基于CO2熱泵系統探討農村地區供暖新路徑

傅永泉

摘 要：近年來隨著國家節能減排的高度重視，再次加強了人們對綠色能源的認識與利用。本文結合近幾年清潔能源在農村地區的推廣情況，通過介紹一項在新疆地區新能源改造項目，即使用二氧化碳熱泵機組對大步車站進行采暖改造項目，了解二氧化碳熱泵機組在新疆大步車站聯合多能源控制平臺實地使用情況，解決其關鍵技術及創新內容。并結合案例淺談清潔能源供暖在農村地區的應用，探討幾點發展農村地區清潔能源的設想和建議，實現清潔能源在農村的大力推廣，形成可復制可實行應用的方案。

關鍵詞：清潔能源;熱泵;多能互補;跨臨界循環;智慧供暖

0 引言

面對日趨嚴峻的大氣污染問題，國務院多次召開專題會議進行工作部署，并陸續出臺了多個政策和配套措施，再次加強了人們對綠色能源的認識與利用，鼓勵發展清潔能源供暖，提供政策和財政支持[1]。作為一種新能源設備的熱泵，是利用壓縮機做工來消耗少量電能以便將空氣中的低品位熱能提升到高品位熱能中。目前，大家已經漸漸接受和推崇熱泵這種環保又高效的能力供給方式。通過以CO2作為制冷劑的熱泵機組對新疆大步車站進行采暖改造，利用其在極低溫度下良好的熱物理性質能進行正常工作，并借由CO2跨臨界循環提供高溫出水的特點，以便用綠色環保經濟節能的方式解決當地冬季采暖的問題[2]。

當前，我國大氣污染情況不容樂觀，化石能源的大量使用是造成嚴重霧霾的罪魁禍首，其中冬季采暖煤耗對霧霾環境有 16.7%的“貢獻率”。黨的十九大會議精神指出，我們要進一步提高群眾環境保護意識，著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系，不斷加快電能替代步伐，在全國推行油改電、煤改電、氣改電，從能源結構及能源消耗上全面減少碳排放。傳統的依靠燃燒資源來進行熱量供應的采暖方式成本高、浪費能源且造成諸多污染，因此傳統采暖方式亟需改變，分析推行電采暖技術的可行性非常必要。

1新疆地區新能源改造項目案例分析

1.1新疆大步站點條件分析

一、環境條件

位于新疆鄯善縣的新疆大步車站地處亞洲腹部，遠離海洋，形成了獨特的溫帶大陸性氣候，夏季溫度高氣壓低，氣候炎熱且濕度大;冬季溫度低氣壓高，氣候干燥。春旱干燥、夏熱冬冷，全年熱量豐富且日照充足、晝夜溫差大、無霜期長。如果是普通熱泵，在零下-30～-40℃的條件下，機組無法運行。當前面對環境污染和能源危機雙重壓力，如何實現環保與節能是本行業不可避免的難題。

二、建筑條件

大步站點是一個綜合性鐵路站點，修建于1960年，建筑分為兩部分，總建筑面積約為2000m2。冬季供暖的熱源是煤鍋爐，供暖終端是明裝散熱片。兩處建筑均無保溫隔熱措施，通體采用磚混結構，外窗均為塑鋼窗。

三、環境溫度對CO2熱泵系統的影響

從經濟性及技術性角度來講，適合新疆地區的采暖方式有發熱電纜、電熱膜采暖，土壤源熱泵采暖，熱泵采暖及蓄熱電鍋爐分散采暖。通過對CO2熱泵進行熱力學分析，發現當蒸發溫度為-20℃且冷凝溫度在75℃時機組制熱量在60kW，輸入功率為22.3kW，體積流量為14.57m3/h，COP為1.741，具有一定能效比。經過熱力學分析中可以得出：在寒冷工況下需要一定出水溫度的運行工況對于常規制冷劑來說只能望而止步了，對于CO2熱泵來說，極低的環境溫度下的優良工作性質并能進行高溫出水是它的兩大特點，所以寒冷地區應用CO2采暖是可以進行實施的。

