空氣源熱泵技術(shù)用于建筑供暖的經(jīng)濟(jì)性分析

周文斌

（中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

按照《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》(國(guó)發(fā)[2018]22號(hào))要求[1]，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)是重大決策部署，事關(guān)滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，事關(guān)全面建成小康社會(huì)，事關(guān)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和美麗中國(guó)建設(shè)。內(nèi)蒙古人民政府印發(fā)《關(guān)于貫徹落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的意見(jiàn)》，明確要控制燃煤消費(fèi)總量，地級(jí)市以上城市建成區(qū)基本淘汰10蒸噸/h及以下燃煤鍋爐，防治大氣污染的壓力與日俱增[2]。呼和浩特局集團(tuán)公司從2017 年開(kāi)始加大燃煤鍋爐改造力度，以政府“三供一業(yè)”改造為契機(jī)，優(yōu)先將具備條件的站段、工區(qū)及鐵路居民小區(qū)接入市政管網(wǎng)；取締了環(huán)保不達(dá)標(biāo)、限期治理的絕大部分燃煤鍋爐。但是，鐵路點(diǎn)多線長(zhǎng)，存在地理位置分散，沿線車(chē)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、供電等工區(qū)供熱面積小，不具備接入市政管網(wǎng)和燃?xì)忮仩t的條件。

空氣源熱泵具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。近年來(lái)，諸如噴液技術(shù)、壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)、跨臨界循環(huán)等新技術(shù)逐漸得到應(yīng)用[4-6]，進(jìn)一步提升了空氣源熱泵的運(yùn)行范圍和制熱性能，使空氣源熱泵在北方寒冷地區(qū)的供暖應(yīng)用成為可能?；诳諝庠礋岜玫募夹g(shù)特點(diǎn)，采用“煤改電”的方式使用空氣源熱泵能夠在滿足國(guó)家節(jié)能環(huán)保要求的同時(shí)解決沿線站區(qū)的取暖問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)沿線站區(qū)供暖熱源形式的節(jié)能改造具有重要意義。在此，以該鐵路局集團(tuán)公司某站段的空氣源熱泵實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)3種空氣源熱泵在投資成本和應(yīng)用效果方面進(jìn)行比較分析。

1 不同空氣源熱泵基本原理

1.1 R407c空氣源熱泵

R407c 空氣源熱泵采用噴液技術(shù)，通過(guò)在壓縮機(jī)腔體內(nèi)直接噴液的方式可以解決環(huán)境溫度較低時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。熱泵運(yùn)行環(huán)境溫度范圍-30～43℃，生產(chǎn)高溫?zé)崴_(dá)60℃。但是，考慮蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度之間應(yīng)有溫差才能實(shí)現(xiàn)從空氣環(huán)境中吸收熱量，因而R407c空氣源熱泵壓縮機(jī)采用噴液技術(shù)下的最低蒸發(fā)溫度一般為-28℃，其應(yīng)用在熱泵機(jī)組內(nèi)最低的環(huán)境溫度也不會(huì)低于-28℃。

R407c 空氣源熱泵機(jī)組的工作流程如圖1 所示。液態(tài)制冷劑經(jīng)冷凝器后分為兩路，一路經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，另一路則經(jīng)噴液閥噴入壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)排氣溫度的下降。只有當(dāng)排氣溫度高于某一設(shè)定值時(shí)噴液閥開(kāi)啟，排氣溫度降低則噴液閥關(guān)閉，整個(gè)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)量只有在噴液閥開(kāi)啟時(shí)才會(huì)增加，其他運(yùn)行時(shí)間則沒(méi)有制冷劑流量的增加。因此，從根本上說(shuō)，排氣溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能效和制熱量并沒(méi)有增加，即噴液技術(shù)的應(yīng)用拓寬了空氣源熱泵(冷水)機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境溫度范圍，在制熱量和能效水平上并未顯著提升。

圖1 R407c空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)

