雙級壓縮空氣源熱泵在農村煤改電項目中的應用

張春林 程港 錢志博

中機十院國際工程有限公司

北方農村地區的采暖大多是以家庭為單位的分散式燃煤形式，存在著能源利用率低、污染大、不便于管理等缺點。市場需求和政策導向均在尋找更加清潔的替代技術。空氣源熱泵是較適宜的清潔能源，相對常規的單級壓縮空氣源熱泵，雙級壓縮空氣源熱泵在低溫情況下的高效性和可靠性更能適應北方農村的供暖需求。本文結合農村地區的供暖特點比較了單級壓縮熱泵循環和雙級壓縮熱泵循環在煤改電項目中設計參數的差異，結合項目實例的運行效果對農村地區煤改電項目得出了肯定的評價，并對雙級壓縮低溫型空氣源熱泵的推廣和應用中的問題進行了分析和總結。

1 技術分析

常規空氣源熱泵一般為單級壓縮式循環（圖1）。單級壓縮式循環主要由壓縮機、冷凝器、節流機構和蒸發器組成，其工作過程主要由以下4個步驟完成[1]：制冷劑在蒸發器中吸收熱量并由液態蒸發為氣態；壓縮機將低溫低壓制冷劑氣體壓縮，排出高溫高壓氣體；在冷凝器中放熱冷凝為高壓液體；經過節流機構降壓得到對應蒸發溫度的低壓液體，進入蒸發器吸熱蒸發。再次循環。

圖1 單級壓縮流程圖

雙級壓縮制冷循環，是指來自蒸發器的制冷劑的低壓蒸汽要經過低壓與高壓壓縮機兩次壓縮后，才進入冷凝器，并在兩次壓縮中間設置中間冷卻器（圖2）。

圖2 雙級壓縮流程圖

為了便于研究將循環簡化為理論循環，即壓縮過程為等熵過程，在冷凝器各蒸發器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質的溫度，蒸發溫度等于被冷卻介質的溫度，且冷凝溫度和蒸發溫度都是定值；制冷劑在管道內流動時沒有流動阻力損失，忽略動能變化，除了蒸發器和冷凝器內的管子外制冷劑與管外介質之間沒有熱交換，制冷劑在流過節流裝置時，流速變化很小，可以忽略不計，且與外界環境沒有熱交換。

圖3 理論循環的lgp-h圖

現通過對理論熱泵循環進行熱力分析比較。根據農村建筑的采暖系統要求，采暖期室外設計溫度基本在-5℃～-15℃，供回水溫度一般以55/45℃為宜，初末寒期回水溫度可以到40℃[2]。故設計條件蒸發溫度-20℃，冷凝溫度60℃，制冷劑采用環保制冷劑R134a。由此可以得到以下壓焓圖（lgp-h圖）。如圖2所示，查壓焓圖可確定熱力循環各點的狀態參數。

相同的設計工況，單級壓縮循環的壓縮機入口狀態和雙級壓縮循環的低壓壓縮機的入口狀態均是1點。單級壓縮循環的壓縮機出口狀態為2點，雙級壓縮的低壓級出口狀態為a點，高壓級出口狀態為2s點。各狀態點參數如表1所示。

表1 熱力狀態點參數

由此可見，該設計條件下單級壓縮循環的排氣溫度為73.14℃，而雙級壓縮循環的高壓排氣溫度為63.62℃，低于單級壓縮循環。這一點也可以從圖上直觀的看出。單級壓縮循環的壓縮比為12.81，而雙級壓縮循環的壓縮比為3.56。

常見的空氣源熱泵一般采用螺桿壓縮機，螺桿壓縮機一般采用噴油冷卻，單級排氣溫度一般不能超過100℃。普通空氣源熱泵在低溫環境下工作時，壓縮機排氣溫度上升，因而不能實現在低溫工況下的運行。并且較高的排氣溫度需要更大的油冷卻能力，這無疑增加了設備本體的成本。單級壓縮循環的壓縮比一般不超過8～10，雙級壓縮循環能夠很好的解決壓縮比過大的問題。壓縮機的容積效率與壓縮比成反比關系。單級循環的壓縮機容積效率將低于雙級壓縮循環的壓縮機。除此之外，單級螺桿壓縮循環在部分負荷情況下運行效率會降低，雙級螺桿壓縮循環具有更好的調節性能，運行效率的變化較為平緩[3]。

圖4 單級壓縮運行范圍

綜上所述，雙級壓縮相對于單級壓縮的壓縮比小，摩擦損失等不可逆因素的影響小，可以實現比單級壓縮更大的溫差；并且雙級壓縮的排氣溫度得到降低，故障率減小，運行的安全可靠性好。

