張春林 程港 錢志博

中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司

北方農(nóng)村地區(qū)的采暖大多是以家庭為單位的分散式燃煤形式，存在著能源利用率低、污染大、不便于管理等缺點(diǎn)。市場(chǎng)需求和政策導(dǎo)向均在尋找更加清潔的替代技術(shù)?？諝庠礋岜檬禽^適宜的清潔能源，相對(duì)常規(guī)的單級(jí)壓縮空氣源熱泵，雙級(jí)壓縮空氣源熱泵在低溫情況下的高效性和可靠性更能適應(yīng)北方農(nóng)村的供暖需求。本文結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的供暖特點(diǎn)比較了單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)和雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)在煤改電項(xiàng)目中設(shè)計(jì)參數(shù)的差異，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例的運(yùn)行效果對(duì)農(nóng)村地區(qū)煤改電項(xiàng)目得出了肯定的評(píng)價(jià)，并對(duì)雙級(jí)壓縮低溫型空氣源熱泵的推廣和應(yīng)用中的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 技術(shù)分析

常規(guī)空氣源熱泵一般為單級(jí)壓縮式循環(huán)（圖1）。單級(jí)壓縮式循環(huán)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器組成，其工作過(guò)程主要由以下4個(gè)步驟完成[1]：制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量并由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)；壓縮機(jī)將低溫低壓制冷劑氣體壓縮，排出高溫高壓氣體；在冷凝器中放熱冷凝為高壓液體；經(jīng)過(guò)節(jié)流機(jī)構(gòu)降壓得到對(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫度的低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。再次循環(huán)。

圖1 單級(jí)壓縮流程圖

雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，是指來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑的低壓蒸汽要經(jīng)過(guò)低壓與高壓壓縮機(jī)兩次壓縮后，才進(jìn)入冷凝器，并在兩次壓縮中間設(shè)置中間冷卻器（圖2）。

圖2 雙級(jí)壓縮流程圖

為了便于研究將循環(huán)簡(jiǎn)化為理論循環(huán)，即壓縮過(guò)程為等熵過(guò)程，在冷凝器各蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值；制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)沒(méi)有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外制冷劑與管外介質(zhì)之間沒(méi)有熱交換，制冷劑在流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒(méi)有熱交換。

圖3 理論循環(huán)的lgp-h圖

現(xiàn)通過(guò)對(duì)理論熱泵循環(huán)進(jìn)行熱力分析比較。根據(jù)農(nóng)村建筑的采暖系統(tǒng)要求，采暖期室外設(shè)計(jì)溫度基本在-5℃～-15℃，供回水溫度一般以55/45℃為宜，初末寒期回水溫度可以到40℃[2]。故設(shè)計(jì)條件蒸發(fā)溫度-20℃，冷凝溫度60℃，制冷劑采用環(huán)保制冷劑R134a。由此可以得到以下壓焓圖（lgp-h圖）。如圖2所示，查壓焓圖可確定熱力循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。

相同的設(shè)計(jì)工況，單級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮機(jī)入口狀態(tài)和雙級(jí)壓縮循環(huán)的低壓壓縮機(jī)的入口狀態(tài)均是1點(diǎn)。單級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮機(jī)出口狀態(tài)為2點(diǎn)，雙級(jí)壓縮的低壓級(jí)出口狀態(tài)為a點(diǎn)，高壓級(jí)出口狀態(tài)為2s點(diǎn)。各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

表1 熱力狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

由此可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)條件下單級(jí)壓縮循環(huán)的排氣溫度為73.14℃，而雙級(jí)壓縮循環(huán)的高壓排氣溫度為63.62℃，低于單級(jí)壓縮循環(huán)。這一點(diǎn)也可以從圖上直觀的看出。單級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮比為12.81，而雙級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮比為3.56。

