二氧化碳热泵清洁能源转型路径探索

傅永泉

陕西北方人居环境科技有限公司，陕西 西安 710054

随着中国经济的快速发展，人们对人类健康的要求越来越高，对生态环境保护的认识日益增强。当前，中国许多地区的供暖系统都使用锅炉作为解决方案，而这些资源（天然气、煤炭、石油等）是不可再生的且较为稀缺，因此，国内清洁能源发展势头猛进，企业清洁能源转型迫在眉睫。清洁能源作为一种新的能源利用技术，它不是一种简单的分类，而是一种能源使用的技术系统，同时强调经济性并对排放水平有一定的标准要求[1-3]。从“新时代”中国能源部门的发展形势看，经济增长方式的转变必然要求能源转型过程中有序推行“绿色能源选择”。党的十九大对我国能源发展做出又一重大部署，积极把生态优势转化为发展优势，坚决扛起生态优先、绿色发展大旗，适度有序发展清洁能源产业，使新能源发展汇聚起巨大的绿色能量[4]。北方地区冬季清洁取暖规划表明，坚持清洁替代，安全发展；因地制宜，居民可承受。当前，中国“能源转型”主要包括两个方面：一方面，既要有效利用电能替代散烧煤、燃油等能源消费方式，又要大力发展清洁能源电力替代低效率的火力发电产方式，即“电能替代”；另一方面，有必要做到科学改进能源结构[5]。因此，清洁能源和普通能源发展齐头并进，创新驱动，才能互促发展，改善生态环境与人居环境。

本文以新疆鄯善大步车站为案例，研究寒冷环境中车站的供暖方式，分析了外界环境对新疆大步站点的作用，并匹配了可供寒冷地区使用的二氧化碳热泵采暖机组的采暖系统，配合二氧化碳热泵和采暖水路系统以达到正常供暖需求，以探索清洁能源的推广和转型路径。

1 案例分析

1.1 新疆鄯善大步车站条件分析

1.1.1 环境条件

新疆大步车站位于新疆鄯善县，鄯善县属于温带大陆性气候，夏季最高温度可达48 ℃，冬季最低温度可达-29.7 ℃，昼夜温差十分大，平均温差最大可达17 ～26.6 ℃，日照充足，其日照时数2900 ～3100 h，年均气温为11.3 ℃，年均降水量为25 mm。

1.1.2 建筑条件

大步站点建于1960 年，作为一个综合性铁路站点，有两个约2000 m2的建筑用地，其中冬季供暖的主要方式为煤锅炉。两处建筑均为砖混结构，外窗均为塑钢窗，均无保温隔热措施。大步车站提供的往年锅炉维护记录，详细见表1。

表1 大步车站锅炉维护记录 单位：℃

1.1.3 环境温度对常规制冷剂热泵系统的影响

普通热泵在-40 ～-30 ℃时，机组无法运行，对环境污染大且能源消耗大。对大步车站进行绿色节能改造，不仅需要因地制宜，不影响车站正常运营，还需要满足车站供暖的基本需求。在不改变站内采暖终端的情况下，采用常规制冷剂热泵作为热源，对其进行热力学分析，发现正常工况下常规制冷剂热泵压比值为14，已经超出正常运行范围的规定值域，所以，常规制冷剂不能满足低温地区高温出水采暖的应用方式。

1.1.4 环境温度对二氧化碳热泵系统的影响

二氧化碳工质的临界温度（31.1 ℃）较低，与环境温度相近，二氧化碳制冷循环高温放热温度须高于此温度才能实现放热。二氧化碳的制冷循环是跨临界循环，放热过程位于超临界区，有很大的温度变化，这个变化与加热水所需变温热源相同，当用于热泵循环中时，热源是紧凑的并且具有高的热传递能力。 因此，二氧化碳在低温下的高效率使其能够成为采暖领域的第一选择。

1.2 二氧化碳热泵机组系统的匹配

1.2.1 低环境温度下，二氧化碳热泵系统的技术研究

（1）跨临界二氧化碳热力过程系统数值分析

通过为二氧化碳换热器系统建立数值模拟系统，分析了运行条件和设计参数对二氧化碳加热系统性能的影响，揭示了渐进式二氧化碳过程中的最大压力调节规律并建立了二氧化碳热泵系统。

（2）二氧化碳跨临界循环的热气除霜方法也是研究的重点，基于对热气除霜过程中系统过程特征的分析，开发了空气穿透二氧化碳泵加热器源的实验平台。根据压力测试的结果和每个系统参数的温度，分析了除霜过程中的系统周期以及特性，规律表明，热泵系统的流量在放电过程中会增加，气体冷却器温度下降，因此提高气源处的二氧化碳温度是提高除霜性能的关键。

（3）对跨临界二氧化碳热泵系统循环性能进行试验研究，对比分析计算与试验结果。对比分析表明，计算结果与数值分析结果吻合良好，验证了数值分析的可靠性，为跨临界二氧化碳热泵设计方法的提出奠定了基础。

1.2.2 EMCP 多能源控制平台，软件选型的技术研究

（1）强大的硬件支持与扩展的功能

Windows Server 2008 R2 包括特定CPU 的增强功能。首先，此版本扩展了对CPU 的支持，使客户可以运行的逻辑处理器多达256 个。其次，R2 还支持第2 层地址转换（SLAT），这使R2 可以利用最新AMD CPU 提供的增强页表功能，以及最新的Intel 处理器提供的嵌套页表功能。这些功能的组合使R2 服务器支持更加完善的内存管理。

