超低环温空气源热泵的研究与应用

超低环温空气源热泵的研究与应用

杨润

呼和浩特铁路局计划统计处工程师内蒙古呼和浩特市010050

摘要：近年来铁路响应国家节能减排号召，积极推广使用供热新技术。本文通过对地源热泵、太阳能集热器、空气源热泵等使用限制分析，提出适于北方寒冷地区铁路沿线建筑供暖用空气源热泵的性能要求。

关键词：沿线建筑供暖；节能环保；超低环温空气源热泵

1.地源热泵在铁路沿线建筑应用的优缺点

地源热泵空调系统能效比和自动化程度高，经济、节能效益显著，适合在铁路沿线建筑中使用。

（1）地源热泵空调系统自动化控制程度高，整个系统是在电控系统操纵下有序运行，出现故障时能够自动报警、自动停机。避免了以往燃煤、燃油锅炉需要配备若干个专业锅炉操作工人的情况，节省了大量的人工费用。

（2）地源热泵空调系统只用电，没有燃煤、燃油等易燃品的危害性，也不用考虑燃煤、燃油、煤渣等存放场地的需求，更无直接碳排放和其它有害气体及污染物的排放，环保效果显著，无安全隐患。

（3）维修量低，系统使用寿命较长。地源热泵空调系统是在低温、常压的工况下工作；而燃煤、燃油锅炉（高温、高压）产生跑、冒、滴、漏和管路结垢等故障率较高，并且需要每年中、小修一次、3～5年一次大修，10～15年报废更新。从目前铁路在用的地源热泵项目看，大多数设备运行平稳，维修量较低，使用寿命较长，节省了许多维修资金。

（4）管理较好。由于地源热泵空调系统一次性投资较高，属于新的节能技术，科技含量较高。

（5）刚刚建成的新项目的效果一般是比较好的，节能效果比较明显。随着地源热泵技术的日趋成熟，地源热泵工程的设计逐渐完善、施工趋于规范、设备质量不断提高、节能效果越来越好。

2.太阳能集热器在铁路沿线建筑应用的优缺点

使用太阳能供热技术是减少和替代采暖用煤一种有效的途径。太阳能供热系统是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖和热水的供热需求的系统，太阳能采暖系统主要由三部分构成:热能提供部分，即太阳能集热器和辅助能源；储热和换热设备；热能利用部分,提供生活热水或采暖。太阳能供热技术应考虑以下因素：

1.太阳能供热适合低层建筑，适宜与地板采暖结合。

2.太阳能供热系统与热水系统有较大差异，系统设计应考虑非采暖季节防过热措施。

3.从经济上考虑，太阳能供热适宜替代电或油等能价比高的能源或适用于非采暖季节热水需求量大的场合；替代天然气或其它能价比低的能源，投资经济性较差，投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面。

4.太阳能供热系统适宜使用平板集热器。平板集热器易与建筑结合，系统造价和维护费用低，且容易解决系统的过热难题。

3.空气源热泵在铁路沿线建筑应用的优缺点

空气源热泵具有资源丰富、高效节能、环保无污染、运行安全可靠等特点。空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，可以无偿的获取，而且空气源热泵的安装和使用也非常方便，节约了高位能而有效的利用了低位能。另外，空气源热泵输出能量与输入电能之比即COP一般在3～5之间，平均可达到3以上，而普通电热水锅炉的能效比不大于0.9，燃气、燃油锅炉一般在0.6～0.8，燃煤锅炉更低，一般只有0.3～0.7。空气源热泵是通过吸收环境中的热量来制取热水，所以与传统型的煤、油、气等燃烧加热制取热水方式相比，无任何燃烧外排物。一般空气源热泵系统的运行无传统热水器中可能存在易燃、易爆、中毒、腐蚀、短路、触电等危险，热水通过高温冷媒与水进行热交换得到。电与水在物理上分离，是一种安全可靠的热水系统。同时，空气源热泵设备性能稳定，运行安全可靠，并可实现无人操作。

4.超低环温空气源热泵研究应用

本文针对北方地区铁路沿线建筑采暖的需求，设计空气源热泵机组技术要求为：适于风冷机组风机盘管供暖要求，水侧进水温度为40℃，出水温度为45℃，在环境温度为-30℃工况下，机组制热能效比不低于2。

针对以上技术要求，主要采用Coolpack、EES等制冷模拟计算软件，分别对跨临界CO2热泵、CO2复叠式热泵以及R404A热泵三种空气源热泵系统的性能进行了计算分析对比，以寻找最适合用于北方低温寒冷气候工况下的空气源热泵系统。

4.4对比分析

通过对跨临界CO2热泵、CO2复叠热泵以及R404A热泵三种技术方案性能进行理论计算，其制热量及制热能效比随蒸发温度变化综合对比如下

（1）在进出水温度为40℃/45℃的采暖工况下，跨临界CO2热泵制热能效比要远低于另外两种方案制热能效比，这是由于跨临界CO2系统受气体冷却器进水温度影响大，随着进水温度的升高，机组性能变差，特别是在低温工况下，跨临界CO2热泵制热能效比非常低，不适宜作为冬季供暖加热用。

（2）在相同的冷凝温度下，随着蒸发温度的升高，CO2复叠式热泵与R404A热泵的制热量均随蒸发温度升高而增大，而跨临界CO2热泵的制热量随蒸发温度升高增大并不明显；

（3）在蒸发温度为-40℃工况下，CO2复叠式热泵与R404A热泵制热量、能效比相当，随着蒸发温度升高，R404A热泵制热量增大的幅度要明显高于CO2复叠式热泵；R404A热泵制热能效比增大的幅度明显高于CO2复叠式热泵,R404A热泵总体性能优于CO2复叠式热泵。

结束语

（1）跨临界CO2热泵可以把水温升到更高的温度，适应于将冷水（10℃-15℃）直接加热到80℃以上的直热式热泵。由于跨临界CO2系统受气体冷却器进水温度影响大，随着进水温度的升高，机组性能变差，特别是在低环境温度，进出水温度为40℃/45℃采暖工况下，跨临界CO2热泵制热能效比非常低，不适宜于采暖加热。

另外跨临界CO2热泵的运行压力较高，零配件选型困难，制造成本高，系统运行安全性也受到挑战。

（2）使用CO2复叠热泵系统进行采暖供热，在低温侧使用CO2制冷剂，在高温侧使用R22制冷剂，系统在低温工况下的制热能效比可以达到1.6以上，可以实现冬季供暖要求。但是，该系统也存在着一些问题和不足：①CO2侧的压力最高可达6.1MPa，压力偏高，给系统的零配件采购带来困难，使产品加工工艺复杂，机组成本较高；②当机组长时间停机，系统压力会随环境温度升高而迅速升高，从而导致安全性存在隐患。系统需要进一步配备维持机组或膨胀罐以防止压力增高，使系统变得更加复杂，同时成本也随之增加。这些使CO2复叠热泵用于采暖供热受到限制。

（3）R404A热泵总体性能优于CO2复叠式热泵和跨临界CO2热泵，系统压力适中，零配件选择、采购和加工都比较容易，较适用于冬季采暖加热。

参考文献：

[1]殷勇,杨志强,戈梦.地源热泵——可再生能源利用的核心技术[J].住宅产业,2010,09:69-71.

[2]王景刚,马一太,张子平,王侃宏,候立泉.地源热泵的运行特性模拟研究[J].工程热物理学报,2003,03:361-366.

[3]柴立龙,马承伟,张义,王明磊,马永良,籍秀红.北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析[J].农业工程学报,2010,03:249-254.