圖4、5分別為常規空氣源熱泵和雙級壓縮空氣源熱泵的運行范圍。

圖5 雙級壓縮運行范圍

當然，雙級壓縮也有其不利的一面。從工程實用的角度看，與單級壓縮比較，采用雙級壓縮時操作調節的工作量和難度增加。由于雙級壓縮系統增加了中間冷卻器，增加了閥門，使用中增加了對設備的管理維護。這當然相較于其優勢而言也是無可厚非的。

2 項目實例

北京市海淀區無煤化空氣源熱泵集中供暖項目大規模采用低溫空氣源熱泵作為熱源，這個項目共涉及到4個鎮、7個街道下轄的23個社區，幾千戶居民100余萬m2供暖面積，共設計40余個集中低溫空氣源熱泵供熱站房。現在此項目已經完整運行了一個采暖季，以其中的西北旺鎮喬莊熱源站為例反映低溫空氣源熱泵在低溫情況下的運行效果。

該熱源站負責供熱面積16398 m2，綜合熱負荷指標為85 W/m2，設計熱負荷為1394 kW。該片區戶內使用散熱器采暖系統，站房設計供回水溫度55/45℃。站房共設置4臺雙級壓縮低溫型螺桿式空氣源熱泵，型號為AZ-5340W/DLTDA，在室外空調設計溫度-9.9℃情況下單臺制熱量為443.3 kW，COP為2.57，進出水溫度45/55℃。

根據2017年采暖季的運行數據，低溫熱泵機組在最冷期可以保證設計條件，滿足供水溫度55℃，運行效果良好，得到了用戶的好評。

3 應用中的問題

低溫型空氣源熱泵大規模應用于集中供暖在北方地區尚為首例，這一次創新和實踐已在2017年采暖季取得成功，但是低溫型空氣源熱泵在北方煤改電中繼續發展尚需進一步的技術討論和研究。低溫型空氣源熱泵雖然擴大了空氣源的適用范圍，但是其固有的特性仍有許多問題需要解決。

1）如何降低“冷島”現象

空氣源熱泵源源不斷地從空氣中提取熱量，這導致空氣源熱泵群周邊的氣溫不斷降低，與該區域周圍的氣溫存在明顯的差異。在上述的項目實例中也不同程度的出現了“冷島”現象，經測量熱源站房內空氣溫度與周邊空氣的正常溫度存在5℃左右溫差，這加劇了空氣源熱泵運行效率的衰減，在最冷月無異于雪上加霜。由于前期模擬和風險的保守控制，設備的布置采取較大的間距，縱向布置間距1 m，進風側布置間距2～3 m，在最冷運行期間并未出現低溫報警現象。

空氣源熱泵機組的零排放特點決定其選址可以異于其他的熱源站房。空氣源熱泵主要利用空氣中的熱量，合理的氣流組織可以保證適合的熱源。所以空氣源熱泵站房可以布置在冬季主導風向的上風向，或者在風向上與村莊區域平行的位置。盡量避免氣流紊亂的區域。

其次考慮空氣源熱泵的布置形式。站房內機組與機組之間應保持足夠的間距，機組的進風側距離建筑物墻面不應過近，以免造成進風受阻。機組之間的間距一般應大于2m，進風側距離建筑物墻面的距離應大于1.5 m。這在上述項目中也得到了很好地證明。

低溫氣流密度增大導致下沉，空氣源熱泵風機排出的低溫空氣很有可能堆積在周邊區域，為了更好的利用氣流，可以將空氣源熱泵站房做成2層的架空結構，首層放置水泵等輔助設備及配電裝置，2層布置空氣源熱泵。上述項目中部分站房采用的就是這種做法。經反映實際運行效果要優于低層布置的設備。

2）低溫供暖的實現

空氣源熱泵的制熱量，隨供水出水溫度的升高而減少，隨環境溫度的降低而減少。機組在制熱工況下的輸入功率，隨供水的出水溫度升高而增加，隨環境溫度的降低而減少。

這與農村地區落后的供暖方式相矛盾。高溫供水降低了空氣源熱泵的運行效率，提高了采暖成本，也對電力增加了負擔。故對“煤改電”區域應結合棚戶區改造、市容管理等工作，淘汰老式鑄鐵式散熱器，推廣新型低溫型散熱器。

3）轉變采暖消費理念。

受長期以來的觀念、習慣等因素影響，相當數量的取暖用戶仍依賴傳統、落后的供暖方式滿足取暖需求，對清潔供暖方式接受度較低。應結合典型案例，擴大宣傳“煤改電”的綜合效益和邊際使用等優點。

4 結論

通過以上分析可以得出以下結論：

1）雙級壓縮空氣源熱泵技術是成熟的，可以滿足低溫條件下的供暖需求。經過一個采暖季的運行展現出該項技術的巨大潛力。

2）伴隨雙級壓縮空氣源熱泵技術的推廣，北方農村地區的供暖尚有很多的工作需要同步進行，如加強建筑節能改造，發展與空氣源熱泵技術相適應的低溫供暖技術等。