低溫空氣源熱泵在高原高寒地區鐵路車站的應用研究

馬 強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

隨著我國經濟的快速發展，面臨的環境問題也越來越無法回避。近年來，霧霾問題更是十分突出，國務院于2013年9月10日下發了大氣污染防治行動計劃，其中明確要求:到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰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;在供熱供氣管網不能覆蓋的地區，改用電、新能源等。各地也已紛紛出臺各項控制措施。由于鐵路車站通常距離城市較遠，具有數量眾多、位置偏僻和分散的特點，通常與市政的集中供熱管網無法連接，而高原高寒地區也往往不具備供天然氣的條件，熱泵技術特別是空氣源熱泵在這些地區的使用也勢在必行。

1 熱泵系統

熱泵系統作為一種可再生能源的利用模式，節能環保，這些年來已受到廣泛的重視和應用。根據熱量的來源，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。各種熱泵系統各有優缺點，土壤源熱泵熱源穩定，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，現在全國很多地區嚴重缺水，地下水位越來越低，各地政府已嚴格控制打井采取地下水，地表水的使用控制更為嚴格;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自太陽，因此它實際上是間接和深層次地利用了太陽能。設置靈活，但不太穩定，受室外溫度影響較大。

2 空氣源熱泵工作原理

空氣源熱泵在我國長江流域及西南、華南地區已有廣泛應用，這些地區冬季室外溫度一般不低于－5℃，室內所需熱量不大，夏季溫度較高，有制冷要求，當采用空氣源熱泵機組時，機組的經濟性可以得到較好的保證，無需輔助熱源，能夠以較低的初投資、較低的能耗較好地滿足該地區的采暖、空調要求，高效節能不污染環境，可一機兩用［1-2］。而對于黃河流域、華北地區這些傳統的采暖地區長期以來一直依靠燃煤、燃油采暖。隨著經濟的發展、城市規模的擴大，傳統的采暖方式不能適應可持續發展的要求［3］。傳統空氣源熱泵機組當環境溫度低于－10℃，制熱量和能效比通常都大幅衰減，并出現結霜問題。在實際運行時會出現:①制熱量隨著環境溫度的下降逐步衰減，只能采用電加熱器補熱的方式，但工作效率降低很大，導致在寒冷惡劣低溫工況下系統的制熱量不能滿足要求;②在低溫環境下，吸氣壓力低、制冷劑循環量小、壓縮比大、排氣溫度高等問題，會使機組的可靠性降低。

傳統的空氣源熱泵機組已無法在 －20℃～－30℃的環境溫度下穩定有效地制熱?，F在市場上比較成熟的低溫型空氣源熱泵機組分別采用以下幾種技術。

1)噴氣增焓技術。壓縮機除了常規的吸氣口和排氣口外，還帶有第2個吸氣口，即蒸汽噴射口，中壓的制冷劑蒸汽通過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，結合帶經濟器的系統設計，達到增加系統制熱量以及降低渦旋溫度的目的，循環過程見圖1。高溫噴汽增焓系統是由噴汽增焓壓縮機、噴氣增焓技術、高效過冷器組成的新型系統，高效過冷器一方面對主循環回路冷媒進行節流前過冷，增大焓差;另一方面，對輔助回路(這路冷媒將由壓縮機中部導入直接參與壓縮)中經過電子膨脹閥降壓后的低溫低壓冷媒進行適當地預熱，以達到合適的中壓，提供給壓縮機進行二次壓縮。

圖1 采用噴焓技術的冷媒循環

2)增設回熱器。熱泵系統由壓縮機、氣體冷卻器、回熱器、節流閥、蒸發器、貯液器組成封閉回路。低溫低壓的CO2氣體在壓縮機中壓縮至超臨界，然后進入氣體冷卻器中被冷卻介質(空氣)冷卻，離開氣體冷卻器后，高壓CO2氣體在回熱器中進一步冷卻，然后CO2氣體節流降壓溫度下降，部分被液化，濕蒸汽進入蒸發器中汽化，貯液器中出來的低壓CO2飽和蒸汽進入回熱器，在低壓側通道吸收高壓側中超臨界流體，吸收熱量后成為過熱蒸汽進入壓縮機升壓提溫，反復循環運動。循環過程見圖2。

圖2 采用回熱器的熱泵循環

3)帶噴液旁路的渦旋壓縮機系統。80年代初日本學者提出帶閃發器的渦旋壓縮機注氣系統，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。后另有日本學者提出采用帶噴液旁路的渦旋壓縮機系統來解決低溫工況制熱時的排氣溫度過高問題，并開發出樣機，通過對輔助回路的投?？梢詫崿F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機組，就是采用帶噴液旁路的方法，現場實際測試表明其可以在－15℃以上的條件下正常工作［4］。

3 工程實例

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℃，采暖室外計算溫度－7.3℃，冬季空調室外計算溫度－9.1℃，極端最低氣溫－21.3℃，屬于氣候分區中的寒冷地區，冬季需設采暖。當地環評要求不準新建燃煤鍋爐，此處又無天然氣源，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。建筑設計熱負荷為203 kW。參考某采用噴焓技術的日本設備廠家甲樣本數據，進行設備選型，見圖3。