1.2 二氧化碳壓縮式熱泵

跨臨界二氧化碳水源熱泵機組的基本原理是：壓縮機吸氣閥將低溫氣態制冷劑CO2經壓縮機壓縮后變成高溫高壓 CO2氣體，之后進入氣體冷卻器將熱量傳遞給供暖水并產生供暖熱水，從氣體冷卻器出來的CO2氣體流經節流降壓后變成低溫低壓液態CO2進入蒸發器。如圖3所示，在蒸發器中，低溫液態CO2吸收電廠循環冷卻水中的熱量而不斷蒸發并到達蒸發器出口時已全部變為低溫的過熱干蒸氣，再回到壓縮機吸氣口，如此反復循環，從而達到供熱的目的[3] [4]。

二氧化碳的熱力學性能表明：相比其他制冷劑，二氧化碳具有較高的單位容積制冷量、較低的壓縮比、較好的傳熱性和流動性能;因為CO2是惰性氣體，因此不會燃燒或爆炸;同時CO2的價格也相對便宜，并維護起來方便?？缗R界CO2熱泵機組系統造價大大降低、運行和維護簡單、安全可靠、使用壽命長等明顯優勢[5]。

1.3解決的主要關鍵技術及創新內容

1.3.1 除霜特性技術研究

為解決跨臨界CO2熱泵系統在低溫環境下的結霜問題，對適用于跨臨界CO2循環的熱氣除霜方法進行了實驗研究。通過搭建空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器實驗臺，以分析除霜過程中系統循環的變化規律及蒸發器的除霜特性，發現提高除霜效率的關鍵是增大氣體冷卻器出口的CO2氣體溫度是。根據試驗結果可以得出，熱氣除霜方法是用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統除霜的一種實用方法[6]。

1.3.2自尋優排氣壓力控制策略關鍵技術研究

影響熱泵系統中最佳排氣壓力的主要因素是以跨臨界CO2熱泵單元為平臺的焓差室中進行的熱性能測試。結果表明，系統的蒸發壓力和空氣冷卻器的出口溫度存在最佳值[7]。大量的實驗數據表明，系統的最佳排氣壓力隨環境溫度、進水溫度和出水溫度的降低而降低，這表明根據環境溫度和出水溫度預測最佳排氣壓力的方法是值得同行參考的有效方法。

1.3.3氣冷器運行工況參數對最優排氣壓力影響的關鍵技術研究

為了研究氣體冷卻器的換熱面積和內部制冷劑質量流速對跨臨界CO2熱泵熱水器系統的性能及其最佳排氣壓力的影響，通過理論計算表明，在一定范圍內，當CO2質量流速不變時，增加氣體冷卻器的換熱面積可以提高系統制熱量和制熱能效比; 但是，由于壓降的影響，增加氣體冷卻器內CO2質量流速而換熱面積不變時，系統的性能系數則會先上升后降低。因此，在跨臨界CO2熱泵設計中，確定氣體冷卻器換熱面積及質量流速對系統獲得較高的COP并維持最優排氣壓力有著重要意義。

1.3.4 CO2熱泵系統的熱力循環的技術研究

CO2熱泵熱水器采用水周期性往復流動的方法，以實現水與CO2制冷劑蒸發過程的變溫匹配，得到的循環過程類似于勞倫茲循環過程，可以很好地交換熱量。由于壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，因此循環的吸熱過程是在亞臨界條件下進行，而換熱過程主要是依靠潛熱來完成，但循環的冷卻換熱過程依靠顯熱[8]。在這種工況下，熱泵可將供水溫度提高到90℃以上，這與原來利用明裝暖氣片高溫差散熱的條件完全匹配。

