CO2-R134a 复叠式空气源热泵系统工程设计与应用

2024-03-01陈亚波

建筑与预算 2024年1期

陈亚波

（光大水务·徐州市市政设计院有限公司，江苏南京 211110）

我国严寒地区冬季气温较低，冬季室外采暖计算温度区间为-5～-25 ℃，在北方严寒及寒冷城市区域，通常会有市政热力集中供热，通过质调节或者量调节等手段可以应对冬季室外气温变化。城市郊区或者远离城市偏远地段，市政基础设施不够完善，热源如何解决成为难题。

CO2的临界温度(31.1 ℃)较低，作为冷热媒介质时，采用跨临界或亚临界循环，冷凝侧排气温度较高，适合用于复叠式热泵系统的低温侧循环。但处于高温状态时，压缩压力相对较高，蒸发量相对较少，没有常用的普通冷媒（如R134a 等）效果好。空气源热泵常规条件下使用的冷媒，沸点相对较高，如R134a的沸点为-26.1℃，但随着室外环境气温的降低，蒸发温度和制冷剂质量流量随之下降，低温工况下的单位质量制热量也会降低，机组的制热量急剧下降，环境温度低于-20 ℃正常运行较困难。CO2-R134a 复叠式空气源热泵将普通冷媒热泵（高温侧）与CO2热泵（低温侧）技术相复叠，用于室外低温环境中高效制热，有效解决低温环境下普通空气源热泵制热量及制热性能低，CO2空气源热泵高温工况时能效提高趋势变缓等问题。

1 项目概况

项目为张掖市某新建自来水厂配套供暖工程，厂区内包含生产性用房（净水车间、送水泵房等）及综合楼等，总建筑面积约6 700 m2。当地冬季室外采暖计算温度为-13.7 ℃，室外通风计算温度为-9.7 ℃，室外极端最低温度-28.2 ℃。生产性用房、综合楼冬季室内设计温度分别为10 ℃、20 ℃。供暖末端采用铸铁散热器，设计供、回水温度75 ℃/50 ℃。

2 供热系统设计

2.1 设计初期方案选择项目

周边没有集中供热热源，无法采用市政热力及燃气锅炉。项目位于甘肃省河西走廊中部，为大气污染重点防治区域，按照当地政策无法采用燃煤锅炉。水源热泵机组制热时水温要求在10 ℃以上，依据可研报告，项目冬季地表水可降低到4 ℃以下，机组存在蒸发器冻坏或停机风险，故无法使用水源热泵。电锅炉蓄热供暖可以在设计选型及运行方式上依据峰谷时段电价差异的特点，节约运行电费，同时对电网起到移峰填谷的作用，可采用蓄热电锅炉作为热源。CO2-R134a 复叠式空气源热泵综合CO2和R134a 冷媒的优势，对整体能效比进行相应提升，出水温度可达80 ℃，可考虑作为热源。

2.2 热源系统设计

2.2.1 供暖运行负荷分析

张掖地区冬季供暖期为11月初至次年3月末，共150 d。通过调查往年逐时气象参数，张掖地区冬季昼夜温差波动较大，计算采用最冷月最冷日为典型计算日。采暖季典型计算日逐时热负荷分布，见图1。

图1 典型计算日逐时热负荷

按照甘肃省峰谷电价实施政策，结合各供暖时段时长，计算各时段供暖热负荷。高峰时段为7:00～9:00、18:00～24:00，供暖热负荷为2 726 kW；低谷时段为2:00～4:00、11:00～17:00，供暖热负荷为2 206 kW；平段为0:00～2:00、4:00～7:00、9:00～11:00、17:00～18:00，供暖热负荷为2 856 kW。甘肃省电价高峰时段为0.88 元/kW·h，平段为0.59 元/kW·h，低谷时段为0.31 元/kW·h。

2.2.2 蓄热电锅炉

设计选用常压锅炉，蓄热锅炉出口温度80 ℃，回水温度55 ℃。蓄热电锅炉水箱蓄热后通过板式换热器后，向末端供热。蓄热式电锅炉房容量大小、投资及运行费用与其运行方式有关。蓄热式电锅炉运行方式分为全谷电运行方式和谷电+平电运行方式（又分为只供不蓄和边供边蓄）。全谷电运行方式锅炉容量、变配电器、蓄热水箱等设备相对较大，初投资费用较高，但采暖运行费用相对较低；谷电+平电运行方式锅炉，反之。