1.2 R410a空氣源熱泵

R410a 空氣源熱泵采用壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)，主要解決了空氣源熱泵在冬季工作時(shí)由于排氣溫度過(guò)高而造成的機(jī)組不穩(wěn)定和制熱量偏低的問(wèn)題。壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)中主要分為2 種[7-8]，一種是帶有經(jīng)濟(jì)器的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)，如圖2 所示；另一種是帶有儲(chǔ)液補(bǔ)氣罐的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)，如圖3 所示。相較于第2 種補(bǔ)氣方式，第1 種可以保證適當(dāng)?shù)闹虚g補(bǔ)氣過(guò)熱度并增加制冷劑的過(guò)冷度，因而目前市場(chǎng)上多采用第1種補(bǔ)氣方式。

圖2 帶有經(jīng)濟(jì)器的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)

圖3 帶有儲(chǔ)液補(bǔ)氣罐的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)

在帶有經(jīng)濟(jì)器的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)中，R410a 被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱氣體后進(jìn)入冷凝器放熱，冷凝為高壓液體；高壓液體在冷凝器后分為兩路，大部分液體直接進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，與另一路經(jīng)過(guò)補(bǔ)氣膨脹閥的少部分制冷劑在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)換熱，主路大部分的制冷劑釋放熱量降溫得到更多過(guò)冷度，利于系統(tǒng)能效比的提高，經(jīng)過(guò)補(bǔ)氣膨脹閥的少部分制冷劑降壓降溫以氣液兩相態(tài)在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)吸收主路制冷劑的熱量；當(dāng)環(huán)境溫度低于某一設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)氣回路膨脹閥開(kāi)啟，在經(jīng)濟(jì)器中吸熱的少部分制冷劑以居于蒸發(fā)壓力和冷凝壓力之間的中間壓力噴入壓縮機(jī)，參與壓縮過(guò)程；而經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)器進(jìn)一步過(guò)冷后的大部分制冷劑經(jīng)主膨脹閥膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)以低于環(huán)境溫度的蒸發(fā)溫度吸收空氣側(cè)熱量而蒸發(fā)成為具有一定過(guò)熱度的制冷劑蒸氣，隨后進(jìn)入壓縮機(jī)，參與壓縮機(jī)壓縮過(guò)程。

與應(yīng)用噴液技術(shù)的R407c 空氣源熱泵相比，壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)能夠在大幅度降低壓縮器排氣溫度的同時(shí)提升系統(tǒng)制熱量。因此，R410a 空氣源熱泵機(jī)組大多可以在-20～43℃的外部環(huán)境溫度下運(yùn)行，供給的熱水出水溫度可達(dá)到55℃(在較高環(huán)境溫度下)，在供暖側(cè)末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管或地板輻射采暖的情況下，基本可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)供暖需求的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，供回水溫度設(shè)定在45℃/40℃運(yùn)行工況下，最低可在-25℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行，但其能效比較低，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的能效比為1.4?？紤]冬季供暖初期、末期環(huán)境溫度相對(duì)較高的時(shí)間在整個(gè)供暖時(shí)間段占有較大比例，供暖期的綜合能效在全國(guó)絕大部分區(qū)域基本在2.0以上。

1.3 CO2空氣源熱泵

CO2作為一種天然制冷劑，其代表了節(jié)能、環(huán)保制冷劑的發(fā)展方向。CO2作為一種制冷劑在19世紀(jì)已應(yīng)用于制冷行業(yè)，但隨著現(xiàn)代合成制冷劑的發(fā)展而被淘汰。隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，CO2作為節(jié)能環(huán)保制冷劑再次進(jìn)入專業(yè)研究領(lǐng)域的范圍?，F(xiàn)代CO2制冷系統(tǒng)最早是由前國(guó)際制冷協(xié)會(huì)主席LORENTZEN G提出[9]，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的研究?？缗R界CO2制熱系統(tǒng)如圖4所示。