常見(jiàn)的空氣源熱泵一般采用螺桿壓縮機(jī)，螺桿壓縮機(jī)一般采用噴油冷卻，單級(jí)排氣溫度一般不能超過(guò)100℃。普通空氣源熱泵在低溫環(huán)境下工作時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度上升，因而不能實(shí)現(xiàn)在低溫工況下的運(yùn)行。并且較高的排氣溫度需要更大的油冷卻能力，這無(wú)疑增加了設(shè)備本體的成本。單級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮比一般不超過(guò)8～10，雙級(jí)壓縮循環(huán)能夠很好的解決壓縮比過(guò)大的問(wèn)題。壓縮機(jī)的容積效率與壓縮比成反比關(guān)系。單級(jí)循環(huán)的壓縮機(jī)容積效率將低于雙級(jí)壓縮循環(huán)的壓縮機(jī)。除此之外，單級(jí)螺桿壓縮循環(huán)在部分負(fù)荷情況下運(yùn)行效率會(huì)降低，雙級(jí)螺桿壓縮循環(huán)具有更好的調(diào)節(jié)性能，運(yùn)行效率的變化較為平緩[3]。

圖4 單級(jí)壓縮運(yùn)行范圍

綜上所述，雙級(jí)壓縮相對(duì)于單級(jí)壓縮的壓縮比小，摩擦損失等不可逆因素的影響小，可以實(shí)現(xiàn)比單級(jí)壓縮更大的溫差；并且雙級(jí)壓縮的排氣溫度得到降低，故障率減小，運(yùn)行的安全可靠性好。

圖4、5分別為常規(guī)空氣源熱泵和雙級(jí)壓縮空氣源熱泵的運(yùn)行范圍。

圖5 雙級(jí)壓縮運(yùn)行范圍

當(dāng)然，雙級(jí)壓縮也有其不利的一面。從工程實(shí)用的角度看，與單級(jí)壓縮比較，采用雙級(jí)壓縮時(shí)操作調(diào)節(jié)的工作量和難度增加。由于雙級(jí)壓縮系統(tǒng)增加了中間冷卻器，增加了閥門，使用中增加了對(duì)設(shè)備的管理維護(hù)。這當(dāng)然相較于其優(yōu)勢(shì)而言也是無(wú)可厚非的。

2 項(xiàng)目實(shí)例

北京市海淀區(qū)無(wú)煤化空氣源熱泵集中供暖項(xiàng)目大規(guī)模采用低溫空氣源熱泵作為熱源，這個(gè)項(xiàng)目共涉及到4個(gè)鎮(zhèn)、7個(gè)街道下轄的23個(gè)社區(qū)，幾千戶居民100余萬(wàn)m2供暖面積，共設(shè)計(jì)40余個(gè)集中低溫空氣源熱泵供熱站房?，F(xiàn)在此項(xiàng)目已經(jīng)完整運(yùn)行了一個(gè)采暖季，以其中的西北旺鎮(zhèn)喬莊熱源站為例反映低溫空氣源熱泵在低溫情況下的運(yùn)行效果。

該熱源站負(fù)責(zé)供熱面積16398 m2，綜合熱負(fù)荷指標(biāo)為85 W/m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1394 kW。該片區(qū)戶內(nèi)使用散熱器采暖系統(tǒng)，站房設(shè)計(jì)供回水溫度55/45℃。站房共設(shè)置4臺(tái)雙級(jí)壓縮低溫型螺桿式空氣源熱泵，型號(hào)為AZ-5340W/DLTDA，在室外空調(diào)設(shè)計(jì)溫度-9.9℃情況下單臺(tái)制熱量為443.3 kW，COP為2.57，進(jìn)出水溫度45/55℃。

根據(jù)2017年采暖季的運(yùn)行數(shù)據(jù)，低溫?zé)岜脵C(jī)組在最冷期可以保證設(shè)計(jì)條件，滿足供水溫度55℃，運(yùn)行效果良好，得到了用戶的好評(píng)。

3 應(yīng)用中的問(wèn)題

低溫型空氣源熱泵大規(guī)模應(yīng)用于集中供暖在北方地區(qū)尚為首例，這一次創(chuàng)新和實(shí)踐已在2017年采暖季取得成功，但是低溫型空氣源熱泵在北方煤改電中繼續(xù)發(fā)展尚需進(jìn)一步的技術(shù)討論和研究。低溫型空氣源熱泵雖然擴(kuò)大了空氣源的適用范圍，但是其固有的特性仍有許多問(wèn)題需要解決。

