低温空气源热泵在高原高寒地区铁路车站的应用研究

马 强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

随着我国经济的快速发展，面临的环境问题也越来越无法回避。近年来，雾霾问题更是十分突出，国务院于2013年9月10日下发了大气污染防治行动计划，其中明确要求:到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰10蒸t/h及以下的燃煤锅炉，禁止新建20蒸t/h以下的燃煤锅炉，其他地区原则上不再新建10蒸t/h以下的燃煤锅炉;在供热供气管网不能覆盖的地区，改用电、新能源等。各地也已纷纷出台各项控制措施。由于铁路车站通常距离城市较远，具有数量众多、位置偏僻和分散的特点，通常与市政的集中供热管网无法连接，而高原高寒地区也往往不具备供天然气的条件，热泵技术特别是空气源热泵在这些地区的使用也势在必行。

1 热泵系统

热泵系统作为一种可再生能源的利用模式，节能环保，这些年来已受到广泛的重视和应用。根据热量的来源，热泵可分为土壤源热泵、水源(地下水、地表水、湖水、海水、污水等)热泵、空气源热泵。各种热泵系统各有优缺点，土壤源热泵热源稳定，但需要很大埋管面积;水源热泵受自然条件限制，需在水资源丰富的地区，现在全国很多地区严重缺水，地下水位越来越低，各地政府已严格控制打井采取地下水，地表水的使用控制更为严格;而空气源热泵是直接从空气中提取热量，空气中的热量主要来自太阳，因此它实际上是间接和深层次地利用了太阳能。设置灵活，但不太稳定，受室外温度影响较大。

2 空气源热泵工作原理

空气源热泵在我国长江流域及西南、华南地区已有广泛应用，这些地区冬季室外温度一般不低于－5℃，室内所需热量不大，夏季温度较高，有制冷要求，当采用空气源热泵机组时，机组的经济性可以得到较好的保证，无需辅助热源，能够以较低的初投资、较低的能耗较好地满足该地区的采暖、空调要求，高效节能不污染环境，可一机两用［1-2］。而对于黄河流域、华北地区这些传统的采暖地区长期以来一直依靠燃煤、燃油采暖。随着经济的发展、城市规模的扩大，传统的采暖方式不能适应可持续发展的要求［3］。传统空气源热泵机组当环境温度低于－10℃，制热量和能效比通常都大幅衰减，并出现结霜问题。在实际运行时会出现:①制热量随着环境温度的下降逐步衰减，只能采用电加热器补热的方式，但工作效率降低很大，导致在寒冷恶劣低温工况下系统的制热量不能满足要求;②在低温环境下，吸气压力低、制冷剂循环量小、压缩比大、排气温度高等问题，会使机组的可靠性降低。

传统的空气源热泵机组已无法在 －20℃～－30℃的环境温度下稳定有效地制热。现在市场上比较成熟的低温型空气源热泵机组分别采用以下几种技术。

1)喷气增焓技术。压缩机除了常规的吸气口和排气口外，还带有第2个吸气口，即蒸汽喷射口，中压的制冷剂蒸汽通过蒸汽喷射口和位于定涡旋盘的喷射孔喷射到涡旋盘的中间腔，以增加制冷剂流量，结合带经济器的系统设计，达到增加系统制热量以及降低涡旋温度的目的，循环过程见图1。高温喷汽增焓系统是由喷汽增焓压缩机、喷气增焓技术、高效过冷器组成的新型系统，高效过冷器一方面对主循环回路冷媒进行节流前过冷，增大焓差;另一方面，对辅助回路(这路冷媒将由压缩机中部导入直接参与压缩)中经过电子膨胀阀降压后的低温低压冷媒进行适当地预热，以达到合适的中压，提供给压缩机进行二次压缩。

图1 采用喷焓技术的冷媒循环

2)增设回热器。热泵系统由压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、蒸发器、贮液器组成封闭回路。低温低压的CO2气体在压缩机中压缩至超临界，然后进入气体冷却器中被冷却介质(空气)冷却，离开气体冷却器后，高压CO2气体在回热器中进一步冷却，然后CO2气体节流降压温度下降，部分被液化，湿蒸汽进入蒸发器中汽化，贮液器中出来的低压CO2饱和蒸汽进入回热器，在低压侧通道吸收高压侧中超临界流体，吸收热量后成为过热蒸汽进入压缩机升压提温，反复循环运动。循环过程见图2。

图2 采用回热器的热泵循环

3)带喷液旁路的涡旋压缩机系统。80年代初日本学者提出带闪发器的涡旋压缩机注气系统，指出采取这一措施后在低温工况下可提高制热性能15%左右。后另有日本学者提出采用带喷液旁路的涡旋压缩机系统来解决低温工况制热时的排气温度过高问题，并开发出样机，通过对辅助回路的投停可以实现既能在常温工况下高效正常工作，又能够在低温工况下安全可靠工作。日本某公司的热泵空调机组，就是采用带喷液旁路的方法，现场实际测试表明其可以在－15℃以上的条件下正常工作［4］。

3 工程实例

1)新建铁路拉日线日喀则车站

新建铁路拉日线为拉萨到日喀则的高原高寒铁路。日喀则地区海拔高度3 936 m，冬季大气压力63.61 kPa，年平均温度6.5℃，采暖室外计算温度－7.3℃，冬季空调室外计算温度－9.1℃，极端最低气温－21.3℃，属于气候分区中的寒冷地区，冬季需设采暖。当地环评要求不准新建燃煤锅炉，此处又无天然气源，综合比较燃油锅炉、热泵采暖及电采暖3种方案，最后确定采用低温空气源热泵机组。

