傅永泉

摘 要：近年來隨著國家節(jié)能減排的高度重視，再次加強(qiáng)了人們對綠色能源的認(rèn)識與利用。本文結(jié)合近幾年清潔能源在農(nóng)村地區(qū)的推廣情況，通過介紹一項在新疆地區(qū)新能源改造項目，即使用二氧化碳熱泵機(jī)組對大步車站進(jìn)行采暖改造項目，了解二氧化碳熱泵機(jī)組在新疆大步車站聯(lián)合多能源控制平臺實地使用情況，解決其關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新內(nèi)容。并結(jié)合案例淺談清潔能源供暖在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用，探討幾點(diǎn)發(fā)展農(nóng)村地區(qū)清潔能源的設(shè)想和建議，實現(xiàn)清潔能源在農(nóng)村的大力推廣，形成可復(fù)制可實行應(yīng)用的方案。

關(guān)鍵詞：清潔能源;熱泵;多能互補(bǔ);跨臨界循環(huán);智慧供暖

0 引言

面對日趨嚴(yán)峻的大氣污染問題，國務(wù)院多次召開專題會議進(jìn)行工作部署，并陸續(xù)出臺了多個政策和配套措施，再次加強(qiáng)了人們對綠色能源的認(rèn)識與利用，鼓勵發(fā)展清潔能源供暖，提供政策和財政支持[1]。作為一種新能源設(shè)備的熱泵，是利用壓縮機(jī)做工來消耗少量電能以便將空氣中的低品位熱能提升到高品位熱能中。目前，大家已經(jīng)漸漸接受和推崇熱泵這種環(huán)保又高效的能力供給方式。通過以CO2作為制冷劑的熱泵機(jī)組對新疆大步車站進(jìn)行采暖改造，利用其在極低溫度下良好的熱物理性質(zhì)能進(jìn)行正常工作，并借由CO2跨臨界循環(huán)提供高溫出水的特點(diǎn)，以便用綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)節(jié)能的方式解決當(dāng)?shù)囟静膳膯栴}[2]。

當(dāng)前，我國大氣污染情況不容樂觀，化石能源的大量使用是造成嚴(yán)重霧霾的罪魁禍?zhǔn)?，其中冬季采暖煤耗對霧霾環(huán)境有 16.7%的“貢獻(xiàn)率”。黨的十九大會議精神指出，我們要進(jìn)一步提高群眾環(huán)境保護(hù)意識，著力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，不斷加快電能替代步伐，在全國推行油改電、煤改電、氣改電，從能源結(jié)構(gòu)及能源消耗上全面減少碳排放。傳統(tǒng)的依靠燃燒資源來進(jìn)行熱量供應(yīng)的采暖方式成本高、浪費(fèi)能源且造成諸多污染，因此傳統(tǒng)采暖方式亟需改變，分析推行電采暖技術(shù)的可行性非常必要。

1新疆地區(qū)新能源改造項目案例分析

1.1新疆大步站點(diǎn)條件分析

一、環(huán)境條件

位于新疆鄯善縣的新疆大步車站地處亞洲腹部，遠(yuǎn)離海洋，形成了獨(dú)特的溫帶大陸性氣候，夏季溫度高氣壓低，氣候炎熱且濕度大;冬季溫度低氣壓高，氣候干燥。春旱干燥、夏熱冬冷，全年熱量豐富且日照充足、晝夜溫差大、無霜期長。如果是普通熱泵，在零下-30～-40℃的條件下，機(jī)組無法運(yùn)行。當(dāng)前面對環(huán)境污染和能源危機(jī)雙重壓力，如何實現(xiàn)環(huán)保與節(jié)能是本行業(yè)不可避免的難題。

二、建筑條件

大步站點(diǎn)是一個綜合性鐵路站點(diǎn)，修建于1960年，建筑分為兩部分，總建筑面積約為2000m2。冬季供暖的熱源是煤鍋爐，供暖終端是明裝散熱片。兩處建筑均無保溫隔熱措施，通體采用磚混結(jié)構(gòu)，外窗均為塑鋼窗。