相較于R407c 和R410a 熱泵系統(tǒng)，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)有以下運(yùn)行特點(diǎn)[10-11]：一是蒸發(fā)溫度低于30.98℃，從而對(duì)蒸發(fā)器側(cè)換熱介質(zhì)的溫度提出了限制條件；二是熱力循環(huán)過(guò)程為跨臨界循環(huán)，壓縮機(jī)排氣壓力高于CO2的臨界壓力7.377 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行壓力遠(yuǎn)高于R407c、R410a 等其他制冷劑的運(yùn)行壓力，由此對(duì)換熱器部件、壓縮機(jī)、四通換向閥和管路等提出了嚴(yán)格的安全性要求；三是氣體冷卻器內(nèi)CO2的溫度和壓力是相互獨(dú)立的，其溫度的變化取決于外部介質(zhì)的流量和進(jìn)口溫度，基于此CO2熱泵機(jī)組可以生產(chǎn)較高溫度的熱水，最高出水溫度可達(dá)95℃；同時(shí)CO2具有良好的遷移特性、較高的導(dǎo)熱系數(shù)和定壓比熱，蒸汽密度小、動(dòng)力粘度小、表面張力小等優(yōu)越的物理特性，因而在相同輸入功率下，CO2熱泵機(jī)組的體積都比較小。

圖4 跨臨界CO2制熱系統(tǒng)

跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)雖然運(yùn)行壓力較高，但在低環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)，實(shí)際壓縮比遠(yuǎn)小于常規(guī)合成制冷劑在相同運(yùn)行工況下的壓縮比。因此，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)本身具備了低溫?zé)岜眠\(yùn)行的條件，市場(chǎng)現(xiàn)有跨臨界CO2熱泵機(jī)組最低運(yùn)行環(huán)境溫度為-25℃。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 應(yīng)用概況

2017 年以來(lái)某工務(wù)段在沿線工區(qū)探索通過(guò)“煤改電”工程的方式陸續(xù)安裝不同類型的空氣源熱泵機(jī)組，為保證對(duì)比研究的合理性，選取了安裝使用不同制冷劑空氣源熱泵且供暖面積相近的3 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，安裝地點(diǎn)及空氣源熱泵供暖狀況如表1所示。

表1 空氣源熱泵制冷劑及供暖面積情況

目前鐵路沿線站段建筑供暖末端主要為暖氣片，由于R410a 和R407c 空氣源熱泵出水溫度相對(duì)較低，為保證供暖效果，供暖末端需改造為風(fēng)機(jī)盤(pán)管。CO2空氣源熱泵出水溫度高，在低環(huán)境溫度下仍能高效制熱，因而末端采暖形式可直接使用原有暖氣片，無(wú)需改造。

2.2 不同空氣源熱泵能耗比較

表2 給出了各安裝地點(diǎn)熱泵供暖系統(tǒng)冬季供暖達(dá)到《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中寒冷地區(qū)室內(nèi)供暖溫度要求(18 ～24℃)[12]的月平均能耗情況。其中，CO2空氣源熱泵每月耗電為18.58 kW·h/m2，R410a 空氣源熱泵每月耗電22.03 kW·h/m2，R407c 空氣源熱泵每月耗電20.27 kW·h/m2。經(jīng)比較，CO2空氣源熱泵每平米每月耗電量最少。

結(jié)合不同空氣源熱泵性能特點(diǎn)和末端采暖形式進(jìn)行分析可知，R410a 和R407c 空氣源熱泵在相對(duì)較高的環(huán)境溫度下運(yùn)行具有較高的能效比，但當(dāng)天氣寒冷時(shí)其能效比下降較快，為保證相同的室內(nèi)供暖需求，制熱能耗將會(huì)明顯增加，并且室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管將進(jìn)一步增加系統(tǒng)耗電量，造成了供暖系統(tǒng)較高的供暖能耗。而CO2空氣源熱泵出水溫度高，在低環(huán)境溫度下更能凸顯其能效比高、制熱能耗低的特點(diǎn)，同時(shí)末端為暖氣片的供暖形式無(wú)需耗電即能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)供暖，節(jié)省了供暖系統(tǒng)末端的能耗，從而在供暖系統(tǒng)的整體節(jié)能效果上表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