以日喀则车站单身宿舍为例，建筑面积2 420 m2，共3层。建筑设计热负荷为203 kW。参考某采用喷焓技术的日本设备厂家甲样本数据，进行设备选型，见图3。

由图3可见，由于采用了喷焓技术，在室外湿球温度降低到4℃时，室内设计干球温度为20℃时设备制热能力率曲线不降反增至约1.13，之后随室外湿球温度的下降而下降，直到室外湿球温度降低到－15℃时，设备制热能力率仍能保持在1.0以上。应该注意，在室外湿球温度降低至4℃后，设备输入功率出现大幅增加，如室内设计干球温度为20℃时设备制热输入率曲线将由1.05上升至1.6，按此数值核算各型号设备能效比约为2.10～2.25，效率仍远高于电采暖。选择设备后应配备足够电功率，以使设备能力完全发挥。

图3 不同室内干球温度(DB)下设备制热能力率和输入率的变化曲线

由于所处地区为高海拔地区，而设备样本上给出的性能曲线，均是指设备中风机在标准状态下(大气压力101.3 kPa、温度20℃、相对湿度50%、空气密度1.20 kg/m3)的参数。在使用条件改变的条件下，其性能应按下列各式进行换算，按换算后的性能参数进行选择，同时还应核对风机配用电动机轴功率是否满足使用条件下的要求。修正时风量不变，风压随使用工况的空气密度与标定工况空气密度不同而变化，即

式中:P为使用工况的风压，Pa;pN为标定工况的风压，Pa;ρ为使用工况的空气密度，kg/m3。

在实际大气压力下不同空气温度时的空气密度为［5］

式中:t为实际的空气温度，℃;B为实际的大气压力，kPa。

项目所在地日喀则冬季大气压力为63.61 kPa，实际空气温度按年平均温度6.5℃，得到实际空气密度为0.793 kg/m3，是标准状态下空气密度的0.613倍。此处应注意，空调系统及以排除余热、余湿等为目的通风系统，应进行海拔修正。因为在此过程中体积风量虽未变化，但高海拔条件下空气密度变小，相同体积风量的空气其质量减少，在换热过程中，实际换热量将减少。为满足实际工况要求，应按空气的质量流量及密度修正反算需放大的体积，然后进行设备选型。对于低温空气源变频多联机组，室内机选型时只进行海拔修正即可，室外机选型时应同时进行海拔修正及室外温度条件下的制热量衰减修正。

此工程由于兼有制冷要求，故选择可同时制热制冷的低温空气源变频多联机组，冷媒为R410A;设计中空调室外机选择额定制热量为63 kW的低温热泵机组6台，额定制热量为8 kW的空调室内机40台及额定制热量为10 kW的空调室内机2台。

2)新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线清泉南站

只需冬季供热的项目，可选择能效比更高的CO2低温空气源热泵机组。以新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线清泉南站综合楼为例，清泉地处甘肃省的嘉峪关市与玉门市之间，海拔高度1 743 m，冬季大气压力84.71 kPa，采暖室外计算温度－17℃，冬季空调室外计算温度－21℃，极端最低气温－35.6℃，属于气候分区中的严寒地区，冬季需设采暖。由于清泉南站位于环境保护区附近，环评要求采用清洁能源供暖，综合考虑后决定采用低温CO2空气源热泵机组供暖。综合楼建筑面积1 230 m2，共3层，建筑设计热负荷为118 kW，末端采用地板辐射采暖，热媒为55/45℃热水。参考某采用回热器热泵循环的国内设备厂家乙样本数据，进行设备选型，见表1。

表1 CO2空气源热泵制热量修正系数

同样，机组选型时进行海拔修正及室外温度条件下的制热量衰减修正，计算得海拔修正系数为0.81，制热量衰减修正系数由表1中机组出水温度55℃及室外温度－21℃按插值法计算为0.817，总修正系数为0.66;选择3台额定制热量为75 kW的CO2低温热泵机组，使其满足《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)中规定:当1台机组停止工作时，其余机组可满足不小于总供热量70%的要求。热泵机房内设2台循环泵，一用一备。系统补水定压采用囊式落地膨胀水箱，补水泵(一用一备)由压力控制器自动控制，循环泵回水管设泄压安全阀。系统采用全自动软水器。软化水箱设液位控制器自动控制软水器。

4 经济性比较

以日喀则单身宿舍项目为例对低温空气源热泵系统与燃油锅炉及电采暖系统进行经济性分析，见表2。

表2 各方案初投资和全年运行费用比较 万元

由表2可见，3种方案中空气源热泵系统无论初投资上还是运行费用均最低，经济上具有优势。

5 结论

通过实际工程计算说明，无论是技术性还是经济性，低温空气源热泵在高原高寒地区铁路车站都具有良好的适用性。高效、节能、环保的低温空气源热泵值得推广。在设备选型时应注意进行制热量衰减修正及海拔修正，并选择技术成熟可靠的设备厂家。在我国大力控制污染物排放、推广新能源的今天，随着技术的不断革新，相信会有更多的地区和项目用热泵来取代锅炉。

［1］范存养.空气源热泵的应用与展望［J］.暖通空调，1994，24(6):20-24.

［2］龙惟定，王长庆，丁文婷.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向［J］.暖通空调，2000，30(5):27-32.

［3］江亿.华北地区大中型城市供暖方式分析［J］.暖通空调，2000，30(4):30-32.

［4］柴沁虎.马国远.空气源热泵低温适应性研究的现状及进展［J］.能源工程，2002(5):25-31.

［5］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.2版.北京:中国建筑工业出版社，2008.