淺談我國(guó)鐵路沿線建筑冬季供暖技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

晏耐生

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

淺談我國(guó)鐵路沿線建筑冬季供暖技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

晏耐生

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

地源熱泵、太陽(yáng)能供熱技術(shù)、風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電技術(shù)、空氣源熱泵等為鐵路沿線建筑冬季供暖問(wèn)題提供了新的可選方式，通過(guò)對(duì)部分站段實(shí)際應(yīng)用的調(diào)研，總結(jié)了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，可供使用單位參考。

鐵路沿線建筑；供熱技術(shù)；節(jié)能環(huán)保

我國(guó)鐵路沿線站房具有數(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(wú)法連接，冬季采暖主要還是依靠鍋爐、電暖氣、小煤爐等傳統(tǒng)方式。這種供暖方式不僅能耗高、熱效率較低，還會(huì)給環(huán)境帶來(lái)一定程度的影響[1]。以某鐵路局為例：該鐵路局共計(jì)有車(chē)務(wù)段8個(gè)，沿線共有大小車(chē)站96個(gè)，包含辦公樓、運(yùn)轉(zhuǎn)行車(chē)室、宿舍樓、貨運(yùn)樓等建筑131座。最老的建于1955年，最新的建于2011年。其中，大多數(shù)建筑為單層建筑，最高的為4層。面積總計(jì)約為81 312 m2，整體供暖期限從每年的10月1日到第二年的5月1日不等。部分站區(qū)由于冬季供暖能量不足，還需要開(kāi)家用空調(diào)輔助過(guò)冬。

近年來(lái)，為了響應(yīng)國(guó)家提出的建設(shè)綠色鐵路、節(jié)能減排的號(hào)召，一些可再生能源以及新型供熱系統(tǒng)得以推廣，如地源熱泵、太陽(yáng)能供熱技術(shù)、風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電技術(shù)、空氣源熱泵等供暖方式已逐漸應(yīng)用于鐵路車(chē)站、工務(wù)工區(qū)等建筑中。本文對(duì)實(shí)際應(yīng)用單位進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)如下。

1 地源熱泵的應(yīng)用

在新型供熱方式中，地源熱泵在鐵路沿線建筑中應(yīng)用較多，作為國(guó)家大力推廣的建筑空調(diào)節(jié)能技術(shù)，目前已有100多處(合計(jì)約30×104m2)鐵路建筑應(yīng)用了地源熱泵技術(shù)。在北方鐵路沿線建筑中使用地源熱泵，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但也存在著不可忽視的缺陷。

1.1 優(yōu)點(diǎn)[2]

1.1.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，方便操作人員進(jìn)行管理，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并根據(jù)熱泵機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行停機(jī)。避免了以往燃煤、燃油鍋爐需要配備若干個(gè)專(zhuān)業(yè)鍋爐操作工人的情況，節(jié)省了大量的人工費(fèi)用。

1.1.2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)只用電，沒(méi)有燃煤、燃油等易燃品的危害性，也不用考慮燃煤、燃油、煤渣等存放場(chǎng)地的需求，更無(wú)直接碳排放和其它有害氣體及污染物的排放，環(huán)保效果顯著，無(wú)安全隱患。

1.1.3 維修量低，系統(tǒng)使用壽命較長(zhǎng)，為使用單位節(jié)省了許多維修資金。

1.1.4 管理較好。使用單位對(duì)地源熱泵設(shè)備普遍比較重視，選派了專(zhuān)人管理，加強(qiáng)了日常巡視、記錄。

1.2 存在的問(wèn)題

1.2.1 土壤熱平衡問(wèn)題

因部分沿線站區(qū)夏季氣候涼爽，不需要制冷，冬季氣候寒冷供暖需求大，土壤源熱泵只吸收土壤中的熱量，而不向土層注入熱量，使土壤溫度逐漸降低，不但會(huì)造成系統(tǒng)供熱量下降、能耗上升、供熱系數(shù)降低，常年運(yùn)行后還將導(dǎo)致土壤溫度失衡，影響周?chē)鷳B(tài)。

