空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)供暖的應(yīng)用

摘要：寒冷地區(qū)某自來水廠項(xiàng)目，供暖分為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域獨(dú)立供暖。1～3區(qū)供暖設(shè)備采用 CO2復(fù)疊空氣源熱泵，4區(qū)采用傳統(tǒng)空氣源熱泵。文章從方案選擇、運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析得出結(jié)論：經(jīng)過2個(gè)供暖期的實(shí)際運(yùn)行表明， CO2復(fù)疊空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，供水溫度65℃ ， 適合在寒冷地區(qū)，末端采用散熱器的供暖系統(tǒng)；傳統(tǒng)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，供水溫度45℃ ， 適合在寒冷地區(qū)，末端采用地板輻射的供暖系統(tǒng)。以上兩種空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，運(yùn)行效果可靠穩(wěn)定，既減少了冬季供暖的運(yùn)行費(fèi)用，又能夠減少碳排放。

關(guān)鍵詞：“雙碳”；清潔能源；工業(yè)建筑；CO2復(fù)疊式空氣源熱泵供暖

中圖分類號(hào)：TU832文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

中國(guó)北方城鎮(zhèn)供暖熱源主要來自熱電聯(lián)產(chǎn)和各類燃煤、燃?xì)忮仩t生產(chǎn)的熱力，供暖消耗的一次能源依然以不可再生能源為主。雖然目前實(shí)現(xiàn)了燃煤的清潔高效利用，但不可避免會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，“雙碳”形勢(shì)依然嚴(yán)峻，尋求城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)節(jié)能減排十分迫切，供暖亟須低碳轉(zhuǎn)型?？諝庠礋岜檬抢每諝庾鳛榈臀粺嵩?，環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組的制熱性能起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，壓比增大，空氣源熱泵的制熱量和能效比隨之降低[1]；當(dāng)空氣源熱泵壓比增大后其壓縮機(jī)回油不暢導(dǎo)致壓縮機(jī)缺油運(yùn)行，使得壓縮機(jī)壽命銳減。同時(shí)室外換熱器結(jié)霜時(shí)，進(jìn)一步降低換熱系數(shù)，增大阻力降低空氣流速。空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下的運(yùn)行性能一直是其在寒冷地區(qū)應(yīng)用的制約因素。而CO2復(fù)疊熱泵系統(tǒng)憑借其優(yōu)異的冷媒特性和穩(wěn)定可靠的運(yùn)行以及節(jié)能高效的特點(diǎn)，為這些建筑的綠色節(jié)能供暖找到了一種合適的方案。

1項(xiàng)目概況

寒冷地區(qū)某自來水廠最高日供水規(guī)模為70萬m3/d，將滿足市區(qū)180萬居民的飲水需求，冬季水廠供暖與安全生產(chǎn)息息相關(guān)。水廠建筑面積55175.63 m2，全廠供暖共分為4個(gè)區(qū)。

其中1區(qū)（水處理設(shè)施間、配水井及預(yù)臭氧接觸池）供暖熱負(fù)荷為1809 kW，熱源由廠區(qū)新建熱泵機(jī)房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網(wǎng)，最不利管長(zhǎng)423 m，管徑DN50～ DN200；

2區(qū)（送水泵房及變配電室、機(jī)修間及倉(cāng)庫(kù)）供暖熱負(fù)荷為140 kW，熱源由廠區(qū)新建熱泵機(jī)房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網(wǎng)，最不利管長(zhǎng)163 m，管徑DN32～ DN70；

3區(qū)（泥水處理間及變配電室、污泥濃縮池及投配泵房、加氯加藥間、臭氧發(fā)生間、調(diào)流閥間）供暖熱負(fù)荷為649 kW，熱源由廠區(qū)新建熱泵機(jī)房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網(wǎng)，最不利管長(zhǎng)645 m，管徑DN32～ DN150；

4區(qū)（綜合辦公樓、宿舍樓及食堂、門衛(wèi)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)樓）供暖熱負(fù)荷為426 kW，熱源由廠區(qū)新建熱泵機(jī)房提供的45/35℃熱水，末端采用地?zé)岜P管的輻射供暖，設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網(wǎng)，最不利管645 m，管徑DN25～ DN150。

