利用CO2空气源热泵替代铁路系统洗浴蒸汽锅炉技术研究

黄茵

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081)

节能管理与技术

利用CO2空气源热泵替代铁路系统洗浴蒸汽锅炉技术研究

黄茵

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081)

根据我国北方地区铁路洗浴用热水采用蒸汽锅炉作为热源的特点及面临被淘汰的情况，介绍了CO2空气源热泵的技术特点和节能环保特性，对利用CO2空气源热泵作为热源的热水系统的技术进行了研究，对储热容积、热源配置方案进行了分析。

CO2空气源热泵；蒸汽锅炉；热水系统

我国北方地区铁路站段洗浴用热水一般采用蒸汽锅炉进行制取，即利用蒸汽锅炉生产的蒸汽通过蒸汽管道进入水箱中，蒸汽液化所放出的热量对冷水进行加热。然而蒸汽锅炉在运行中有一定的危险性，同时燃煤锅炉燃烧过程中产生的烟尘、SO2、NOx等污染物是我国大气污染的主要源头，也是造成冬季雾霾天气的重要原因。国务院发布的《大气污染防治行动计划》[1]明确提到“到2017年，地级以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。” 我国铁路站段洗浴用热源以小容量燃煤蒸汽锅炉居多，根据节能减排工作的需要，应及时取消这些燃煤蒸汽锅炉，并采取有效的替代措施。

根据铁路站段洗浴用热水的相关要求，可选择燃油锅炉、燃气锅炉、太阳能热水系统、电锅炉、电加热器、热泵等热源设备，其中燃油锅炉、燃气锅炉的运行费用较高，太阳能热水系统受太阳光照的限制，电锅炉、电加热器与热泵通过消耗电能产生热量，不产生任何污染物，但电锅炉、电加热器运行效率较低，因此采用热泵作为燃煤蒸汽锅炉的替代热源，无论是在节能环保还是在经济效益方面都具有较强的比较优势。

1 CO2空气源热泵介绍

普通的空气源热泵和地源热泵等热泵设备都使用含氟的制冷剂如R12、R22、R407A、R407C等。含氟制冷剂对环境有破坏作用，R12型制冷剂已经停止使用，R22型制冷剂到2020年也要停止使用。CO2空气源热泵采用自然工质CO2作为制冷剂，具有良好的安全性和化学稳定性，不产生任何污染物排放，同时由于采用超临界循环，CO2气体在气冷器中有较大的温度滑移，能够获得高温热水，在高温热水的制备方面有较大的优势，同时在较低的温度下能够正常使用[2-3]。基于上述特点，CO2空气源热泵是替代洗浴用蒸汽锅炉的理想热源[4]。

空气源热泵热水系统从系统组成上看包含热源系统、储热系统、供水系统及末端系统，其中热源系统及储热系统是热水系统中最重要的组成部分，本文将根据使用需求对储热系统及热源系统的配置开展研究[5]。

2 储热系统容积确定方案

空气源热泵热水系统的储热设备(储热水箱)的有效容积按供应热水的时间可分为全日制集中热水供应系统和定时热水供应系统。

2.1 全日制集中热水供应系统

全日制集中热水供应系统储热水箱的有效容积，应根据日耗热量、空气源热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定，其中全日制热水供应系统指在全日、工作班或营业时间内不间断供应热水的系统，如铁路乘务员公寓。当因素不确定时按下式计算：

(1)

式中：

Vr为贮热水箱(罐)有效容积，L；Qh为设计小时耗热量，kJ/h；Qg为设计小时供热量，kJ/h；T为设计小时耗热量持续时间，h；η为有效贮热容积系数，贮热水箱、卧式贮热水罐η=0.80～0.85，立式贮热水罐η=0.85～0.90；k2为安全系数，k2=1.10～1.20；ρr为热水密度，kg/L；C为水的比热，C=4.187，kJ/kg·℃；tr为热水温度，一般tr=60，℃；tl为冷水温度。

其中Qh根据《建筑给排水设计规范》GB50015—2010中5.3.1中第二条的规定按下式进行计算：

(2)

式中：

Qh为设计小时耗热量，kJ/h；m为用水计算单位数(人数或床位数)；qr为热水用水定额；ρr为热水密度，kg/L；T为每日使用时间，h；Kh为小时变化系数。

其中Qg根据《建筑给排水设计规范》GB 50015—2010中5.4.2B1中第三条的规定进应下式计算：

(3)

式中：

qr为热水用水定额；m为用水计算单位数，人数或床位数；T1为热泵机组设计工作时间，取12h～20h，h/d；k1为安全系数，k1=1.05～1.10；其余见(1)式说明。

2.2 定时热水供应系统

定时热水供应系统的贮热水箱(罐)的有效容积宜为定时供应最大时段的全部热水量，其设计小时耗热量按下式计算：

Qh=∑qh(tr-t1)ρrnobC

(4)