1.2.2 地質(zhì)條件限制

上述問(wèn)題可能可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)管理、設(shè)備升級(jí)等方式有所改善，但是地質(zhì)條件是導(dǎo)致部分地區(qū)無(wú)法使用地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵性因素。地源熱泵施工中需要打井作業(yè)，但是一些道口房等小型建筑以及在鐵道線路中的建筑，幾乎無(wú)法施工作業(yè)，或不能成井，或打井費(fèi)用過(guò)高，尤其是高寒地區(qū)，分布著面積廣、厚度大的多年凍土，在水資源形成中具有重要的調(diào)節(jié)作用，一旦凍土層遭到破壞，生態(tài)將永難恢復(fù)。

1.2.3 后期維護(hù)和檢修問(wèn)題

由于鐵路沿線固有的特點(diǎn)，很多地源熱泵項(xiàng)目都在比較偏僻的地方，交通運(yùn)輸不是很便利，地源熱泵機(jī)組的生產(chǎn)廠家不能及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢修，造成設(shè)備定期維保調(diào)試無(wú)法得到保證。

1.2.4 設(shè)計(jì)、施工及市場(chǎng)規(guī)范問(wèn)題

包括熱泵機(jī)組配置過(guò)大、循環(huán)泵配置不當(dāng)、地耦井設(shè)置不合理、缺少能源消耗計(jì)量裝置等。前期地下勘測(cè)技術(shù)薄弱，設(shè)計(jì)階段考慮不周全，使不適宜使用水源或土壤源的地區(qū)投入熱源設(shè)備后故障頻繁，制冷(暖)效果不佳，最終停止使用。

因室外冷熱源系統(tǒng)和大部分室內(nèi)末端設(shè)備為隱蔽工程，使得驗(yàn)收時(shí)對(duì)工程施工質(zhì)量的檢驗(yàn)比較困難。

目前市場(chǎng)上生產(chǎn)地源熱泵機(jī)組的廠家比較多，牌子比較雜，使得地源熱泵機(jī)組的質(zhì)量也參差不齊，對(duì)地源熱泵機(jī)組的推廣應(yīng)用造成了一定的影響。

2 太陽(yáng)能供熱技術(shù)的應(yīng)用

太陽(yáng)能供暖是以太陽(yáng)輻射為熱源，補(bǔ)償建筑物的耗熱損失，以保證室內(nèi)溫度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的一種供暖方式，既減少了對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，又對(duì)常規(guī)的能源消耗進(jìn)行了節(jié)約。太陽(yáng)能具有自身的特點(diǎn)，在建筑中應(yīng)用太陽(yáng)能采暖時(shí)通常要配備輔助加熱系統(tǒng)，例如電加熱或燃?xì)饧訜崾潜容^理想的輔助加熱系統(tǒng)，這樣在冬天時(shí)可以在白天陽(yáng)光良好的情況下采用太陽(yáng)供熱系統(tǒng)給居民供熱采暖，而在太陽(yáng)能不足時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟電加熱或燃?xì)饧訜岬墓嵯到y(tǒng)進(jìn)行加熱，以達(dá)到用戶室內(nèi)對(duì)熱舒適度的要求[3]。

2.1 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1.1 集熱快、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)輸安裝方便、使用壽命長(zhǎng)。并且可以利用保溫水箱對(duì)熱量進(jìn)行顯熱儲(chǔ)存。

2.1.2 保溫性能良好、熱損失小。可采用電力、燃?xì)?、燃油和生物質(zhì)能等作為輔助能源。

2.1.3 運(yùn)行穩(wěn)定，控制循環(huán)系統(tǒng)采用模塊時(shí)溫度控制。

2.1.4 可分戶控制溫度和使用時(shí)間、分戶計(jì)量?？刹捎玫嘏P(pán)管、暖氣或風(fēng)機(jī)盤(pán)管作為散熱終端系統(tǒng)。