2設(shè)計(jì)方案

針對(duì)自來水廠地理位置偏僻、點(diǎn)多面廣、遠(yuǎn)離城市熱力管網(wǎng)及燃?xì)夤芫W(wǎng)的特點(diǎn)，目前可利用的清潔供暖形式主要有：電鍋爐、水地源熱泵、空氣源熱泵等。

2.1電鍋爐系統(tǒng)

電鍋爐是一種利用電能作為能源的設(shè)備，通過加熱熱水或有機(jī)熱載體來實(shí)現(xiàn)向外輸出熱能。這種設(shè)備一般由加熱器、水循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。相比于傳統(tǒng)的鍋爐，電鍋爐的優(yōu)點(diǎn)在于操作方便、智能控制、節(jié)能環(huán)保、安全可靠，但受發(fā)電效率的影響，電鍋爐的一次能源利用率過低，耗電量大。另外，電鍋爐直接用電能轉(zhuǎn)換為熱能屬于高能低用，不符合我國(guó)合理利用能源、提高能源利用率、節(jié)約能源的基本國(guó)策?？紤]到國(guó)內(nèi)各地區(qū)的具體情況，只有在某些特殊情況時(shí)方可采用。

2.2水地源熱泵系統(tǒng)

水地源熱泵系統(tǒng)屬于國(guó)家大力提倡的可再生能源的應(yīng)用范圍，有條件時(shí)應(yīng)積極推廣。但是，對(duì)于缺水、干旱地區(qū)，采用地表水或地下水存在一定的困難，因此中、小型建筑宜采用空氣源或土壤源熱泵系統(tǒng)為主[2]；受制于地下水資源、地?zé)豳Y源的限制，水地源熱泵系統(tǒng)適用范圍受限。

2.3傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，得到廣泛應(yīng)用；但同時(shí)受環(huán)境溫度影響較大，出水溫度不高，在中國(guó)“三北”地區(qū)的使用受到限制。如何提高空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下的可靠性以及能效，是空氣源熱泵能否在中國(guó)“三北”地區(qū)成功應(yīng)用的先決條件。

隨著室外氣溫的下降，建筑物的熱負(fù)荷增加，而對(duì)于空氣源熱泵，室外環(huán)境溫度為逆卡諾循環(huán)的蒸發(fā)器側(cè)，當(dāng)冷凝溫度不變時(shí)（如供50℃熱水不變）隨蒸發(fā)溫度的下降，引起吸氣比容變大，容積效率變小，單位質(zhì)量制熱量減小，空氣源熱泵總制熱量減少[3]?；谏鲜鲈?，空氣源熱泵在寒冷地區(qū)室外溫度較低時(shí)，機(jī)組的供熱量會(huì)急劇下降，難以滿足供暖的需求。傳統(tǒng)空氣源熱泵出水溫度上限一般為60℃ ， 冬季低溫工況上限一般為50℃ ， 出水溫度較低，由散熱器傳熱特性值可知，在0%～100%流量時(shí)，流量數(shù)值相同時(shí)，溫差越大，換熱量與溫差越趨于線性，當(dāng)采用小溫差時(shí)，流量減少，對(duì)散熱量影響越大。對(duì)于末端為散熱器的項(xiàng)目不適用，且不能夠滿足系統(tǒng)“大溫差，小流量”的設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)空氣源熱泵寒冷地區(qū)還存在以下幾個(gè)問題：

（1）空氣源熱泵在保證一定溫度熱水時(shí)，由于寒冷地區(qū)室外溫度低，即蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度不變，會(huì)引起壓縮機(jī)壓縮比變大。壓縮機(jī)壓縮比過大，導(dǎo)致壓縮機(jī)效率下降，使目前傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組壓縮機(jī)損壞的幾率大增。

（2）傳統(tǒng)空氣源熱機(jī)組在寒冷地區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于室外氣溫低，蒸發(fā)溫度下降，壓縮機(jī)排氣溫度過高。當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組供水溫度為50℃ ， 室外氣溫降至-5℃時(shí)，其排氣溫度已接近120℃ ， 且供水溫度愈高，壓縮機(jī)的排氣溫度愈高。測(cè)試中，供水溫度每提高5℃ ， 壓縮機(jī)的排氣溫度相應(yīng)地提高約10℃。