（2）Windows Server 2008 R2 中的Hyper-V

Windows Server 2008 R2 实现了人们对Microsoft虚拟化技术Hyper-V 期待已久的更新。新的Hyper-V旨在增强现有的虚拟机管理，同时解决特定的IT 问题，尤其是关于服务器迁移的问题。Hyper-V 技术促进了Windows Server 2008 R2 的Marquee 功能之一（即实时迁移）的实现。利用Hyper-V 1.0 版，Windows Server 2008 能够实现快速迁移，在物理主机之间移动虚拟机只需几秒钟的停机时间就可以完成。

（3）Web 和应用程序服务器

Windows Server 2008 R2 包含许多更新，使其成为非常可靠的Windows Server 应用程序平台，最重要的更新是新的Internet 信息服务7.5 版（IIS 7.5）。通过扩展IIS 管理器、实现IIS PowerShell 提供程序和在服务器核心利用。IIS 7.5 还整合了新的支持和疑难解答功能，包括配置日志记录和专用的最佳实践分析器。

1.2.3 解决的关键技术及创新内容

（1）除霜特性技术研究

通过与实时得到的蒸发器表面霜层变化图像相结合，对蒸发器动态除霜过程进行分析，观测了热气除霜的直观效果，完整的除霜过程持续时间为600 s，热气除霜的效率为35.6%。依实验结果可知，能够用于空气源跨临界CO2热泵系统除霜的有效可行的方法是热气除霜方法。

（2）最优排气压力控制策略关键技术研究

影响热泵系统中最佳排气压力的主要因素是跨临界二氧化碳热泵单元，对该单元进行焓舱内的制热性能测试。由结果知，系统蒸发压力和空气冷却器的出口温度随着排气压力的增加而减小，过热度随着排气压力的增加而增大，制热量与制热能效的比值随着排气压力的增加而先增大，然后再减小，并且有一个最佳值。为了估计独立于环境温度和出水温度的最佳排气压力，只要入口水温度（环境水温）基本不变化，就可以通过数据拟合以创新的方式提出实验相关公式作为自变量。实验比较表明，当系统推算最佳排气压力时，制热能效比与实验最优值之间的偏差小于1.3%，并且环境温度和出水温度是预测最佳排气压力作为自变量的方法，是一种值得同行参考的有效方法。

（3）二氧化碳热泵系统的热力循环的技术研究

二氧化碳热泵热水器采用周期性的往复水流方式，实现了水与二氧化碳制冷剂蒸发过程之间的温度变化匹配，其循环过程与洛伦兹循环过程相似，可以交换良好的热量。由于二氧化碳在冷凝段处于跨临界循环中，压缩机的吸气压力比临界压力低，且临界温度高于蒸发温度。基于这种工况，二氧化碳冷凝段利用水来进行换热，二氧化碳处于跨临界状体是用显热来换热，对水侧来说就是存在一个相当大温度滑移（80 ～100 ℃）的吸热过程。所以二氧化碳热泵可以将供水温度提高到90 ℃以上，完全匹配了原来利用明装暖气片高温差散热的条件。

（4）物联网、可视化智能系统的技术研究

基于新疆大步车站实地情况及机组运行需要，设计一款带有物联网功能及可视化操作的智能系统，能为机组与机组、机组与操控人员之间架起一座桥梁。这是一种RVCS 多热源系统远程可视化智能控制系统，该系统包括设置于办公室的服务器及设置于多热源控制现场的网络摄像机、PLC 和以太网模块。所述服务器、网络摄像机和以太网模块分别通过路由器连接在同一网络上，能够对处于远程的现场多热源的运行情况进行数据和图像传输，实现现场多热源的监视和控制，极大地方便了远程的管理，提高了运行管理的效率，并能共享管理，节省运行、维护成本。

2 结果分析

在二氧化碳热泵机组系统的匹配过程中，工程克服了最优排气压、除霜等一系列难题，并在技术上进行了创新，结合物联网，打造智能化清洁取暖方式。对现场进行加热季节应用观察，并每隔2 h 对站房温度和相关数据进行测量。从数据可以看出，当环境温度接近-10 ℃时，二氧化碳热泵机组仍可以正常运行，并且2台就可以维持2000 m2建筑的采暖，并且能效为2.5 或更高，其实际数据见表2。

表2 大步车站采暖实际数据

3 结论

①通过二氧化碳热泵机组用于新疆大步车站冬季供暖的研究，对所有机器运行和供暖温度数据进行了监测和分析。实践证明在能效比和应用方面，更换燃煤锅炉后，更换的热源设备无须更换采暖终端及水泵等硬件设备即可达到预期效果，说明二氧化碳热泵机组在寒冷地区的采暖应用是可行的。

②在市场经济、政策影响下，清洁能源发电竞争存在一定的弱势，其市场受到其他能源技术现有规模的制约和影响。而清洁能源转型成功，首先是具备了强有力的基础技术支撑，并在不断创新发展；其次，因地制宜，合理地考虑了不同地区能源发展状况和安全需求。而很多追求一次性能源转型的模式并不能合理地反映需求，且创新研发投入不能支撑长期发展，导致后劲不足。因此，企业清洁能源转型逻辑和转型思维仍需尽早转变。

③在“互联网+”发展背景下，清洁能源产业与信息行业的融合创新发展成为大势，大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等技术在清洁能源行业的应用逐渐增多，能源生产和消费向智能化、便捷化方向转型。企业在能源转型过程中应完善人才引育模式，加大科研投资力度，增强创新能力，不断为转型注入新鲜血液。

④以市场为导向，构建具有合理激励、涵盖经济手段和技术手段的长效机制，“能源转型”过程的重心应逐渐从“仅注重产品”向“兼顾服务质量”和“健康环保”的方向过渡；同时有序引导“绿色能源选择”和“电力创新”，利用不同的转型路径优化组合影响转型行为和升级过程。