CO2空气能热泵机组在铁路项目的应用与分析

CO2空气能热泵机组在铁路项目的应用与分析

姚立敏

姚立敏

中铁工程设计咨询集团有限公司北京100071

摘要：通过对CO2的物理属性及空气源热泵技术的理论分析，利用CO2物理、化学属性相对其他制冷剂的跨临界循环优势结合先进的空气源热泵技术，研究严寒及寒冷地区应用CO2空气源热泵可行性，为严寒及寒冷地区在当前的环保要求及节能要求下提供环保、高效、节能的冬季采暖方案。

关键词：跨临界循环，高效，环保；

1、国内外CO2空气源热泵发展现状与趋势

CO2热泵的研究开始于20世纪80年代挪威ADEFTRF能源研究所的THorentzen教授，并由挪威一家公司研发出第一台CO2热泵热水器。随后，日本及欧洲等国家也进行了大量的研究并研制出能效更高的CO2热泵热水器。我国在CO2热泵系统的研究上起步较晚。2010年，我国首次制定GB／T25127《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》，为引导空气源热泵在北方寒冷地区合理推广指明方向。

在人类环境污染和能源危机的双重压力下，如何环保与节能是我国未来供暖与空调理论研究及工程实践中必须面临的挑战。建筑能耗是能源消费构成的重要组成部分，占相当大的比重，在建筑总能耗中，采暖及空调能耗约占60％，而在北方寒冷地区，该比例则高达80％。暖通空调在我国温室气体排放中的贡献率约为15％，故建筑采暖及空调方面节能减排的潜力不容忽视。随着建筑节能及环境保护工作的日益推进，在寒冷地区试图采用新的供暖方式逐步取代传统供暖模式已成为当前暖通空调行业的一个热点研究问题。

2、CO2作为制冷剂工质的物理及化学属性

常温下，CO2是一种无色、无嗅的气体。其相对分子量为44.01，临界压力为7.37MPa，临界温度为31.1℃，临界容积为0.00214m3/kg，比热容为0.833kJ/（kg.K），三相点温度为-56.57℃，三相点压力为416kPa，在101.325kPa下，其升华温度为-78.15℃，蒸发热573.27kJ/kg。CO2是碳的最高氧化状态，具有非常稳定的化学性质，既不可燃，也不助燃。

以CO2作为循环工质不仅化学稳定性好、无毒无害、容易获得，而且极大减小了传统HCFC类工质对臭氧层的破坏（ODP=0），温室效应潜能较小（GWP=1）；有较高的单位容积制冷量；较好的传热性和流动性能；又是惰性气体，不会燃烧或爆炸，价格也相对便宜，并维护起来方便；另外，CO2在低温环境下的良好性能使得CO2热泵机组在寒冷地区比传统制冷剂机组具有更强适应性和更高的效率。

3、CO2空气源热泵系统的工作原理

CO2空气源热泵机组采用了R744/R134a两个逆卡诺循环的复叠系统，低温部分工质为R744，高温部分工质为R134a；一级循环中低温高压液态制冷剂R744经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂，进入蒸发器中，从低温空气中吸收大量的热量；蒸发吸热后的制冷剂R744以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂R744进入冷凝器，将其所含热量释放给二级循环中蒸发器；二级循环中蒸发吸热后的制冷剂R134a以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂R134a进入冷凝器，将其所含热量释放给换热器中供暖热水，供给采暖系统需要温度的热水。复叠系统，类似于把大的压比（高温/高压到低温/低压），分解为两级，低压级用CO2垫起来，高压级用R134a供热。这样机组可以在更低的温度下高效运行，解决了普通空气源热泵机组在低温工况下运行效率低的问题。

4、二氧化碳空气源热泵在严寒、寒冷地区技术运行可行性分析

热泵是一种利用高位能使能量从不能直接利用的低位热源流向可以利用的高位热源的节能装置。国际能源机构（IEA）热泵中心评估了热泵的全球环境效益，结果表明电动热泵和燃气热泵的C02排放量均小于燃油锅炉和燃气锅炉。根据热源种类划分，热泵可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵及太阳能热泵。其中，空气源热泵可以间接地从空气中汲取丰富的低品位太阳潜能，优点主要有机组结构紧凑，无需专设机房和冷却水系统，自动化程度高，运行管理方便，并且可实现冷热源一体化，节省初投资。目前，在我国长江流域、西南、华南地区，空气源热泵冷热水机组作为建筑供暖空调系统的冷热源得到了广泛地应用。这些地区冬季室外温度一般高于5℃且波动范围相对较小，室内热负荷不大，所以机组可以满足供热要求并且经济稳定地运行。

在我国北方寒冷地区冬季采暖室外计算温度基本在-5～-15℃，空气源热泵在这些地区使用时结霜问题并不特别严重，因此其应用范围逐渐北扩，并已开始作为北方部分地区供暖的可选冷热源设备。但是，我国北方地区全年气温变化范围大，在冬季低温环境下，传统空气源热泵机组将出现以下问题：（1）随室外温度降低，建筑采暖负荷增加，而热泵机组因吸气比容增大、输气量减小，制热量急剧下降而不能满足建筑物供暖需求；（2）压比增大导致压缩机排气温度升高，因排气温度超限保护停机而使热泵系统不能正常工作；（3）压比增大，热泵系统制热性能急剧下降，影响其供暖运行的节能性与经济性；（4）如按低温工况设计，则在环境温度较高时因热泵机组供热量远大于供暖负荷使热泵机组频繁启停，降低机组的制热性能。面对这种局限性，国内在工程设计中一般采用冬季室外计算干球温度铲．3℃作为使用空气源热泵的最低线，而在日本则将供暖度日数HDD>3000作为判断空气源热泵供热方案是否可行的前提条件。

针对低温环境下空气源热泵适应性差、制热量及制热性能低等问题，CO2空气源热泵机组（带辅助电加热系统），产品性能优异，COP值高可达4.5，可稳定供应90℃高温热水，环境温度在零下30℃时可制热，高效工作，完全适用于寒冷和严寒地区，产品经过十余年的成功应用，技术日渐成熟完善，应用范围很广。

5、结语

二氧化碳热泵机组，具有供暖、制冷、提供生活热水三种功能。热泵系统能够在北方地区-30℃的低温下运行，给不同环境下的单体建筑提供供暖、制冷和生活热水的方便，且机组设备结构紧凑、体积小，不需要专用机房，不需要专人值守。无论从节能、环保和能源利用效率等都是建筑采暖方式的最优择。相信随着技术的不断进步，CO2热泵将会以其特有的优势成为21世纪采暖市场上最为耀眼的明星。

参考文献

[1]陆耀庆·实用供热空调设计手册·中国建筑工业出版社

[2]顾兴蓥·民用建筑暖通空调设计技术措施（第二版）·中国建筑工业出版社

[3]杨向伟·浅析CO2空气源热泵技术