由圖3可見，由于采用了噴焓技術，在室外濕球溫度降低到4℃時，室內設計干球溫度為20℃時設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，設備制熱能力率仍能保持在1.0以上。應該注意，在室外濕球溫度降低至4℃后，設備輸入功率出現大幅增加，如室內設計干球溫度為20℃時設備制熱輸入率曲線將由1.05上升至1.6，按此數值核算各型號設備能效比約為2.10～2.25，效率仍遠高于電采暖。選擇設備后應配備足夠電功率，以使設備能力完全發揮。

圖3 不同室內干球溫度(DB)下設備制熱能力率和輸入率的變化曲線

由于所處地區為高海拔地區，而設備樣本上給出的性能曲線，均是指設備中風機在標準狀態下(大氣壓力101.3 kPa、溫度20℃、相對濕度50%、空氣密度1.20 kg/m3)的參數。在使用條件改變的條件下，其性能應按下列各式進行換算，按換算后的性能參數進行選擇，同時還應核對風機配用電動機軸功率是否滿足使用條件下的要求。修正時風量不變，風壓隨使用工況的空氣密度與標定工況空氣密度不同而變化，即

式中:P為使用工況的風壓，Pa;pN為標定工況的風壓，Pa;ρ為使用工況的空氣密度，kg/m3。

在實際大氣壓力下不同空氣溫度時的空氣密度為［5］

式中:t為實際的空氣溫度，℃;B為實際的大氣壓力，kPa。

項目所在地日喀則冬季大氣壓力為63.61 kPa，實際空氣溫度按年平均溫度6.5℃，得到實際空氣密度為0.793 kg/m3，是標準狀態下空氣密度的0.613倍。此處應注意，空調系統及以排除余熱、余濕等為目的通風系統，應進行海拔修正。因為在此過程中體積風量雖未變化，但高海拔條件下空氣密度變小，相同體積風量的空氣其質量減少，在換熱過程中，實際換熱量將減少。為滿足實際工況要求，應按空氣的質量流量及密度修正反算需放大的體積，然后進行設備選型。對于低溫空氣源變頻多聯機組，室內機選型時只進行海拔修正即可，室外機選型時應同時進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，故選擇可同時制熱制冷的低溫空氣源變頻多聯機組，冷媒為R410A;設計中空調室外機選擇額定制熱量為63 kW的低溫熱泵機組6臺，額定制熱量為8 kW的空調室內機40臺及額定制熱量為10 kW的空調室內機2臺。

2)新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線清泉南站

只需冬季供熱的項目，可選擇能效比更高的CO2低溫空氣源熱泵機組。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，采暖室外計算溫度－17℃，冬季空調室外計算溫度－21℃，極端最低氣溫－35.6℃，屬于氣候分區中的嚴寒地區，冬季需設采暖。由于清泉南站位于環境保護區附近，環評要求采用清潔能源供暖，綜合考慮后決定采用低溫CO2空氣源熱泵機組供暖。綜合樓建筑面積1 230 m2，共3層，建筑設計熱負荷為118 kW，末端采用地板輻射采暖，熱媒為55/45℃熱水。參考某采用回熱器熱泵循環的國內設備廠家乙樣本數據，進行設備選型，見表1。

表1 CO2空氣源熱泵制熱量修正系數

同樣，機組選型時進行海拔修正及室外溫度條件下的制熱量衰減修正，計算得海拔修正系數為0.81，制熱量衰減修正系數由表1中機組出水溫度55℃及室外溫度－21℃按插值法計算為0.817，總修正系數為0.66;選擇3臺額定制熱量為75 kW的CO2低溫熱泵機組，使其滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)中規定:當1臺機組停止工作時，其余機組可滿足不小于總供熱量70%的要求。熱泵機房內設2臺循環泵，一用一備。系統補水定壓采用囊式落地膨脹水箱，補水泵(一用一備)由壓力控制器自動控制，循環泵回水管設泄壓安全閥。系統采用全自動軟水器。軟化水箱設液位控制器自動控制軟水器。

4 經濟性比較

以日喀則單身宿舍項目為例對低溫空氣源熱泵系統與燃油鍋爐及電采暖系統進行經濟性分析，見表2。

表2 各方案初投資和全年運行費用比較 萬元

由表2可見，3種方案中空氣源熱泵系統無論初投資上還是運行費用均最低，經濟上具有優勢。

5 結論

通過實際工程計算說明，無論是技術性還是經濟性，低溫空氣源熱泵在高原高寒地區鐵路車站都具有良好的適用性。高效、節能、環保的低溫空氣源熱泵值得推廣。在設備選型時應注意進行制熱量衰減修正及海拔修正，并選擇技術成熟可靠的設備廠家。在我國大力控制污染物排放、推廣新能源的今天，隨著技術的不斷革新，相信會有更多的地區和項目用熱泵來取代鍋爐。

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

［2］龍惟定，王長慶，丁文婷.試論中國的能源結構與空調冷熱源的選擇取向［J］.暖通空調，2000，30(5):27-32.

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

［4］柴沁虎.馬國遠.空氣源熱泵低溫適應性研究的現狀及進展［J］.能源工程，2002(5):25-31.

［5］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2008.