2.1.5 采用地暖盤(pán)管，比暖氣和風(fēng)機(jī)盤(pán)管作為散熱終端要更加節(jié)能。

2.2 太陽(yáng)能供熱推廣過(guò)程中的不足

太陽(yáng)能供熱推廣過(guò)程中的不足表現(xiàn)很明顯，主要在如下幾點(diǎn)。

2.2.1 太陽(yáng)能的特點(diǎn)是能流密度小，需要的集熱面積大。

2.2.2 冬季讓太陽(yáng)能產(chǎn)出能夠滿足采暖溫度要求(40～50℃)的熱水極為困難，并且此時(shí)太陽(yáng)能的集熱效率極低。

2.2.3 太陽(yáng)能季節(jié)變化大，供應(yīng)不穩(wěn)定，冬季采暖屬于反季節(jié)使用。

2.2.4 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)必須與常規(guī)能源設(shè)備配套使用，且對(duì)常規(guī)供暖設(shè)備的功率配置也有一定的要求，以保證建筑可以正常供暖。

2.2.5 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中太陽(yáng)能的保障率一般不超過(guò)50%，即相對(duì)于使用常規(guī)能源供暖節(jié)能50%。

2.2.6 采用太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的建筑物，其建筑熱工與節(jié)能必須滿足所在地區(qū)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，即房屋必須是低能耗的建筑。同時(shí)，其采暖散熱系統(tǒng)末端一般選擇低溫地板輻射供暖的方式。

2.2.7 在非采暖季特別是夏季多余太陽(yáng)能的使用問(wèn)題。

青藏高原是我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，加之缺乏煤、天然氣、石油等化石燃料等資源，因此在青藏鐵路沿線應(yīng)用太陽(yáng)能供暖的站點(diǎn)較其他路局的多。拉薩火車(chē)站整體站房、不凍泉站綜合樓均采用了太陽(yáng)能+輔助熱源的方式進(jìn)行供暖；此外，佳木斯鐵路職工公寓、哈爾濱鐵路局濱江站列檢所也有太陽(yáng)能供暖的應(yīng)用。從幾個(gè)應(yīng)用點(diǎn)可以看出，太陽(yáng)能供暖必須輔以輔助熱源，以保證夜間、陰雨天氣太陽(yáng)能不足時(shí)的供暖效果。

3 風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電系統(tǒng)由風(fēng)力供熱部分和太陽(yáng)能供熱兩大部分組成，它既積聚了兩者的優(yōu)勢(shì)，又使兩者間能夠充分的進(jìn)行資源互補(bǔ)，高效保障了供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，并在最大程度上利用了再生能源。其應(yīng)用原理為：在采暖季將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行加溫，再通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)輸送至散熱系統(tǒng)，達(dá)到供暖的需求；在非供暖季節(jié)，將風(fēng)電系統(tǒng)所發(fā)的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，供生活用電負(fù)載使用；同時(shí)將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水供職工洗浴。

風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電系統(tǒng)將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能直接存儲(chǔ)在風(fēng)電鍋爐內(nèi)，當(dāng)水溫低于供暖需求時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能對(duì)風(fēng)電鍋爐的蓄熱體進(jìn)行加溫，再通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)輸送至散熱系統(tǒng)，達(dá)到供暖的需求?？刂葡到y(tǒng)是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能，在供暖季節(jié)通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，為風(fēng)電鍋爐提供電加熱能量。而在非供暖季節(jié)，儲(chǔ)存在蓄電池的電能通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)變，供給其他用電設(shè)施使用。當(dāng)風(fēng)光動(dòng)力系統(tǒng)輸出的能量小于供暖最低要求時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換到市電，確保供暖系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)功能和可靠性全部由控制器決定。