排氣溫度過高，壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過熱會(huì)導(dǎo)致半封閉或全封閉壓縮機(jī)中電機(jī)絕緣部分加速老化和可靠性降低，縮短壓縮機(jī)壽命；排氣溫度過高，會(huì)使?jié)櫥妥兿?，降低?rùn)滑油潤(rùn)滑能力，使軸承、氣缸和活塞環(huán)產(chǎn)生異常的磨損，甚至?xí)馃龎妮S瓦或氣缸拉毛；排氣溫度過高，使制冷劑和潤(rùn)滑油在與金屬物質(zhì)接觸下分解，生成積碳和酸類物質(zhì)；排氣溫度過高，使壓縮機(jī)容積效率降低和耗功增加。因此熱泵用壓縮機(jī)必須在內(nèi)置電機(jī)繞組內(nèi)設(shè)置內(nèi)置式溫度傳感器或繼電器，或?qū)⒁欢康囊后w制冷劑噴入壓縮機(jī)，以冷卻內(nèi)置電動(dòng)機(jī)。

（3）傳統(tǒng)空氣源熱機(jī)組室外側(cè)換熱器由于空氣中含有水分，當(dāng)其表面溫度低于0℃且低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)翅片管表面上會(huì)結(jié)霜，結(jié)霜后傳熱能力會(huì)下降，使制熱量減小。因此，必須定期除霜。

傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組在寒冷地區(qū)應(yīng)用，由于室外氣溫過低，潤(rùn)滑油黏度增加，也會(huì)出現(xiàn)回油困難問題。尤其是機(jī)組長(zhǎng)期在低溫環(huán)境下停機(jī)，可能出現(xiàn)制冷劑與潤(rùn)滑油分層現(xiàn)象，再啟動(dòng)時(shí)，活塞銷、軸承等部件出現(xiàn)短時(shí)間缺油，這可能會(huì)產(chǎn)生燒壞與卡死，也可能會(huì)引起油壓安全保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作。

空氣源熱泵機(jī)組在供水溫度不變時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的降低，將引起單位制熱量減少，而單位耗功量增加，在同一質(zhì)量流量條件下，勢(shì)必會(huì)使機(jī)組的制熱能效比COP下降。當(dāng)供水溫度為50℃ ， 室外氣溫降至0℃以下時(shí)，傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組的制熱能效比COP 已經(jīng)降到很低。如供水溫度50℃ ， 室外氣溫為-5℃時(shí)，COP 已降低至1.5[4]，不能滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)節(jié)能的要求。

針對(duì)上述背景與問題，本項(xiàng)目4區(qū)熱源采用傳統(tǒng)的空氣源熱泵，末端采用地板輻射供暖方式，熱源溫度為45/35℃熱水，實(shí)際運(yùn)行，年平均 COP 為2.3，能夠滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189—2005要求。

2.4 CO2復(fù)疊空氣源熱泵方案

2.4.1 CO2復(fù)疊空氣源熱泵原理

隨著 CFC（氯氟烴）及 HCFC（氫氯氟烴）的淘汰，采用 CO2作為冷媒的熱泵系統(tǒng)成為比較理想的替代制冷劑使用方案，可以顯著減少碳排放，被認(rèn)為是制冷空調(diào)行業(yè)發(fā)展中具有意義的眾多領(lǐng)域之一。

目前被認(rèn)為環(huán)保的冷媒 R410 a 等含氟冷媒及 R600 a等冷媒，同樣存在不環(huán)保及易燃易爆問題，只是短期替代冷媒。天然工質(zhì) CO2作為制冷劑，國(guó)際代號(hào) R744，其全球變暖潛值 GWP 為1，消耗臭氧層潛值 ODP 為0。利用原本要排入大氣中的 CO2，可以認(rèn)為對(duì)全球變暖無影響。CO2化學(xué)穩(wěn)定性好，不傳播火焰，安全無毒，汽化潛熱大，流動(dòng)阻力小，傳熱性能好，易獲取并且價(jià)格低廉，堪稱為理想的天然制冷劑[5]。

