黃茵

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

節(jié)能管理與技術(shù)

利用CO2空氣源熱泵替代鐵路系統(tǒng)洗浴蒸汽鍋爐技術(shù)研究

黃茵

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

根據(jù)我國北方地區(qū)鐵路洗浴用熱水采用蒸汽鍋爐作為熱源的特點(diǎn)及面臨被淘汰的情況，介紹了CO2空氣源熱泵的技術(shù)特點(diǎn)和節(jié)能環(huán)保特性，對(duì)利用CO2空氣源熱泵作為熱源的熱水系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)儲(chǔ)熱容積、熱源配置方案進(jìn)行了分析。

CO2空氣源熱泵；蒸汽鍋爐；熱水系統(tǒng)

我國北方地區(qū)鐵路站段洗浴用熱水一般采用蒸汽鍋爐進(jìn)行制取，即利用蒸汽鍋爐生產(chǎn)的蒸汽通過蒸汽管道進(jìn)入水箱中，蒸汽液化所放出的熱量對(duì)冷水進(jìn)行加熱。然而蒸汽鍋爐在運(yùn)行中有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)燃煤鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵、SO2、NOx等污染物是我國大氣污染的主要源頭，也是造成冬季霧霾天氣的重要原因。國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]明確提到“到2017年，地級(jí)以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10蒸噸以下的燃煤鍋爐?！?我國鐵路站段洗浴用熱源以小容量燃煤蒸汽鍋爐居多，根據(jù)節(jié)能減排工作的需要，應(yīng)及時(shí)取消這些燃煤蒸汽鍋爐，并采取有效的替代措施。

根據(jù)鐵路站段洗浴用熱水的相關(guān)要求，可選擇燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、太陽能熱水系統(tǒng)、電鍋爐、電加熱器、熱泵等熱源設(shè)備，其中燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用較高，太陽能熱水系統(tǒng)受太陽光照的限制，電鍋爐、電加熱器與熱泵通過消耗電能產(chǎn)生熱量，不產(chǎn)生任何污染物，但電鍋爐、電加熱器運(yùn)行效率較低，因此采用熱泵作為燃煤蒸汽鍋爐的替代熱源，無論是在節(jié)能環(huán)保還是在經(jīng)濟(jì)效益方面都具有較強(qiáng)的比較優(yōu)勢(shì)。

1 CO2空氣源熱泵介紹

普通的空氣源熱泵和地源熱泵等熱泵設(shè)備都使用含氟的制冷劑如R12、R22、R407A、R407C等。含氟制冷劑對(duì)環(huán)境有破壞作用，R12型制冷劑已經(jīng)停止使用，R22型制冷劑到2020年也要停止使用。CO2空氣源熱泵采用自然工質(zhì)CO2作為制冷劑，具有良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，不產(chǎn)生任何污染物排放，同時(shí)由于采用超臨界循環(huán)，CO2氣體在氣冷器中有較大的溫度滑移，能夠獲得高溫?zé)崴?，在高溫?zé)崴闹苽浞矫嬗休^大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在較低的溫度下能夠正常使用[2-3]?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，CO2空氣源熱泵是替代洗浴用蒸汽鍋爐的理想熱源[4]。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)從系統(tǒng)組成上看包含熱源系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及末端系統(tǒng)，其中熱源系統(tǒng)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)是熱水系統(tǒng)中最重要的組成部分，本文將根據(jù)使用需求對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)及熱源系統(tǒng)的配置開展研究[5]。

2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)容積確定方案

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的儲(chǔ)熱設(shè)備(儲(chǔ)熱水箱)的有效容積按供應(yīng)熱水的時(shí)間可分為全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)和定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

2.1 全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)

全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱的有效容積，應(yīng)根據(jù)日耗熱量、空氣源熱泵持續(xù)工作時(shí)間及熱泵工作時(shí)間內(nèi)耗熱量等因素確定，其中全日制熱水供應(yīng)系統(tǒng)指在全日、工作班或營業(yè)時(shí)間內(nèi)不間斷供應(yīng)熱水的系統(tǒng)，如鐵路乘務(wù)員公寓。當(dāng)因素不確定時(shí)按下式計(jì)算：

(1)

式中：

Vr為貯熱水箱(罐)有效容積，L；Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h；Qg為設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，kJ/h；T為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間，h；η為有效貯熱容積系數(shù)，貯熱水箱、臥式貯熱水罐η=0.80～0.85，立式貯熱水罐η=0.85～0.90；k2為安全系數(shù)，k2=1.10～1.20；ρr為熱水密度，kg/L；C為水的比熱，C=4.187，kJ/kg·℃；tr為熱水溫度，一般tr=60，℃；tl為冷水溫度。

其中Qh根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015—2010中5.3.1中第二條的規(guī)定按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：

Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h；m為用水計(jì)算單位數(shù)(人數(shù)或床位數(shù))；qr為熱水用水定額；ρr為熱水密度，kg/L；T為每日使用時(shí)間，h；Kh為小時(shí)變化系數(shù)。

其中Qg根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50015—2010中5.4.2B1中第三條的規(guī)定進(jìn)應(yīng)下式計(jì)算：

(3)

式中：

qr為熱水用水定額；m為用水計(jì)算單位數(shù)，人數(shù)或床位數(shù)；T1為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，取12h～20h，h/d；k1為安全系數(shù)，k1=1.05～1.10；其余見(1)式說明。

2.2 定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)

定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的貯熱水箱(罐)的有效容積宜為定時(shí)供應(yīng)最大時(shí)段的全部熱水量，其設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量按下式計(jì)算：

Qh=∑qh(tr-t1)ρrnobC

(4)