式中：

qh为卫生器具热水的小时用水定额，L/h；no为同类型卫生器具数；b为卫生器具的同时使用百分数；其余见(1)式说明。

则设计小时热水量可根据设计小时耗热量按下式计算：

(5)

式中：

qrh为设计小时热水量，L/h；其余见(1)式说明。

3 热源系统配置方案

3.1 CO2空气源热泵机组的配置

根据对国内CO2空气源热泵机组的生产厂家调查，现有比较成熟的产品系列为：7HP、20HP、25HP、35HP四种。CO2空气源热泵机组全部采用计算机控制，数码显示屏能够实时显示“环境温度、热泵机组进水温度、回水温度、水箱内实际温度、排气压力、吸气压力、工作电压、工作电流、单次工作时间、累计工作时间等相关数据”，可以任意进行温度设定(≤85℃范围内)，在达到设定最高温度时自动停机；达到设定的最低温度时自动开机，具有出现故障时自动停机报警并显示故障点功能，基本上可以做到无人值守[6]。

确定CO2空气源热泵机组的配置台数应根据水箱容积及机组的制热量来综合进行确定，即根据水箱容积计算水箱中冷水加热一次所需的耗热量，及热泵机组在不同环境温度下的制热量，并以此来计算单台机组加热时间，综合考虑热泵机组配备的数量。水箱中冷水加热一次所需的耗热量为：

(6)

式中：

Q为水箱中冷水加热一次的耗热量，kW；Vr为水箱容积，m3；其余见(1)式说明。

则单台机组加热时间为：

(7)

式中：

q为单台机组的制热量，kW；k为热水管网的热损失；其余见(1)式说明。

空气源热泵的制热量与环境温度有关，当环境温度下降时机组的制热量将减少，因此在计算单台机组加热时间时所选用的单台机组的制热量应考虑热泵机组的形式及当地的气象参数，当采用分体机时(空冷器放在室外)，热泵机组制热量应为当地环境温度所对应的制热量，当采用一体机并放置室内时，热泵机组的制热量取室内环境温度所对应的的制热量[7]。

在计算得到单台机组的加热时间后，根据实际使用状况对机组数量进行调整，当洗浴次数较为频繁、用热水量较大时，适当增加机组配置的数量，直到能够满足使用要求为止。

3.2 辅助电加热的配置

考虑到CO2空气源热泵的制热量随着环境温度的降低会有所减少，特别是在-20℃以下的环境温度时热泵机组的COP值将小于1(处于费能状态)，为了保证极寒地区或极端温度下洗浴用热水的正常供应，考虑配备一定的辅助电加热对水箱中的水进行加热(使用电加热时，可停止使用热泵机组)。电加热配备的原则与CO2空气源热泵的配备原则一致，需要保证电加热的制热量与机组的制热量基本相符，而电加热的效率能够达到95%以上，因此，一般情况下配备与制热量相同功率的电加热即可满足使用。

4 小结

本文根据我国北方地区铁路站段洗浴用热水的特点，对利用CO2空气源热泵作为热源替代蒸汽锅炉的技术开展研究，研究了储热容积、热源的配置方案。通过应用CO2空气源热泵作为热源，能够实现污染物的零排放，减少能源消耗及人工数量和劳动强度，具有广阔的推广应用前景。

[1] 国发[2013]37号.大气污染防治行动计划[S]．

[2] 周英涛．CO2热泵技术在供暖系统中的应用研究[D]．大连：大连理工大学，2013.

[3] 李涛.跨临界CO2压缩式热泵系统的理论与实验研究[D].杭州：浙江大学,2012.

[4] 范晓伟．CO2热泵系统及其应用前景[J]．制冷与空调，2002，2(2)：1-5.

[5] 王侃宏，王景刚，侯立泉．CO2跨临界水-水热泵循环系统的实验研究[J]．暖通空调，31(3)：1-4.

[6] 熊立贵，王岸林，谭永林．二氧化碳热泵热水器研究及产品开发[J]．技术创新，2012(5)：32-35.

[7] GB/T 21362—2008,商业或工业用及类似用途的热泵热水机[S].

Research on the Technology of Using CO2Air Source Heat Pump to Replace the Steam Boiler in Railway System

HUANG Yin

(Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

According to the characteristics of the hot water using steam boiler as the heat source in the northern area in our country and the situation of being eliminated in railway system,the technical characteristics and energy saving and environmental protection characteristics of CO2air source heat pump are introduced in this paper,and the technical scheme of CO2air source heat pump as the heat source of the hot water system is studied,and the heat storage capacity and the heat source configuration are analyzed.

CO2ari source heat pump; steam boiler; hot water system

2095-1671(2016)02-0079-03

2016-02-16；

2016-03-10

中国铁道科学研究院院基金项目《利用CO2空气源热泵替代铁路系统生产用蒸汽锅炉技术研究》(2014YJ037)。

黄茵(1963—)，女，湖南衡阳人，硕士，副研究员，从事节能管理、技术研究工作。

TU832

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