CO2作為制冷劑其主要問題是臨界溫度低致使能效低。又因?yàn)榕R界壓力高，制冷系統(tǒng)壓力高，因此在制冷空調(diào)中應(yīng)用，系統(tǒng)必須具備高承壓能力、高可靠性等特點(diǎn)，相應(yīng)也導(dǎo)致系統(tǒng)的造價(jià)較高。

因其臨界點(diǎn)低，用在制冷空調(diào)上常為跨臨界過程的單級(jí)壓縮機(jī)制冷及熱泵系統(tǒng)。換熱器可采用小孔扁管式平流換熱器的高效換熱器，壓縮機(jī)采用往復(fù)式或斜盤式，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行減小缸徑，增大行程，增加密封環(huán)數(shù)量等措施，能滿足CO2制冷及熱泵系統(tǒng)要求。

CO2在高壓側(cè)具有較大的溫度變化，CO2的放熱過程適宜于熱泵的制熱運(yùn)行和熱泵熱水機(jī)的運(yùn)行。有關(guān)研究表明，用作熱泵熱水機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果比采用電能或天然氣燃燒加熱水，可節(jié)能75%，水溫可從8℃升高到60℃ ， 甚至可達(dá)70℃以上。

CO2制冷劑0℃時(shí)的容積制冷量為22600 kJ/m3，是常規(guī)R22、R410 a制冷劑的5～6倍，冬季吸熱能力強(qiáng)。CO2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為-78.4℃ ， 低于大部分 HCFC制冷劑；且在超低環(huán)境溫度下仍然有較高的蒸發(fā)壓力，與大氣之間的差值較大，能夠在-40℃環(huán)境工況下有效蒸發(fā)吸熱，換熱效果好，能效高；同時(shí)臨界溫度不高，可以采用跨臨界循環(huán)，用作熱泵時(shí)，出水溫度會(huì)高于其他冷媒的系統(tǒng)，見表1。

CO2復(fù)疊空氣源熱泵外機(jī)側(cè)主要利用 CO2制冷劑在低溫下蒸發(fā)壓力高的物理性質(zhì)，其標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)可達(dá)-78.4℃ ， 蒸發(fā)溫度-40℃時(shí)，蒸發(fā)壓力可高達(dá)1.005 MPa，該種制冷劑能夠在極低的環(huán)境溫度下有效蒸發(fā)，有效吸熱，能夠保證制熱量的充足。另外，CO2復(fù)疊空氣源熱泵內(nèi)機(jī)側(cè)采用環(huán)保制冷劑R134 a，可在低溫工況產(chǎn)出70℃以上的高溫?zé)崴?。本系統(tǒng)從工質(zhì)出發(fā)，真正提高低環(huán)境溫度下的運(yùn)行效率；用雙級(jí)壓縮階梯供暖的形式解決低環(huán)境溫度下的可行性與可靠性問題，確?？諝庠丛诠嶂心軌驌P(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮其應(yīng)有的節(jié)能特性。

系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組室外機(jī)、熱泵機(jī)組室內(nèi)機(jī)、蓄熱水箱、系統(tǒng)循環(huán)泵、供熱循環(huán)泵、補(bǔ)水定壓裝置、軟水器等組成，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.4.2 CO2復(fù)疊空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)

CO2復(fù)疊空氣源熱泵二級(jí)壓縮的蒸發(fā)器側(cè)水溫為30℃ ， 為壓縮機(jī)最穩(wěn)定工況，與冷凝器側(cè)100～120℃熱水換熱，從而達(dá)到60～80℃供水溫度，排氣溫度、排氣壓力、壓縮比都處在最優(yōu)工作狀態(tài)；CO2復(fù)疊空氣源熱泵壓差遠(yuǎn)小于常規(guī)熱泵，壓縮機(jī)功耗低，COP值高，能夠可靠運(yùn)行。

系統(tǒng)在低溫工況下能夠更加穩(wěn)定地提取空氣中低品位的能量，進(jìn)行一級(jí)升溫，獲取的熱量通過蓄熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)能；再通過內(nèi)機(jī)對(duì)外機(jī)產(chǎn)出的低品位熱水進(jìn)行二級(jí)升溫，從而達(dá)到供熱所需的熱媒溫度。采用準(zhǔn)二級(jí)復(fù)疊梯級(jí)泵熱的新型制熱模式，使得冬季低溫工況下壓縮比低，能效高，運(yùn)行成本低，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)[6]。