2 農村地區清潔能源供暖路徑探索

2.1 幾種清潔能源供暖利用方式

目前，農村住戶主要以傳統的燃燒散煤的方式供暖，主要包括土暖氣、火坑和燃煤爐，少數年輕住戶采用空調采暖。這些供暖方式效率較低，且產生的煙氣嚴重污染大氣環境。對于供暖能源消耗，農村居民的供暖能耗占生活能耗的60%，比例最大。據調研數據顯示，目前新疆農村的各種供暖方式中，燃氣鍋爐、燃煤鍋爐仍然是最主要的采暖方式，其中超過51%的供熱面積由燃煤鍋爐提供，超過 34.8%的供熱面積由燃氣鍋爐房保障，而清潔環保的電采暖方式所占比例不足 1.5%，另一方面自治區供熱面積還將持續增加，這為電采暖的推行提供了廣闊的空間。目前，電采暖按供熱形式可分為集中式電采暖和分散式電采暖。其具體方式如表1所示 ：

2.2清潔能源供暖在農村應用存在的問題

2.2.1 政府面臨的問題

政府在規劃建設方面上存在諸多問題，農村環境往往不能滿足相關燃氣設施設計施工的規范技術要求 ：基礎設施不配套、建筑參差不齊、街道類型復雜、電線錯綜復雜缺乏規劃，對天然氣管道走線和燃氣設施的規范化安裝帶來極大的困難。清潔能源技術的使用受地理位置、場地、環境影響（噪音等）、投資成本及居民意愿等各方面因素限制，需要因地制宜，科學論證，確定采用清潔能源供熱方式。燃氣管道大多埋在地下，燃氣管道的建設，會對原有路面耕地等產生影響，引發后續的修復問題。據調查，部分農村地區內部缺乏合理規劃，政府的多部門協調不足，宣傳力度不夠，農戶不接受燃氣管道的入戶，加大了施工難度和建設成本。

除基礎條件不足外，煤改電、煤改氣的規劃建設還需考慮到經濟條件、氣候條件、資源條件，居民習慣等各方面因素，還需考慮縣城和城鄉結合、偏遠農村地區供熱路線到底該如何選擇問題等，因此如何因地制宜進行規劃成為農村乃至全國各地區清潔能源供暖改革不可忽視的重要問題。

2.2.2 企業面臨的問題

相比于傳統的設備和企業運行模式，新能源的運行需要大量的資金支持設備翻新和企業調整，政府的補貼成為主要獎勵機制，長期的補貼政策不僅不利于企業的長久發展，政策取消后的改革推行也會舉步維艱，政府急需長久有效的獎勵機制促進改革順利進行。其次，政府對于新能源的宣傳并不到位，農戶并不能從中認識到可以取得的切實利益，新能源的改革缺乏大量的群眾支持。

項目建設及運營成本高，設備投資和運營成本相對于煤炭供熱還是較高，電力價格還需進一步降低，若有當地電力部門政策支持，將會對項目促進很大;同時，清潔能源的推廣應用還需政府資金支持，尤其農村供暖地區，地方資金承擔較為困難。

2.2.3 農村現住居民面臨的問題

農村現住居民面臨安全隱患問題 . 在改造前大部分農村居民一直通過傳統的柴或煤作為燃料供暖，操作簡單易懂，改造后，由于沒有使用新型供暖設備的經驗，農戶對基本操作和基本安全知識一竅不通，容易操作失誤導致火災等事故，無法滿足正常的安全的供暖需求。尤其在如今的農村地區，基本都是老人和小孩留守在家，如何保護他們避免危險成為一個不可忽視的重要問題。

農村地區房屋多是單層非保溫建筑，單位面積能耗大，成本較高，企業供暖不積極，居民用電、用氣意愿不高。因此，政策與資金都應配套進行，而且清潔能源供熱技術的推廣還需進一步加強宣傳和推進。

3發展農村清潔能源幾點設想和建議

3.1外墻保溫

積極推廣建筑節能改造。一是樓房住宅改造，包含圍護結構保溫改造、更換保溫門窗及屋頂。陽臺燈與室外環境相接觸部位的節能改造。二是農村平房是電供熱區域內建筑節能改造，對農宅進行節能改造，改善農村住房保溫性能，降低建筑能耗。這樣可以有效提高室內環境舒適度，減少能源消耗量。