1）如何降低“冷島”現(xiàn)象

空氣源熱泵源源不斷地從空氣中提取熱量，這導(dǎo)致空氣源熱泵群周邊的氣溫不斷降低，與該區(qū)域周圍的氣溫存在明顯的差異。在上述的項(xiàng)目實(shí)例中也不同程度的出現(xiàn)了“冷島”現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)量熱源站房?jī)?nèi)空氣溫度與周邊空氣的正常溫度存在5℃左右溫差，這加劇了空氣源熱泵運(yùn)行效率的衰減，在最冷月無(wú)異于雪上加霜。由于前期模擬和風(fēng)險(xiǎn)的保守控制，設(shè)備的布置采取較大的間距，縱向布置間距1 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)布置間距2～3 m，在最冷運(yùn)行期間并未出現(xiàn)低溫報(bào)警現(xiàn)象。

空氣源熱泵機(jī)組的零排放特點(diǎn)決定其選址可以異于其他的熱源站房?？諝庠礋岜弥饕每諝庵械臒崃浚侠淼臍饬鹘M織可以保證適合的熱源。所以空氣源熱泵站房可以布置在冬季主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，或者在風(fēng)向上與村莊區(qū)域平行的位置。盡量避免氣流紊亂的區(qū)域。

其次考慮空氣源熱泵的布置形式。站房?jī)?nèi)機(jī)組與機(jī)組之間應(yīng)保持足夠的間距，機(jī)組的進(jìn)風(fēng)側(cè)距離建筑物墻面不應(yīng)過(guò)近，以免造成進(jìn)風(fēng)受阻。機(jī)組之間的間距一般應(yīng)大于2m，進(jìn)風(fēng)側(cè)距離建筑物墻面的距離應(yīng)大于1.5 m。這在上述項(xiàng)目中也得到了很好地證明。

低溫氣流密度增大導(dǎo)致下沉，空氣源熱泵風(fēng)機(jī)排出的低溫空氣很有可能堆積在周邊區(qū)域，為了更好的利用氣流，可以將空氣源熱泵站房做成2層的架空結(jié)構(gòu)，首層放置水泵等輔助設(shè)備及配電裝置，2層布置空氣源熱泵。上述項(xiàng)目中部分站房采用的就是這種做法。經(jīng)反映實(shí)際運(yùn)行效果要優(yōu)于低層布置的設(shè)備。

2）低溫供暖的實(shí)現(xiàn)

空氣源熱泵的制熱量，隨供水出水溫度的升高而減少，隨環(huán)境溫度的降低而減少。機(jī)組在制熱工況下的輸入功率，隨供水的出水溫度升高而增加，隨環(huán)境溫度的降低而減少。

這與農(nóng)村地區(qū)落后的供暖方式相矛盾。高溫供水降低了空氣源熱泵的運(yùn)行效率，提高了采暖成本，也對(duì)電力增加了負(fù)擔(dān)。故對(duì)“煤改電”區(qū)域應(yīng)結(jié)合棚戶區(qū)改造、市容管理等工作，淘汰老式鑄鐵式散熱器，推廣新型低溫型散熱器。

3）轉(zhuǎn)變采暖消費(fèi)理念。

受長(zhǎng)期以來(lái)的觀念、習(xí)慣等因素影響，相當(dāng)數(shù)量的取暖用戶仍依賴傳統(tǒng)、落后的供暖方式滿足取暖需求，對(duì)清潔供暖方式接受度較低。應(yīng)結(jié)合典型案例，擴(kuò)大宣傳“煤改電”的綜合效益和邊際使用等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：

1）雙級(jí)壓縮空氣源熱泵技術(shù)是成熟的，可以滿足低溫條件下的供暖需求。經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季的運(yùn)行展現(xiàn)出該項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力。

2）伴隨雙級(jí)壓縮空氣源熱泵技術(shù)的推廣，北方農(nóng)村地區(qū)的供暖尚有很多的工作需要同步進(jìn)行，如加強(qiáng)建筑節(jié)能改造，發(fā)展與空氣源熱泵技術(shù)相適應(yīng)的低溫供暖技術(shù)等。