三、環(huán)境溫度對CO2熱泵系統(tǒng)的影響

從經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性角度來講，適合新疆地區(qū)的采暖方式有發(fā)熱電纜、電熱膜采暖，土壤源熱泵采暖，熱泵采暖及蓄熱電鍋爐分散采暖。通過對CO2熱泵進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)溫度為-20℃且冷凝溫度在75℃時機(jī)組制熱量在60kW，輸入功率為22.3kW，體積流量為14.57m3/h，COP為1.741，具有一定能效比。經(jīng)過熱力學(xué)分析中可以得出：在寒冷工況下需要一定出水溫度的運(yùn)行工況對于常規(guī)制冷劑來說只能望而止步了，對于CO2熱泵來說，極低的環(huán)境溫度下的優(yōu)良工作性質(zhì)并能進(jìn)行高溫出水是它的兩大特點(diǎn)，所以寒冷地區(qū)應(yīng)用CO2采暖是可以進(jìn)行實施的。

1.2 二氧化碳壓縮式熱泵

跨臨界二氧化碳水源熱泵機(jī)組的基本原理是：壓縮機(jī)吸氣閥將低溫氣態(tài)制冷劑CO2經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓 CO2氣體，之后進(jìn)入氣體冷卻器將熱量傳遞給供暖水并產(chǎn)生供暖熱水，從氣體冷卻器出來的CO2氣體流經(jīng)節(jié)流降壓后變成低溫低壓液態(tài)CO2進(jìn)入蒸發(fā)器。如圖3所示，在蒸發(fā)器中，低溫液態(tài)CO2吸收電廠循環(huán)冷卻水中的熱量而不斷蒸發(fā)并到達(dá)蒸發(fā)器出口時已全部變?yōu)榈蜏氐倪^熱干蒸氣，再回到壓縮機(jī)吸氣口，如此反復(fù)循環(huán)，從而達(dá)到供熱的目的[3] [4]。

二氧化碳的熱力學(xué)性能表明：相比其他制冷劑，二氧化碳具有較高的單位容積制冷量、較低的壓縮比、較好的傳熱性和流動性能;因為CO2是惰性氣體，因此不會燃燒或爆炸;同時CO2的價格也相對便宜，并維護(hù)起來方便。跨臨界CO2熱泵機(jī)組系統(tǒng)造價大大降低、運(yùn)行和維護(hù)簡單、安全可靠、使用壽命長等明顯優(yōu)勢[5]。

1.3解決的主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新內(nèi)容

1.3.1 除霜特性技術(shù)研究

為解決跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的結(jié)霜問題，對適用于跨臨界CO2循環(huán)的熱氣除霜方法進(jìn)行了實驗研究。通過搭建空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器實驗臺，以分析除霜過程中系統(tǒng)循環(huán)的變化規(guī)律及蒸發(fā)器的除霜特性，發(fā)現(xiàn)提高除霜效率的關(guān)鍵是增大氣體冷卻器出口的CO2氣體溫度是。根據(jù)試驗結(jié)果可以得出，熱氣除霜方法是用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)除霜的一種實用方法[6]。

1.3.2自尋優(yōu)排氣壓力控制策略關(guān)鍵技術(shù)研究

影響熱泵系統(tǒng)中最佳排氣壓力的主要因素是以跨臨界CO2熱泵單元為平臺的焓差室中進(jìn)行的熱性能測試。結(jié)果表明，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和空氣冷卻器的出口溫度存在最佳值[7]。大量的實驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)的最佳排氣壓力隨環(huán)境溫度、進(jìn)水溫度和出水溫度的降低而降低，這表明根據(jù)環(huán)境溫度和出水溫度預(yù)測最佳排氣壓力的方法是值得同行參考的有效方法。

