空气源热泵技术用于建筑供暖的经济性分析

2020-07-07周文斌

铁路节能环保与安全卫生 2020年3期

周文斌

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司计划统计部，内蒙古呼和浩特 010050）

0 引言

按照《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》(国发[2018]22号)要求[1]，打赢蓝天保卫战是重大决策部署，事关满足人民日益增长的美好生活需要，事关全面建成小康社会，事关经济高质量发展和美丽中国建设。内蒙古人民政府印发《关于贯彻落实大气污染防治行动计划的意见》，明确要控制燃煤消费总量，地级市以上城市建成区基本淘汰10蒸吨/h及以下燃煤锅炉，防治大气污染的压力与日俱增[2]。呼和浩特局集团公司从2017 年开始加大燃煤锅炉改造力度，以政府“三供一业”改造为契机，优先将具备条件的站段、工区及铁路居民小区接入市政管网；取缔了环保不达标、限期治理的绝大部分燃煤锅炉。但是，铁路点多线长，存在地理位置分散，沿线车务、工务、电务、供电等工区供热面积小，不具备接入市政管网和燃气锅炉的条件。

空气源热泵具有节能、环保等特点，有很好的经济效益和社会效益[3]。近年来，诸如喷液技术、压缩机中间补气技术、跨临界循环等新技术逐渐得到应用[4-6]，进一步提升了空气源热泵的运行范围和制热性能，使空气源热泵在北方寒冷地区的供暖应用成为可能。基于空气源热泵的技术特点，采用“煤改电”的方式使用空气源热泵能够在满足国家节能环保要求的同时解决沿线站区的取暖问题，对实现沿线站区供暖热源形式的节能改造具有重要意义。在此，以该铁路局集团公司某站段的空气源热泵实际应用为例，对3种空气源热泵在投资成本和应用效果方面进行比较分析。

1 不同空气源热泵基本原理

1.1 R407c空气源热泵

R407c 空气源热泵采用喷液技术，通过在压缩机腔体内直接喷液的方式可以解决环境温度较低时压缩机排气温度过高的问题。热泵运行环境温度范围-30～43℃，生产高温热水达60℃。但是，考虑蒸发温度与环境温度之间应有温差才能实现从空气环境中吸收热量，因而R407c空气源热泵压缩机采用喷液技术下的最低蒸发温度一般为-28℃，其应用在热泵机组内最低的环境温度也不会低于-28℃。

R407c 空气源热泵机组的工作流程如图1 所示。液态制冷剂经冷凝器后分为两路，一路经膨胀阀进入蒸发器吸热，另一路则经喷液阀喷入压缩机压缩腔内，实现排气温度的下降。只有当排气温度高于某一设定值时喷液阀开启，排气温度降低则喷液阀关闭，整个系统制冷剂循环量只有在喷液阀开启时才会增加，其他运行时间则没有制冷剂流量的增加。因此，从根本上说，排气温度低于设定值时，系统能效和制热量并没有增加，即喷液技术的应用拓宽了空气源热泵(冷水)机组运行的环境温度范围，在制热量和能效水平上并未显著提升。

图1 R407c空气源热泵机组系统

1.2 R410a空气源热泵

R410a 空气源热泵采用压缩机中间补气技术，主要解决了空气源热泵在冬季工作时由于排气温度过高而造成的机组不稳定和制热量偏低的问题。压缩机中间补气技术应用于热泵系统中主要分为2 种[7-8]，一种是带有经济器的补气热泵系统，如图2 所示；另一种是带有储液补气罐的补气热泵系统，如图3 所示。相较于第2 种补气方式，第1 种可以保证适当的中间补气过热度并增加制冷剂的过冷度，因而目前市场上多采用第1种补气方式。

图2 带有经济器的补气热泵系统

图3 带有储液补气罐的补气热泵系统

在带有经济器的补气热泵系统中，R410a 被压缩机压缩成高温高压的过热气体后进入冷凝器放热，冷凝为高压液体；高压液体在冷凝器后分为两路，大部分液体直接进入经济器，与另一路经过补气膨胀阀的少部分制冷剂在经济器内换热，主路大部分的制冷剂释放热量降温得到更多过冷度，利于系统能效比的提高，经过补气膨胀阀的少部分制冷剂降压降温以气液两相态在经济器内吸收主路制冷剂的热量；当环境温度低于某一设定值时，补气回路膨胀阀开启，在经济器中吸热的少部分制冷剂以居于蒸发压力和冷凝压力之间的中间压力喷入压缩机，参与压缩过程；而经过经济器进一步过冷后的大部分制冷剂经主膨胀阀膨胀后进入蒸发器，在蒸发器内以低于环境温度的蒸发温度吸收空气侧热量而蒸发成为具有一定过热度的制冷剂蒸气，随后进入压缩机，参与压缩机压缩过程。

与应用喷液技术的R407c 空气源热泵相比，压缩机中间补气技术能够在大幅度降低压缩器排气温度的同时提升系统制热量。因此，R410a 空气源热泵机组大多可以在-20～43℃的外部环境温度下运行，供给的热水出水温度可达到55℃(在较高环境温度下)，在供暖侧末端采用风机盘管或地板辐射采暖的情况下，基本可以实现室内供暖需求的温度。在实际应用中，供回水温度设定在45℃/40℃运行工况下，最低可在-25℃的环境温度下运行，但其能效比较低，在实验室测得的能效比为1.4。考虑冬季供暖初期、末期环境温度相对较高的时间在整个供暖时间段占有较大比例，供暖期的综合能效在全国绝大部分区域基本在2.0以上。