A.锅炉容量选型计算依据如下：

锅炉计算容量=蓄热锅炉热负荷+值班锅炉热负荷；蓄热锅炉负荷Nx=Wx/Tx（kW）；值班锅炉负荷Nz=谷电时段建筑物所需热负荷（kW）；锅炉计算负荷Nj=Nx+Nz（kW）；

Wx-蓄热装置供热的时间段内所需热量（kW）；Tx-蓄热时长（h）。

B.蓄热水箱体积计算依据如下：

式中：N为设计选用锅炉功率（kW）；Tx为蓄热时长（h）；Δt为水箱的蓄热温差（℃）；η1为热水箱的保温效率，取95%；η2为蓄热水箱的容积系数，取95%；ρ为热水密度，取1 000 kg/m3。

项目按照以下3 种方案进行技术经济性分析。方案一采用全谷电运行方式，低谷电时段开启电锅炉，将蓄热水箱中的水加热至80 ℃，同时向用户供热；平、峰电时段关闭电锅炉，用蓄热水箱中的热水向用户供热。方案二采用谷电+平电只供不蓄方式，低谷电时段开启电锅炉，将蓄热水箱中的水加热至80 ℃，同时向用户供热；峰电时段关闭电锅炉，用蓄热水箱中的热水向用户供热；平电运行时只向采暖系统供热，不向蓄热水箱供热。方案三采用谷电+平电边供边蓄方式，低谷电时段开启电锅炉，将蓄热水箱中的水加热至80 ℃，同时向用户供热；峰电时段关闭电锅炉，用蓄热水箱中的热水向用户供热；平电运行时既向采暖系统供热，又向蓄热系统蓄热。以下仅统计不同方案下电锅炉热水循环侧主要设备选型投资，见表1。

表1 3 种不同方案设备选型投资表

按照以上计算及选型结果，统计3 种运行方式下设备运行费用分析如表2 所示。

表2 冬季蓄热电锅炉供暖运行方式及费用分析

从表2 中看出，方案三谷电+平电边供边蓄方式初投资最低，运行费用最高；方案一全谷电运行方式初投资费用最高，运行费用为最低，相较于方案三静态投资回收期约为1.44年；方案二谷电+平电只供不蓄运行方式初投资相对适中，运行费用适中，相对方案三静态投资回收期约为1.11年。综合上述计算及分析，方案一、方案二更有利于节约运行费用，但方案二投资相对更低，蓄热水箱占地面积更小，建议采用方案二作为优选方案。

2.2.3 CO2-R134a 复叠式空气源热泵

CO2-R134a 复叠式空气源热泵冬季制热能效会随室外温度降低而减少，参照某设备品牌的样本及实验数据分析得到热泵在最冷月最冷日典型设计日的逐时温度下COP 变化值，如图2 所示。在7:00 时刻室外温度最冷设计温度为-24 ℃，热泵制热效率COP 值为2.15；在17:00 时刻室外温度最冷设计温度为-11.1 ℃，热泵制热效率COP 值为2.28；热泵制热效率COP 值均保持在2.1 以上。结合甘肃省用电峰谷电价时段，11:00～17:00 为低谷时段，而此时间段内室外温度环境相对较高，COP 处于相对较高状态，有利于系统制热。因此，可以考虑采用CO2-R134a 复叠式空气源热泵替换蓄热电锅炉，作为供热热源。

图2 典型计算日逐时温度下COP 及制热衰减值

在蓄热电锅炉设计中，已针对3 种不同运行方式下的方案进行经济技术分析，CO2-R134a 复叠式空气源热泵系统设计中主要是对应替换蓄热电锅炉设备，仅按照方案二运行方式下进行技术经济分析，关于蓄热部分选型不再赘述。CO2-R134a 复叠式空气源热泵循环侧设计选用主要设备参数如表3 所示。

表3 谷电+平电只供不蓄运行方式（CO2-R134a）复叠式空气源热泵系统选型投资表

按照逐时计算热负荷及热泵在逐时温度下的COP 值，谷电值班用电总功率为993 kW，蓄热用电总功率为1 240 kW，平时直供采暖用电总功率为1 310 kW，采暖季运行费用为22 万/年。对比蓄热电锅炉系统方案二，增量投资为75.3 万元，运营费用每年至少节约27 万元，静态投资回收期为2.78年。考虑到CO2-R134a 复叠式空气源热泵设计选型过程依据冬季最冷月最冷日为设计基础，整个采暖季运行周期内，其他时段COP 值均会有所提升，采暖季年运行费会更加节约。