1.3.3氣冷器運(yùn)行工況參數(shù)對最優(yōu)排氣壓力影響的關(guān)鍵技術(shù)研究

為了研究氣體冷卻器的換熱面積和內(nèi)部制冷劑質(zhì)量流速對跨臨界CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的性能及其最佳排氣壓力的影響，通過理論計算表明，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)CO2質(zhì)量流速不變時，增加氣體冷卻器的換熱面積可以提高系統(tǒng)制熱量和制熱能效比; 但是，由于壓降的影響，增加氣體冷卻器內(nèi)CO2質(zhì)量流速而換熱面積不變時，系統(tǒng)的性能系數(shù)則會先上升后降低。因此，在跨臨界CO2熱泵設(shè)計中，確定氣體冷卻器換熱面積及質(zhì)量流速對系統(tǒng)獲得較高的COP并維持最優(yōu)排氣壓力有著重要意義。

1.3.4 CO2熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)的技術(shù)研究

CO2熱泵熱水器采用水周期性往復(fù)流動的方法，以實現(xiàn)水與CO2制冷劑蒸發(fā)過程的變溫匹配，得到的循環(huán)過程類似于勞倫茲循環(huán)過程，可以很好地交換熱量。由于壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力，因此循環(huán)的吸熱過程是在亞臨界條件下進(jìn)行，而換熱過程主要是依靠潛熱來完成，但循環(huán)的冷卻換熱過程依靠顯熱[8]。在這種工況下，熱泵可將供水溫度提高到90℃以上，這與原來利用明裝暖氣片高溫差散熱的條件完全匹配。

2 農(nóng)村地區(qū)清潔能源供暖路徑探索

2.1 幾種清潔能源供暖利用方式

目前，農(nóng)村住戶主要以傳統(tǒng)的燃燒散煤的方式供暖，主要包括土暖氣、火坑和燃煤爐，少數(shù)年輕住戶采用空調(diào)采暖。這些供暖方式效率較低，且產(chǎn)生的煙氣嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。對于供暖能源消耗，農(nóng)村居民的供暖能耗占生活能耗的60%，比例最大。據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，目前新疆農(nóng)村的各種供暖方式中，燃?xì)忮仩t、燃煤鍋爐仍然是最主要的采暖方式，其中超過51%的供熱面積由燃煤鍋爐提供，超過 34.8%的供熱面積由燃?xì)忮仩t房保障，而清潔環(huán)保的電采暖方式所占比例不足 1.5%，另一方面自治區(qū)供熱面積還將持續(xù)增加，這為電采暖的推行提供了廣闊的空間。目前，電采暖按供熱形式可分為集中式電采暖和分散式電采暖。其具體方式如表1所示 ：

2.2清潔能源供暖在農(nóng)村應(yīng)用存在的問題

2.2.1 政府面臨的問題

政府在規(guī)劃建設(shè)方面上存在諸多問題，農(nóng)村環(huán)境往往不能滿足相關(guān)燃?xì)庠O(shè)施設(shè)計施工的規(guī)范技術(shù)要求 ：基礎(chǔ)設(shè)施不配套、建筑參差不齊、街道類型復(fù)雜、電線錯綜復(fù)雜缺乏規(guī)劃，對天然氣管道走線和燃?xì)庠O(shè)施的規(guī)范化安裝帶來極大的困難。清潔能源技術(shù)的使用受地理位置、場地、環(huán)境影響（噪音等）、投資成本及居民意愿等各方面因素限制，需要因地制宜，科學(xué)論證，確定采用清潔能源供熱方式。燃?xì)夤艿来蠖嗦裨诘叵?，燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)，會對原有路面耕地等產(chǎn)生影響，引發(fā)后續(xù)的修復(fù)問題。據(jù)調(diào)查，部分農(nóng)村地區(qū)內(nèi)部缺乏合理規(guī)劃，政府的多部門協(xié)調(diào)不足，宣傳力度不夠，農(nóng)戶不接受燃?xì)夤艿赖娜霊?，加大了施工難度和建設(shè)成本。