1.3 CO2空气源热泵

CO2作为一种天然制冷剂，其代表了节能、环保制冷剂的发展方向。CO2作为一种制冷剂在19世纪已应用于制冷行业，但随着现代合成制冷剂的发展而被淘汰。随着基础工业的发展，CO2作为节能环保制冷剂再次进入专业研究领域的范围。现代CO2制冷系统最早是由前国际制冷协会主席LORENTZEN G提出[9]，并对整个系统进行了详尽的研究。跨临界CO2制热系统如图4所示。

相较于R407c 和R410a 热泵系统，跨临界CO2热泵系统有以下运行特点[10-11]：一是蒸发温度低于30.98℃，从而对蒸发器侧换热介质的温度提出了限制条件；二是热力循环过程为跨临界循环，压缩机排气压力高于CO2的临界压力7.377 MPa，系统运行压力远高于R407c、R410a 等其他制冷剂的运行压力，由此对换热器部件、压缩机、四通换向阀和管路等提出了严格的安全性要求；三是气体冷却器内CO2的温度和压力是相互独立的，其温度的变化取决于外部介质的流量和进口温度，基于此CO2热泵机组可以生产较高温度的热水，最高出水温度可达95℃；同时CO2具有良好的迁移特性、较高的导热系数和定压比热，蒸汽密度小、动力粘度小、表面张力小等优越的物理特性，因而在相同输入功率下，CO2热泵机组的体积都比较小。

图4 跨临界CO2制热系统

跨临界CO2热泵系统虽然运行压力较高，但在低环境温度运行时，实际压缩比远小于常规合成制冷剂在相同运行工况下的压缩比。因此，跨临界CO2热泵系统本身具备了低温热泵运行的条件，市场现有跨临界CO2热泵机组最低运行环境温度为-25℃。

2 经济性分析

2.1 应用概况

2017 年以来某工务段在沿线工区探索通过“煤改电”工程的方式陆续安装不同类型的空气源热泵机组，为保证对比研究的合理性，选取了安装使用不同制冷剂空气源热泵且供暖面积相近的3 个地点进行对比，安装地点及空气源热泵供暖状况如表1所示。

表1 空气源热泵制冷剂及供暖面积情况

目前铁路沿线站段建筑供暖末端主要为暖气片，由于R410a 和R407c 空气源热泵出水温度相对较低，为保证供暖效果，供暖末端需改造为风机盘管。CO2空气源热泵出水温度高，在低环境温度下仍能高效制热，因而末端采暖形式可直接使用原有暖气片，无需改造。

2.2 不同空气源热泵能耗比较

表2 给出了各安装地点热泵供暖系统冬季供暖达到《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中寒冷地区室内供暖温度要求(18 ～24℃)[12]的月平均能耗情况。其中，CO2空气源热泵每月耗电为18.58 kW·h/m2，R410a 空气源热泵每月耗电22.03 kW·h/m2，R407c 空气源热泵每月耗电20.27 kW·h/m2。经比较，CO2空气源热泵每平米每月耗电量最少。

结合不同空气源热泵性能特点和末端采暖形式进行分析可知，R410a 和R407c 空气源热泵在相对较高的环境温度下运行具有较高的能效比，但当天气寒冷时其能效比下降较快，为保证相同的室内供暖需求，制热能耗将会明显增加，并且室内采用风机盘管将进一步增加系统耗电量，造成了供暖系统较高的供暖能耗。而CO2空气源热泵出水温度高，在低环境温度下更能凸显其能效比高、制热能耗低的特点，同时末端为暖气片的供暖形式无需耗电即能实现室内供暖，节省了供暖系统末端的能耗，从而在供暖系统的整体节能效果上表现出较大优势。

2.3 不同空气源热泵综合经济成本分析

在3种空气源热泵供暖系统建设的投资费用方面，CO2空气源热泵由于其技术特点造成较高的生产成本，因此其热泵机组建设投入高于另外2 种热泵，约为另外2 种热泵的1.5 ～2.5 倍。但是，使用CO2空气源热泵可直接连接建筑原有暖气片进行供暖，无需改造末端形式，节省了末端改造费用。R410a 和R407c 空气源热泵的建设投资包括热泵系统投入和供暖末端改造投入，由于空气源热泵供暖系统的投资费用主要集中在热泵机组部分，因而R410a 和R407c 空气源热泵的建设总投资仍略低于CO2空气源热泵。

根据不同空气源热泵的投资成本和运行能耗情况可知，空气源热泵应用场景不同则获得的经济效益也会不同。因此，在实际工程应用中对空气源热泵型式的选择应综合考虑应用建筑的气候条件、改造条件和供暖需求等因素，从而实现空气源热泵供暖系统经济效益的最大化。对于环境温度相对较高且具有供暖末端改造条件的建筑，应用R410a 或R407c 空气源热泵匹配风机盘管，能够保证供暖要求并可降低投资成本。对于环境温度相对较低的建筑，采用R410a 或R407c 空气源热泵将出现制热能效降低、运行能耗增加的情况，甚至会出现在极端天气下由于环境温度过低造成机组无法正常工作而停机的现象，严重影响供暖效果和供暖系统可靠性。在此情况下宜采用CO2空气源热泵，一方面，随着环境温度的降低，CO2空气源热泵的性能优势逐渐凸显，能够充分发挥出水温度高、运行能耗低的特点，保证室内供暖较高的舒适性；另一方面，CO2空气源热泵能够制取高温热水的特点使其可以直接连接建筑物既有暖气管网，无需进行末端改造，从而降低供暖系统改造难度和投资成本，提高系统经济性。