馬 強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，面臨的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越無(wú)法回避。近年來(lái)，霧霾問(wèn)題更是十分突出，國(guó)務(wù)院于2013年9月10日下發(fā)了大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，其中明確要求:到2017年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰10蒸t/h及以下的燃煤鍋爐，禁止新建20蒸t/h以下的燃煤鍋爐，其他地區(qū)原則上不再新建10蒸t/h以下的燃煤鍋爐;在供熱供氣管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)，改用電、新能源等。各地也已紛紛出臺(tái)各項(xiàng)控制措施。由于鐵路車站通常距離城市較遠(yuǎn)，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，而高原高寒地區(qū)也往往不具備供天然氣的條件，熱泵技術(shù)特別是空氣源熱泵在這些地區(qū)的使用也勢(shì)在必行。

1 熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)作為一種可再生能源的利用模式，節(jié)能環(huán)保，這些年來(lái)已受到廣泛的重視和應(yīng)用。根據(jù)熱量的來(lái)源，熱泵可分為土壤源熱泵、水源(地下水、地表水、湖水、海水、污水等)熱泵、空氣源熱泵。各種熱泵系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，土壤源熱泵熱源穩(wěn)定，但需要很大埋管面積;水源熱泵受自然條件限制，需在水資源豐富的地區(qū)，現(xiàn)在全國(guó)很多地區(qū)嚴(yán)重缺水，地下水位越來(lái)越低，各地政府已嚴(yán)格控制打井采取地下水，地表水的使用控制更為嚴(yán)格;而空氣源熱泵是直接從空氣中提取熱量，空氣中的熱量主要來(lái)自太陽(yáng)，因此它實(shí)際上是間接和深層次地利用了太陽(yáng)能。設(shè)置靈活，但不太穩(wěn)定，受室外溫度影響較大。

2 空氣源熱泵工作原理

空氣源熱泵在我國(guó)長(zhǎng)江流域及西南、華南地區(qū)已有廣泛應(yīng)用，這些地區(qū)冬季室外溫度一般不低于－5℃，室內(nèi)所需熱量不大，夏季溫度較高，有制冷要求，當(dāng)采用空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性可以得到較好的保證，無(wú)需輔助熱源，能夠以較低的初投資、較低的能耗較好地滿足該地區(qū)的采暖、空調(diào)要求，高效節(jié)能不污染環(huán)境，可一機(jī)兩用［1-2］。而對(duì)于黃河流域、華北地區(qū)這些傳統(tǒng)的采暖地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)一直依靠燃煤、燃油采暖。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的采暖方式不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求［3］。傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組當(dāng)環(huán)境溫度低于－10℃，制熱量和能效比通常都大幅衰減，并出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn):①制熱量隨著環(huán)境溫度的下降逐步衰減，只能采用電加熱器補(bǔ)熱的方式，但工作效率降低很大，導(dǎo)致在寒冷惡劣低溫工況下系統(tǒng)的制熱量不能滿足要求;②在低溫環(huán)境下，吸氣壓力低、制冷劑循環(huán)量小、壓縮比大、排氣溫度高等問(wèn)題，會(huì)使機(jī)組的可靠性降低。

傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組已無(wú)法在 －20℃～－30℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定有效地制熱?，F(xiàn)在市場(chǎng)上比較成熟的低溫型空氣源熱泵機(jī)組分別采用以下幾種技術(shù)。

1)噴氣增焓技術(shù)。壓縮機(jī)除了常規(guī)的吸氣口和排氣口外，還帶有第2個(gè)吸氣口，即蒸汽噴射口，中壓的制冷劑蒸汽通過(guò)蒸汽噴射口和位于定渦旋盤的噴射孔噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，結(jié)合帶經(jīng)濟(jì)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到增加系統(tǒng)制熱量以及降低渦旋溫度的目的，循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1。高溫噴汽增焓系統(tǒng)是由噴汽增焓壓縮機(jī)、噴氣增焓技術(shù)、高效過(guò)冷器組成的新型系統(tǒng)，高效過(guò)冷器一方面對(duì)主循環(huán)回路冷媒進(jìn)行節(jié)流前過(guò)冷，增大焓差;另一方面，對(duì)輔助回路(這路冷媒將由壓縮機(jī)中部導(dǎo)入直接參與壓縮)中經(jīng)過(guò)電子膨脹閥降壓后的低溫低壓冷媒進(jìn)行適當(dāng)?shù)仡A(yù)熱，以達(dá)到合適的中壓，提供給壓縮機(jī)進(jìn)行二次壓縮。

圖1 采用噴焓技術(shù)的冷媒循環(huán)