系統(tǒng)采用分段式室內(nèi)外機(jī)設(shè)計(jì)，化霜時(shí)亦不影響系統(tǒng)制熱。該系統(tǒng)內(nèi)、外機(jī)可互為備用，當(dāng)內(nèi)機(jī)出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)可直接切換至外機(jī)進(jìn)行供熱，不影響供暖的連續(xù)性，可靠性得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，系統(tǒng)更加適合室外溫差變化較大的工況，可產(chǎn)出高溫?zé)崴浅＿m合在寒冷地區(qū)作為區(qū)域供熱的熱源形式。既能夠在冬季供熱時(shí)提供穩(wěn)定、可靠的效果，不受地質(zhì)條件、地下水資源的限制；沒有冷凝聚的顧慮，每年都能夠源源不斷地從空氣中取熱；又能夠避免直接用電取暖導(dǎo)致的能耗過高問題和采用燃油、燃煤鍋爐帶來的高能耗、高污染的問題，是一種理想熱源形式。

3項(xiàng)目運(yùn)行情況

3.1項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)

該工程供暖系統(tǒng)于2019年11月開始安裝，2020年1月投入使用，24 h運(yùn)行，每個(gè)供暖季運(yùn)行5個(gè)月。文章選取熱負(fù)荷最大的1區(qū)，CO2復(fù)疊空氣源熱泵供回水以及室外溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示，室外平均溫度為2.8℃、-19.2℃ ， 系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)供回水溫度及室內(nèi)溫度的要求，至今運(yùn)行效果良好。

3.2項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及運(yùn)行指標(biāo)比較

本項(xiàng)目供暖共分為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域獨(dú)立供暖。1～3區(qū)供暖設(shè)備采用 CO2復(fù)疊空氣源熱泵，該設(shè)備具有出水溫度高、低環(huán)溫運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。項(xiàng)目于2019年冬季供暖期投入運(yùn)行以來，經(jīng)過2個(gè)供暖期的實(shí)際運(yùn)行，經(jīng)受住了冬季極端環(huán)境溫度-20℃的考驗(yàn)。各區(qū)供暖運(yùn)行指標(biāo)見表2。

4結(jié)論

經(jīng)過2個(gè)供暖期的實(shí)際運(yùn)行表明，CO2復(fù)疊空氣源熱泵供暖技術(shù)，既減少了冬季供暖的運(yùn)行費(fèi)用，又能夠減少碳排放，運(yùn)行效果可靠穩(wěn)定，供水溫度65℃ ， 車間室溫在12℃以上，滿足設(shè)計(jì)要求，適合在寒冷地區(qū)，末端采用散熱器的供暖系統(tǒng)；傳統(tǒng)的空氣源熱泵，供水溫度45℃ ， 適合在寒冷地區(qū)，末端采用地板輻射供暖系統(tǒng)。

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Application of Air Source Heat Pump System for Heating in Cold Regions

WEI Suopeng，WANG Guobin，LU Purong

（CSCECAECOMConsulantsCo.，Ltd.，LanzhouGansu 730000，China）

Abstract： A waterworks project in cold area，heating is divided into four areas， and each area is heated indepen? dently. The cascade air source heat pump withCO2 is used for heating equipment in zones 1 to 3，and traditional air source heat pump is used in zone 4.Based on the analysis of scheme selection and operation data，this paper draws a conclusion： The actual operation of two heating periods shows that the cascade air source heat pump with CO2 heat? ing system， with a water supply temperature of 65℃， is suitable for the heating system with radiators at the end in cold areas.The traditional air source heat pump heating system has a water supply temperature of 45℃，which is suit? able for the heating system with flooradiation at the end in cold areas.The above two kinds of air source heat pump heating systems have reliable and stable operation effects，while not only reduce the operating costs of heating in win ? ter ， but also reduce carbon emissions.

Keywords：\"Double carbon\"; clean energy; industrial buildings; CO2cascade air source heat pump