺水時自來水通過軟水器軟化后流入儲水箱內(nèi)，保證儲水箱內(nèi)的水量充足。

圖1 CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)循環(huán)示意圖

2 項目應(yīng)用

2.1 項目概況

某鐵路車務(wù)段位于內(nèi)蒙古北部地區(qū)，該地區(qū)冬季室外最低環(huán)境溫度為-23℃，冬季室外空調(diào)設(shè)計溫度為-19.1℃；夏季室外空調(diào)計算日平均溫度為27.5℃[9]。根據(jù)用戶熱水需求，每天需制取20 t熱水，溫度要求為60℃。

2.2 熱水系統(tǒng)設(shè)計

為保證用戶熱水的用水需求，CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)需配備足夠數(shù)量的機組，機組數(shù)量由機組進出水溫度、熱水需求量及機組制熱量等確定，計算公式為

式中：N為機組數(shù)量，臺；Vn為每日的熱水需求量，t；P為機組制熱量，kW；t為機組每日運行時間，h；Tout為機組出水溫度，℃；Tin為初始水溫，℃。

在該地區(qū)冬季室外空調(diào)設(shè)計溫度和60℃供水溫度條件下，每臺CO2空氣源熱泵機組的制熱量為35 kW。依據(jù)每天20 t的熱水需求，按每臺機組每天運行16 h，初始水溫為10℃進行設(shè)計，則通過計算可知，選擇2臺CO2空氣源熱泵機組即可基本滿足用戶熱水最大熱負荷需求。

內(nèi)外循環(huán)均設(shè)置2臺水泵，1用1備，并分別增設(shè)1臺變頻器用于控制水泵的運行。內(nèi)循環(huán)水泵流量的選取采用公式(2)計算

式中：L為循環(huán)水流量，m3/h；Q為總熱負荷，kW；ΔT為進回水溫差，℃，采暖系統(tǒng)一般取5℃。

依據(jù)熱水總熱負荷Q及系統(tǒng)管路情況，確定選取單臺流量8 m3/h、揚程為38 m的內(nèi)循環(huán)水泵即可滿足循環(huán)要求。外循環(huán)水泵選型依據(jù)淋浴噴頭和日淋浴人數(shù)確定。

根據(jù)用戶熱水設(shè)計工況，系統(tǒng)配備1套不銹鋼聚酯保溫?zé)崴洌糜趯崿F(xiàn)熱水循環(huán)加熱及系統(tǒng)補水。配備1套軟化水補水裝置，用于對系統(tǒng)內(nèi)的實時補水。CO2空氣源熱泵機組與水箱間由水泵等循環(huán)系統(tǒng)同程連接，循環(huán)管路進行保溫處理，循環(huán)系統(tǒng)管材和閥件的參數(shù)和用量依據(jù)項目現(xiàn)場需求加以確定。

2.3 熱水系統(tǒng)運行控制

配備熱泵機組控制系統(tǒng)以保證系統(tǒng)運行的自動化?？刂葡到y(tǒng)的運行過程：初始運行時，自來水經(jīng)硅磷晶罐通過熱水儲水箱內(nèi)的浮球閥進入熱水儲水箱；先后啟動內(nèi)循環(huán)水泵和CO2空氣源熱泵機組，循環(huán)加熱至設(shè)定水溫；在內(nèi)循環(huán)水泵回水溫度到達設(shè)定值后，CO2空氣源熱泵機組停機，內(nèi)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)為低頻運行；當(dāng)熱水儲水箱水位降低時(熱水使用后)，自來水經(jīng)硅磷晶軟化器通過浮球閥直接進入熱水儲水箱；當(dāng)內(nèi)循環(huán)水泵回水溫度低于設(shè)定值時，內(nèi)循環(huán)水泵開始高頻運行，而后啟動CO2空氣源熱泵機組，直至回水溫度達到設(shè)定值，CO2空氣源熱泵機組停機，內(nèi)循環(huán)水泵自動調(diào)整為低頻運行；熱水供給采用定壓泵定壓供給，用戶使用熱水時，壓力釋放，定壓水泵開啟。

控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定水溫對熱泵機組及循環(huán)水泵進行間斷性啟停和變頻控制，在保證供應(yīng)熱水始終維持于需求溫度的同時最大限度地實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

2.4 循環(huán)加熱式熱泵機組技術(shù)優(yōu)勢

本項目采用的循環(huán)加熱式熱泵機組與直熱式熱泵機組相比更具優(yōu)勢。首先，采用循環(huán)加熱式機組可以實現(xiàn)24 h實時熱水供應(yīng)，回水水溫下降后，循環(huán)加熱式機組可以高效升溫，直熱式機組則無法實現(xiàn)高溫回水下的高能效運行。此外，在機組冬季運行的防凍保護上，循環(huán)加熱式機組更加有利，直接通過水泵低頻運行即可實現(xiàn)有效保護，而直熱式機組如果采用低頻運行的防凍保護，系統(tǒng)需要在原有自來水進入機組的管道系統(tǒng)中另外增加回水管路，一方面提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，另外一方面也造成了管道散熱損失的增大。

2.5 運行效果分析

根據(jù)對該項目1個年度的運行監(jiān)測，CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠保證用戶的熱水需求，即使在冬季最冷極端溫度下也能滿足用水負荷。與原有燃煤鍋爐相比具有全自動運行、無需人工值守、運行維護方便簡單的特點。

對于熱泵系統(tǒng)來說，年綜合能效比COPz是反映熱泵系統(tǒng)在運行期間整體制熱的重要考核指標(biāo)，綜合能效比越高，熱泵系統(tǒng)的制熱效率越高，節(jié)能效果越好。CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的年綜合能效比COPz可以通過公式(3)求得

式中：w為制取單位體積熱水的平均耗電量，kW·h；D為機組年運行總天數(shù)，d；COPz為系統(tǒng)年綜合能效比。

根據(jù)1個年度系統(tǒng)電能表記錄的數(shù)據(jù)與機組運行天數(shù)的比值，得到系統(tǒng)日耗電量，再除以熱水日平均使用量可求得制取單位體積熱水的平均耗電量為18.63 kW·h，通過公式(3)計算得到CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行的年綜合能效比COPz為3.12。

對比分析采用不同熱源型式熱水系統(tǒng)的能效及能耗情況，如表1所示。從表1中可以看出，CO2空氣源熱泵的制熱效率最高，節(jié)能效果明顯，運行費用遠低于燃氣鍋爐和電鍋爐熱源型式，并且不會造成環(huán)境污染。由此可見，無論是在節(jié)能環(huán)保還是在經(jīng)濟效益方面，CO2空氣源熱泵都具有優(yōu)勢。

表1 CO2空氣源熱泵與其他熱源型式比較

3 結(jié)束語

CO2空氣源熱泵以CO2作為制冷劑，可以生產(chǎn)出較高溫度的熱水。在北方某鐵路站段的實際應(yīng)用結(jié)果表明，CO2空氣源熱泵能夠高效制取熱水，完全滿足熱水用水需求。與燃氣鍋爐和電鍋爐兩種熱源型式相比，具有制熱效率高、運行成本低、節(jié)能效果好的特點，是替代我國北方鐵路站段熱水用燃煤鍋爐的一種理想熱源。