2)增設(shè)回?zé)崞鳌岜孟到y(tǒng)由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、回?zé)崞?、?jié)流閥、蒸發(fā)器、貯液器組成封閉回路。低溫低壓的CO2氣體在壓縮機(jī)中壓縮至超臨界，然后進(jìn)入氣體冷卻器中被冷卻介質(zhì)(空氣)冷卻，離開(kāi)氣體冷卻器后，高壓CO2氣體在回?zé)崞髦羞M(jìn)一步冷卻，然后CO2氣體節(jié)流降壓溫度下降，部分被液化，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器中汽化，貯液器中出來(lái)的低壓CO2飽和蒸汽進(jìn)入回?zé)崞?，在低壓?cè)通道吸收高壓側(cè)中超臨界流體，吸收熱量后成為過(guò)熱蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)升壓提溫，反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 采用回?zé)崞鞯臒岜醚h(huán)

3)帶噴液旁路的渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)。80年代初日本學(xué)者提出帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機(jī)注氣系統(tǒng)，指出采取這一措施后在低溫工況下可提高制熱性能15%左右。后另有日本學(xué)者提出采用帶噴液旁路的渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)來(lái)解決低溫工況制熱時(shí)的排氣溫度過(guò)高問(wèn)題，并開(kāi)發(fā)出樣機(jī)，通過(guò)對(duì)輔助回路的投?？梢詫?shí)現(xiàn)既能在常溫工況下高效正常工作，又能夠在低溫工況下安全可靠工作。日本某公司的熱泵空調(diào)機(jī)組，就是采用帶噴液旁路的方法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試表明其可以在－15℃以上的條件下正常工作［4］。

3 工程實(shí)例

1)新建鐵路拉日線日喀則車站

新建鐵路拉日線為拉薩到日喀則的高原高寒鐵路。日喀則地區(qū)海拔高度3 936 m，冬季大氣壓力63.61 kPa，年平均溫度6.5℃，采暖室外計(jì)算溫度－7.3℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度－9.1℃，極端最低氣溫－21.3℃，屬于氣候分區(qū)中的寒冷地區(qū)，冬季需設(shè)采暖。當(dāng)?shù)丨h(huán)評(píng)要求不準(zhǔn)新建燃煤鍋爐，此處又無(wú)天然氣源，綜合比較燃油鍋爐、熱泵采暖及電采暖3種方案，最后確定采用低溫空氣源熱泵機(jī)組。

以日喀則車站單身宿舍為例，建筑面積2 420 m2，共3層。建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為203 kW。參考某采用噴焓技術(shù)的日本設(shè)備廠家甲樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備選型，見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，由于采用了噴焓技術(shù)，在室外濕球溫度降低到4℃時(shí)，室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為20℃時(shí)設(shè)備制熱能力率曲線不降反增至約1.13，之后隨室外濕球溫度的下降而下降，直到室外濕球溫度降低到－15℃時(shí)，設(shè)備制熱能力率仍能保持在1.0以上。應(yīng)該注意，在室外濕球溫度降低至4℃后，設(shè)備輸入功率出現(xiàn)大幅增加，如室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為20℃時(shí)設(shè)備制熱輸入率曲線將由1.05上升至1.6，按此數(shù)值核算各型號(hào)設(shè)備能效比約為2.10～2.25，效率仍遠(yuǎn)高于電采暖。選擇設(shè)備后應(yīng)配備足夠電功率，以使設(shè)備能力完全發(fā)揮。

圖3 不同室內(nèi)干球溫度(DB)下設(shè)備制熱能力率和輸入率的變化曲線

由于所處地區(qū)為高海拔地區(qū)，而設(shè)備樣本上給出的性能曲線，均是指設(shè)備中風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(大氣壓力101.3 kPa、溫度20℃、相對(duì)濕度50%、空氣密度1.20 kg/m3)的參數(shù)。在使用條件改變的條件下，其性能應(yīng)按下列各式進(jìn)行換算，按換算后的性能參數(shù)進(jìn)行選擇，同時(shí)還應(yīng)核對(duì)風(fēng)機(jī)配用電動(dòng)機(jī)軸功率是否滿足使用條件下的要求。修正時(shí)風(fēng)量不變，風(fēng)壓隨使用工況的空氣密度與標(biāo)定工況空氣密度不同而變化，即

式中:P為使用工況的風(fēng)壓，Pa;pN為標(biāo)定工況的風(fēng)壓，Pa;ρ為使用工況的空氣密度，kg/m3。

在實(shí)際大氣壓力下不同空氣溫度時(shí)的空氣密度為［5］

式中:t為實(shí)際的空氣溫度，℃;B為實(shí)際的大氣壓力，kPa。

項(xiàng)目所在地日喀則冬季大氣壓力為63.61 kPa，實(shí)際空氣溫度按年平均溫度6.5℃，得到實(shí)際空氣密度為0.793 kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度的0.613倍。此處應(yīng)注意，空調(diào)系統(tǒng)及以排除余熱、余濕等為目的通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行海拔修正。因?yàn)樵诖诉^(guò)程中體積風(fēng)量雖未變化，但高海拔條件下空氣密度變小，相同體積風(fēng)量的空氣其質(zhì)量減少，在換熱過(guò)程中，實(shí)際換熱量將減少。為滿足實(shí)際工況要求，應(yīng)按空氣的質(zhì)量流量及密度修正反算需放大的體積，然后進(jìn)行設(shè)備選型。對(duì)于低溫空氣源變頻多聯(lián)機(jī)組，室內(nèi)機(jī)選型時(shí)只進(jìn)行海拔修正即可，室外機(jī)選型時(shí)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行海拔修正及室外溫度條件下的制熱量衰減修正。