某鐵路局機(jī)務(wù)段扳道房地處偏僻，采用燃煤土暖氣供暖，安全隱患較大。同時(shí)該作業(yè)點(diǎn)面積較小，僅為12 m2左右，因采用燃煤土暖氣供暖，為防止燃?xì)庵卸?，土暖氣爐放在室外，僅有單面圍護(hù)，幾乎完全暴露在露天。燃煤的熱損失很大，另外該建筑始建于20世紀(jì)80年代初，為24墻，門(mén)窗破損，單玻璃，房屋保溫差，一個(gè)采暖季要消耗11t燃煤，而室內(nèi)溫度也只能達(dá)到16℃～18℃，不僅浪費(fèi)能源，增加支出，污染環(huán)境，值班人員還需時(shí)常看火添煤，增加職工的勞動(dòng)強(qiáng)度和不安全隱患。同時(shí)周?chē)ㄖ∩?，地處沿線空曠之處，既可保證有一定的風(fēng)速作為風(fēng)源的保障，又有足夠的空間安放太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。鑒于使用地區(qū)的風(fēng)能資源情況，其設(shè)計(jì)方案為：選擇太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)加風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，充分利用風(fēng)能和光能資源產(chǎn)生的規(guī)律合理設(shè)計(jì)，即以風(fēng)光系統(tǒng)對(duì)采暖區(qū)域進(jìn)行供暖，在非采暖季節(jié)對(duì)室內(nèi)照明設(shè)備進(jìn)行供電，在風(fēng)力不充足時(shí)自動(dòng)切換至市電，當(dāng)此系統(tǒng)停暖后，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)還可為職工洗浴提供熱水。

采用風(fēng)能、太陽(yáng)能供暖供電系統(tǒng)后，取消既有燃煤鍋爐，一個(gè)采暖季可減少11t燃煤消耗，減少燃煤費(fèi)用1.32萬(wàn)元。當(dāng)太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電不能滿足供暖需求時(shí)，轉(zhuǎn)由市電進(jìn)行供暖加溫，一個(gè)采暖季僅消耗市電1 200 kW·h，市電費(fèi)用支出1 200元；扣除市電費(fèi)用支出后，實(shí)際采暖季節(jié)可實(shí)現(xiàn)減少燃料費(fèi)用1.2萬(wàn)元。并且風(fēng)能、太陽(yáng)能為清潔可再生能源，沒(méi)有任何的溫室效應(yīng)和污染物的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)十分有利。

4 空氣源熱泵的應(yīng)用

空氣源熱泵以其較高的能效比，較低的運(yùn)行費(fèi)用，顯著的環(huán)保效益以及簡(jiǎn)便的操作方式為鐵路沿線建筑供暖提供了一種新的選擇[4]。空氣源熱泵以其供熱效果明顯、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低、安裝方便、無(wú)需考慮地形等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)江中下游、西南、華南地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋岜迷谀戏借F路沿線建筑中應(yīng)用較多，如廣鐵集團(tuán)、南昌鐵路局使用空氣源熱泵為職工宿舍、澡堂、食堂等提供生活熱水，使用效果較好。傳統(tǒng)的空氣源熱泵在環(huán)境溫度很低時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的制熱量和制熱能效比會(huì)急劇下降，從而造成壓縮機(jī)的排氣溫度不斷升高，機(jī)組長(zhǎng)期在低溫下運(yùn)行將嚴(yán)重?fù)p壞壓縮機(jī)，縮短壓縮機(jī)的使用壽命[5]，這一缺陷限制了傳統(tǒng)空氣源熱泵在冬季寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用。因而在北方地區(qū)空氣源熱泵的應(yīng)用較少，僅在蘭州鐵路局、青藏公司、北京鐵路局等少數(shù)沿線建筑中有所應(yīng)用，前者主要用于制取生活熱水，后兩者用于供暖制冷?？諝庠礋岜脤儆谛滦偷墓┡评浞绞?，在鐵路行業(yè)的應(yīng)用尚處于初期，日常管理未及時(shí)跟進(jìn)，操作人員對(duì)設(shè)備的使用維修尚未掌握，是導(dǎo)致空氣源熱泵使用效果不佳的原因之一。