2.3 不同空氣源熱泵綜合經(jīng)濟(jì)成本分析

在3種空氣源熱泵供暖系統(tǒng)建設(shè)的投資費(fèi)用方面，CO2空氣源熱泵由于其技術(shù)特點(diǎn)造成較高的生產(chǎn)成本，因此其熱泵機(jī)組建設(shè)投入高于另外2 種熱泵，約為另外2 種熱泵的1.5 ～2.5 倍。但是，使用CO2空氣源熱泵可直接連接建筑原有暖氣片進(jìn)行供暖，無(wú)需改造末端形式，節(jié)省了末端改造費(fèi)用。R410a 和R407c 空氣源熱泵的建設(shè)投資包括熱泵系統(tǒng)投入和供暖末端改造投入，由于空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的投資費(fèi)用主要集中在熱泵機(jī)組部分，因而R410a 和R407c 空氣源熱泵的建設(shè)總投資仍略低于CO2空氣源熱泵。

根據(jù)不同空氣源熱泵的投資成本和運(yùn)行能耗情況可知，空氣源熱泵應(yīng)用場(chǎng)景不同則獲得的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)不同。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)空氣源熱泵型式的選擇應(yīng)綜合考慮應(yīng)用建筑的氣候條件、改造條件和供暖需求等因素，從而實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。對(duì)于環(huán)境溫度相對(duì)較高且具有供暖末端改造條件的建筑，應(yīng)用R410a 或R407c 空氣源熱泵匹配風(fēng)機(jī)盤(pán)管，能夠保證供暖要求并可降低投資成本。對(duì)于環(huán)境溫度相對(duì)較低的建筑，采用R410a 或R407c 空氣源熱泵將出現(xiàn)制熱能效降低、運(yùn)行能耗增加的情況，甚至?xí)霈F(xiàn)在極端天氣下由于環(huán)境溫度過(guò)低造成機(jī)組無(wú)法正常工作而停機(jī)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響供暖效果和供暖系統(tǒng)可靠性。在此情況下宜采用CO2空氣源熱泵，一方面，隨著環(huán)境溫度的降低，CO2空氣源熱泵的性能優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，能夠充分發(fā)揮出水溫度高、運(yùn)行能耗低的特點(diǎn)，保證室內(nèi)供暖較高的舒適性；另一方面，CO2空氣源熱泵能夠制取高溫?zé)崴奶攸c(diǎn)使其可以直接連接建筑物既有暖氣管網(wǎng)，無(wú)需進(jìn)行末端改造，從而降低供暖系統(tǒng)改造難度和投資成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

（1）不同空氣源熱泵應(yīng)用場(chǎng)景不同，其經(jīng)濟(jì)效益也不同，對(duì)熱泵型式的選擇應(yīng)綜合考慮投資成本、運(yùn)行能耗、氣候條件、改造條件和供暖需求等因素。

表2 空氣源熱泵能耗記錄

（2）對(duì)于環(huán)境溫度相對(duì)較高且具有供暖末端改造條件的建筑，應(yīng)用R410a 或R407c 空氣源熱泵匹配風(fēng)機(jī)盤(pán)管，能夠保證供暖要求并可降低投資成本。

（3）對(duì)于環(huán)境溫度相對(duì)較低的建筑，采用CO2空氣源熱泵能夠充分發(fā)揮出水溫度高、運(yùn)行能耗低的特點(diǎn)，保證室內(nèi)供暖較高的舒適性。同時(shí)，CO2空氣源熱泵可以直接連接建筑物既有暖氣管網(wǎng)，無(wú)需進(jìn)行末端改造，從而降低供暖系統(tǒng)改造難度和投資成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。