此工程由于兼有制冷要求，故選擇可同時(shí)制熱制冷的低溫空氣源變頻多聯(lián)機(jī)組，冷媒為R410A;設(shè)計(jì)中空調(diào)室外機(jī)選擇額定制熱量為63 kW的低溫?zé)岜脵C(jī)組6臺(tái)，額定制熱量為8 kW的空調(diào)室內(nèi)機(jī)40臺(tái)及額定制熱量為10 kW的空調(diào)室內(nèi)機(jī)2臺(tái)。

2)新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線清泉南站

只需冬季供熱的項(xiàng)目，可選擇能效比更高的CO2低溫空氣源熱泵機(jī)組。以新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線清泉南站綜合樓為例，清泉地處甘肅省的嘉峪關(guān)市與玉門市之間，海拔高度1 743 m，冬季大氣壓力84.71 kPa，采暖室外計(jì)算溫度－17℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度－21℃，極端最低氣溫－35.6℃，屬于氣候分區(qū)中的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季需設(shè)采暖。由于清泉南站位于環(huán)境保護(hù)區(qū)附近，環(huán)評(píng)要求采用清潔能源供暖，綜合考慮后決定采用低溫CO2空氣源熱泵機(jī)組供暖。綜合樓建筑面積1 230 m2，共3層，建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為118 kW，末端采用地板輻射采暖，熱媒為55/45℃熱水。參考某采用回?zé)崞鳠岜醚h(huán)的國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家乙樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備選型，見(jiàn)表1。

表1 CO2空氣源熱泵制熱量修正系數(shù)

同樣，機(jī)組選型時(shí)進(jìn)行海拔修正及室外溫度條件下的制熱量衰減修正，計(jì)算得海拔修正系數(shù)為0.81，制熱量衰減修正系數(shù)由表1中機(jī)組出水溫度55℃及室外溫度－21℃按插值法計(jì)算為0.817，總修正系數(shù)為0.66;選擇3臺(tái)額定制熱量為75 kW的CO2低溫?zé)岜脵C(jī)組，使其滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736—2012)中規(guī)定:當(dāng)1臺(tái)機(jī)組停止工作時(shí)，其余機(jī)組可滿足不小于總供熱量70%的要求。熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)2臺(tái)循環(huán)泵，一用一備。系統(tǒng)補(bǔ)水定壓采用囊式落地膨脹水箱，補(bǔ)水泵(一用一備)由壓力控制器自動(dòng)控制，循環(huán)泵回水管設(shè)泄壓安全閥。系統(tǒng)采用全自動(dòng)軟水器。軟化水箱設(shè)液位控制器自動(dòng)控制軟水器。

4 經(jīng)濟(jì)性比較

以日喀則單身宿舍項(xiàng)目為例對(duì)低溫空氣源熱泵系統(tǒng)與燃油鍋爐及電采暖系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，見(jiàn)表2。

表2 各方案初投資和全年運(yùn)行費(fèi)用比較 萬(wàn)元

由表2可見(jiàn)，3種方案中空氣源熱泵系統(tǒng)無(wú)論初投資上還是運(yùn)行費(fèi)用均最低，經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際工程計(jì)算說(shuō)明，無(wú)論是技術(shù)性還是經(jīng)濟(jì)性，低溫空氣源熱泵在高原高寒地區(qū)鐵路車站都具有良好的適用性。高效、節(jié)能、環(huán)保的低溫空氣源熱泵值得推廣。在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行制熱量衰減修正及海拔修正，并選擇技術(shù)成熟可靠的設(shè)備廠家。在我國(guó)大力控制污染物排放、推廣新能源的今天，隨著技術(shù)的不斷革新，相信會(huì)有更多的地區(qū)和項(xiàng)目用熱泵來(lái)取代鍋爐。

［1］范存養(yǎng).空氣源熱泵的應(yīng)用與展望［J］.暖通空調(diào)，1994，24(6):20-24.

［2］龍惟定，王長(zhǎng)慶，丁文婷.試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向［J］.暖通空調(diào)，2000，30(5):27-32.

［3］江億.華北地區(qū)大中型城市供暖方式分析［J］.暖通空調(diào)，2000，30(4):30-32.

［4］柴沁虎.馬國(guó)遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.能源工程，2002(5):25-31.

［5］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.