農村散居建筑面積大，覆蓋面大，全部采用墻體保溫，可大幅度節約供熱能耗，同時提高供熱質量。

3.2農村清潔供暖的思考

3.2.1 因地制宜進行改造

對具有傳統民居特色具有保留價值房屋，以保留農村歷史風貌，不破壞外立面石材肌理為主要出發點進行危房改造。對使用量較大、具有節能改造潛力和建造年代較晚的磚砌房屋，以保溫效果最大化、施工便利為主要出發點重點進行節能改造。

3.2.2 探索清潔取暖新模式

通過探索清潔取暖新模式，形成可復制可推廣的經驗。利用農村特點，發展秸稈等生物質能源。生物質能源可經“壓縮成型—焚燒—排放處理”，進行熱電聯產;也可通過秸稈氣化在進行燃氣供應;還可以發酵產生沼氣，變為清潔能源。

生物質能源利用應當結合當地養殖、種植、生產生活污水排放等結合，形成生態循環經濟。在生態循環經濟中，可結合扶貧等政策，列為扶貧項目，協同實施。實踐證明，循環生態經濟是環保經濟，也有著較好的投入產出比。涉及循環經濟，最大限度的安排農民就業，做到扶貧扶智，精準扶貧;同時可使得農村清潔能源供熱成本大幅度降低，使之能夠在農村供暖得到順利推廣。

3.2.3 積極推進能源互補的發展理念

通過發展能源互補，實現安全、經濟、指揮調度調節的冷、熱、暖三聯供，同時，打破地域、部門之間的界限，使各方受益。

研究做好清潔取暖和全域融合供熱專項規劃實施，按照城鄉一體化發展思路，打破集中供熱區域分割，統籌做好集中供熱和分戶清潔供暖同步推進。

3.2.4 推進“綠色多熱源互聯網”建設

基于對新疆大步車站供暖改造的實例研究，結合國內外前沿理論，本文認為可以在我國農村開展新型聯動供暖的供暖模式以推動能源變革實施，通過新型聯動供暖模式解決能源變革推廣的諸多難題，實現“綠色多熱源互聯網”。經過調查評估，結合輕資產模式、外包模式的經驗，論證得出在政府鼓勵并進行適當補助的情況下可推行供暖新模式，儲熱組件投資可通過棄能回收、政府補助來實現回報。同時此模式也可減少企業成本，實現環保效益的最大化。最終實現用“政府+供熱企業+儲熱企業+用戶側”的市場化手段來推動儲熱模式的普及，解決能源變革大規模推廣出現的諸多問題，推動清潔供暖的開展。

4 結論

本文在國家對節能減排高度重視的背景下，基于利用以CO2作為制冷劑的熱泵機組對新疆大步車站進行采暖改造的案例，介紹了其建設條件和改造方法，并以此展開了對農村地區清潔能源供暖路徑探索，最后對農村清潔能源供暖提供了思路。

參考文獻：

[1]胡德群.清潔能源——一種綠色集中供暖的模式創新[D].城市管理與科技，2018.

[2]王健. CO2熱泵在寒冷地區采暖的應用研究[D]. 江蘇雪龍新能源科技有限公司， 2016.

[3]崔增光 李寧 張信榮. 大型二氧化碳熱泵電廠余熱供熱利用[D]. 電力學報， 2014.

[4]史國華. 全新節能思路探索[D]. 吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠動力車間， 2018.

[5]王玉琦. 同時供冷供熱二氧化碳雙級壓縮制冷熱泵循環（火用）分析[D]. 西安建筑科技大學， 2017.

[6]胡斌 曹鋒 邢子文 何志龍. 空氣源跨臨界CO_2熱泵系統熱氣除霜的實驗研究[D]. 西安交通大學學報， 2015.

[7]宋昱龍 唐學平 王守國 楊東方 曹鋒 王冬青. 跨臨界CO_2熱泵氣體冷卻器對系統性能及最優排氣壓力的影響[D]. 制冷學報， 2015.

[8]張志輝. 二氧化碳跨臨界制冷循環性能分析及微通道氣體冷卻器的研究[D]. 河北工業大學， 2007.