式中：

qh為衛(wèi)生器具熱水的小時(shí)用水定額，L/h；no為同類型衛(wèi)生器具數(shù)；b為衛(wèi)生器具的同時(shí)使用百分?jǐn)?shù)；其余見(1)式說明。

則設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量可根據(jù)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量按下式計(jì)算：

(5)

式中：

qrh為設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量，L/h；其余見(1)式說明。

3 熱源系統(tǒng)配置方案

3.1 CO2空氣源熱泵機(jī)組的配置

根據(jù)對(duì)國內(nèi)CO2空氣源熱泵機(jī)組的生產(chǎn)廠家調(diào)查，現(xiàn)有比較成熟的產(chǎn)品系列為：7HP、20HP、25HP、35HP四種。CO2空氣源熱泵機(jī)組全部采用計(jì)算機(jī)控制，數(shù)碼顯示屏能夠?qū)崟r(shí)顯示“環(huán)境溫度、熱泵機(jī)組進(jìn)水溫度、回水溫度、水箱內(nèi)實(shí)際溫度、排氣壓力、吸氣壓力、工作電壓、工作電流、單次工作時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)”，可以任意進(jìn)行溫度設(shè)定(≤85℃范圍內(nèi))，在達(dá)到設(shè)定最高溫度時(shí)自動(dòng)停機(jī)；達(dá)到設(shè)定的最低溫度時(shí)自動(dòng)開機(jī)，具有出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警并顯示故障點(diǎn)功能，基本上可以做到無人值守[6]。

確定CO2空氣源熱泵機(jī)組的配置臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)水箱容積及機(jī)組的制熱量來綜合進(jìn)行確定，即根據(jù)水箱容積計(jì)算水箱中冷水加熱一次所需的耗熱量，及熱泵機(jī)組在不同環(huán)境溫度下的制熱量，并以此來計(jì)算單臺(tái)機(jī)組加熱時(shí)間，綜合考慮熱泵機(jī)組配備的數(shù)量。水箱中冷水加熱一次所需的耗熱量為：

(6)

式中：

Q為水箱中冷水加熱一次的耗熱量，kW；Vr為水箱容積，m3；其余見(1)式說明。

則單臺(tái)機(jī)組加熱時(shí)間為：

(7)

式中：

q為單臺(tái)機(jī)組的制熱量，kW；k為熱水管網(wǎng)的熱損失；其余見(1)式說明。

空氣源熱泵的制熱量與環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)機(jī)組的制熱量將減少，因此在計(jì)算單臺(tái)機(jī)組加熱時(shí)間時(shí)所選用的單臺(tái)機(jī)組的制熱量應(yīng)考慮熱泵機(jī)組的形式及當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，當(dāng)采用分體機(jī)時(shí)(空冷器放在室外)，熱泵機(jī)組制熱量應(yīng)為當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的制熱量，當(dāng)采用一體機(jī)并放置室內(nèi)時(shí)，熱泵機(jī)組的制熱量取室內(nèi)環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的的制熱量[7]。

在計(jì)算得到單臺(tái)機(jī)組的加熱時(shí)間后，根據(jù)實(shí)際使用狀況對(duì)機(jī)組數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)洗浴次數(shù)較為頻繁、用熱水量較大時(shí)，適當(dāng)增加機(jī)組配置的數(shù)量，直到能夠滿足使用要求為止。

3.2 輔助電加熱的配置

考慮到CO2空氣源熱泵的制熱量隨著環(huán)境溫度的降低會(huì)有所減少，特別是在-20℃以下的環(huán)境溫度時(shí)熱泵機(jī)組的COP值將小于1(處于費(fèi)能狀態(tài))，為了保證極寒地區(qū)或極端溫度下洗浴用熱水的正常供應(yīng)，考慮配備一定的輔助電加熱對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱(使用電加熱時(shí)，可停止使用熱泵機(jī)組)。電加熱配備的原則與CO2空氣源熱泵的配備原則一致，需要保證電加熱的制熱量與機(jī)組的制熱量基本相符，而電加熱的效率能夠達(dá)到95%以上，因此，一般情況下配備與制熱量相同功率的電加熱即可滿足使用。

4 小結(jié)

本文根據(jù)我國北方地區(qū)鐵路站段洗浴用熱水的特點(diǎn)，對(duì)利用CO2空氣源熱泵作為熱源替代蒸汽鍋爐的技術(shù)開展研究，研究了儲(chǔ)熱容積、熱源的配置方案。通過應(yīng)用CO2空氣源熱泵作為熱源，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物的零排放，減少能源消耗及人工數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 國發(fā)[2013]37號(hào).大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[S]．

[2] 周英濤．CO2熱泵技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2013.

[3] 李濤.跨臨界CO2壓縮式熱泵系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2012.

[4] 范曉偉．CO2熱泵系統(tǒng)及其應(yīng)用前景[J]．制冷與空調(diào)，2002，2(2)：1-5.

[5] 王侃宏，王景剛，侯立泉．CO2跨臨界水-水熱泵循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．暖通空調(diào)，31(3)：1-4.

[6] 熊立貴，王岸林，譚永林．二氧化碳熱泵熱水器研究及產(chǎn)品開發(fā)[J]．技術(shù)創(chuàng)新，2012(5)：32-35.

[7] GB/T 21362—2008,商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)[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

中國鐵道科學(xué)研究院院基金項(xiàng)目《利用CO2空氣源熱泵替代鐵路系統(tǒng)生產(chǎn)用蒸汽鍋爐技術(shù)研究》(2014YJ037)。

黃茵(1963—)，女，湖南衡陽人，碩士，副研究員，從事節(jié)能管理、技術(shù)研究工作。

TU832

B