目前市場(chǎng)上大多低環(huán)溫空氣源熱泵均采用渦旋壓縮機(jī)、R22制冷劑，雖然產(chǎn)品制造成本低，在環(huán)溫不太低時(shí)制熱量大，能效比較高，但在環(huán)境溫度低于-12℃的工況下無(wú)法正常高效運(yùn)行，其主要原因?yàn)楫?dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度不變的情況下，壓縮比增大，超出普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)行的臨界值，且壓縮比的增大引起排氣溫度過(guò)高，超過(guò)壓縮機(jī)正常的工作范圍，導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

針對(duì)超低環(huán)境溫度下空氣源熱泵存在的問(wèn)題，采用環(huán)境友好型制冷劑R404A的超低環(huán)溫空氣源熱泵，應(yīng)用能量梯級(jí)應(yīng)用等技術(shù)，解決了壓縮比過(guò)高而導(dǎo)致的排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)減少了壓縮機(jī)外散熱，最大程度地實(shí)現(xiàn)了能源利用，顯著提高了制熱量和制熱能效比。

超低環(huán)溫空氣源熱泵(R404A)具有以下特點(diǎn)：

①可超低環(huán)溫/低環(huán)溫供暖，兼顧夏季制冷；供暖模式適合地板輻射采暖/風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖。

②在45/40℃供回水溫度，環(huán)境溫度-35℃工況下，機(jī)組高效穩(wěn)定制熱。

③針對(duì)低溫系統(tǒng)控制特點(diǎn)，采用匹配的壓縮機(jī)能調(diào)控制、熱回收控制、化霜控制等技術(shù)，解決了壓縮比過(guò)高而導(dǎo)致的排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，環(huán)境溫度-35℃時(shí)，壓縮比達(dá)22，排氣溫度實(shí)際運(yùn)行低于110℃，實(shí)現(xiàn)低環(huán)溫下高效穩(wěn)定運(yùn)行。

④采用能量梯級(jí)應(yīng)用等技術(shù)，最大程度的實(shí)現(xiàn)了能源利用，顯著提高制熱量和制熱能效比。

⑤采用環(huán)境友好型制冷劑R404a，ODP(消耗臭氧潛能值)為0。

5 小結(jié)

我國(guó)鐵路沿線建筑采暖首先應(yīng)考慮納入熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱或采用集中供熱，而我國(guó)鐵路沿線鐵路沿線建筑具有數(shù)量眾多、位置偏僻和分散的特點(diǎn)，有些建筑與市政的集中供熱管網(wǎng)無(wú)法連接，因此面臨著小型燃煤鍋爐被淘汰和禁用，燃油鍋爐運(yùn)行成本較高，燃?xì)忮仩t受供氣條件限制的境況。

新型供熱技術(shù)如地源熱泵、太陽(yáng)能供熱技術(shù)、風(fēng)光互補(bǔ)供熱供電技術(shù)、空氣源熱泵等供暖方式已逐漸應(yīng)用于鐵路車(chē)站、工務(wù)工區(qū)等建筑中，既解決熱源供應(yīng)的難題，又具有顯著的節(jié)能環(huán)保效益，而且施工安裝便利，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，為鐵路沿線建筑冬季供暖問(wèn)題提供了新的可選方式。但選用何種技術(shù)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境慎重決定。

[1] 常冰，汪敏謙，馬月輝.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在鐵路站房應(yīng)用的探討[J].中國(guó)鐵路，2008(10)：55-56.

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2016-11-21；

2016-11-24

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題《鐵路節(jié)能技術(shù)研究—空氣源熱泵》(R404A)超低溫環(huán)境溫度下在鐵路沿線建筑供熱中的應(yīng)用研究(編號(hào)：2015Z005-C)。

晏耐生(1984—)，男，江西宜春人，助理研究員，主要從事節(jié)能環(huán)?？茖W(xué)研究工作。

2095-1671(2016)06-0291-04

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