除基礎(chǔ)條件不足外，煤改電、煤改氣的規(guī)劃建設(shè)還需考慮到經(jīng)濟(jì)條件、氣候條件、資源條件，居民習(xí)慣等各方面因素，還需考慮縣城和城鄉(xiāng)結(jié)合、偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)供熱路線到底該如何選擇問題等，因此如何因地制宜進(jìn)行規(guī)劃成為農(nóng)村乃至全國各地區(qū)清潔能源供暖改革不可忽視的重要問題。

2.2.2 企業(yè)面臨的問題

相比于傳統(tǒng)的設(shè)備和企業(yè)運(yùn)行模式，新能源的運(yùn)行需要大量的資金支持設(shè)備翻新和企業(yè)調(diào)整，政府的補(bǔ)貼成為主要獎勵機(jī)制，長期的補(bǔ)貼政策不僅不利于企業(yè)的長久發(fā)展，政策取消后的改革推行也會舉步維艱，政府急需長久有效的獎勵機(jī)制促進(jìn)改革順利進(jìn)行。其次，政府對于新能源的宣傳并不到位，農(nóng)戶并不能從中認(rèn)識到可以取得的切實利益，新能源的改革缺乏大量的群眾支持。

項目建設(shè)及運(yùn)營成本高，設(shè)備投資和運(yùn)營成本相對于煤炭供熱還是較高，電力價格還需進(jìn)一步降低，若有當(dāng)?shù)仉娏Σ块T政策支持，將會對項目促進(jìn)很大;同時，清潔能源的推廣應(yīng)用還需政府資金支持，尤其農(nóng)村供暖地區(qū)，地方資金承擔(dān)較為困難。

2.2.3 農(nóng)村現(xiàn)住居民面臨的問題

農(nóng)村現(xiàn)住居民面臨安全隱患問題 . 在改造前大部分農(nóng)村居民一直通過傳統(tǒng)的柴或煤作為燃料供暖，操作簡單易懂，改造后，由于沒有使用新型供暖設(shè)備的經(jīng)驗，農(nóng)戶對基本操作和基本安全知識一竅不通，容易操作失誤導(dǎo)致火災(zāi)等事故，無法滿足正常的安全的供暖需求。尤其在如今的農(nóng)村地區(qū)，基本都是老人和小孩留守在家，如何保護(hù)他們避免危險成為一個不可忽視的重要問題。

農(nóng)村地區(qū)房屋多是單層非保溫建筑，單位面積能耗大，成本較高，企業(yè)供暖不積極，居民用電、用氣意愿不高。因此，政策與資金都應(yīng)配套進(jìn)行，而且清潔能源供熱技術(shù)的推廣還需進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳和推進(jìn)。

3發(fā)展農(nóng)村清潔能源幾點(diǎn)設(shè)想和建議

3.1外墻保溫

積極推廣建筑節(jié)能改造。一是樓房住宅改造，包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造、更換保溫門窗及屋頂。陽臺燈與室外環(huán)境相接觸部位的節(jié)能改造。二是農(nóng)村平房是電供熱區(qū)域內(nèi)建筑節(jié)能改造，對農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能改造，改善農(nóng)村住房保溫性能，降低建筑能耗。這樣可以有效提高室內(nèi)環(huán)境舒適度，減少能源消耗量。

農(nóng)村散居建筑面積大，覆蓋面大，全部采用墻體保溫，可大幅度節(jié)約供熱能耗，同時提高供熱質(zhì)量。

3.2農(nóng)村清潔供暖的思考

3.2.1 因地制宜進(jìn)行改造

對具有傳統(tǒng)民居特色具有保留價值房屋，以保留農(nóng)村歷史風(fēng)貌，不破壞外立面石材肌理為主要出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行危房改造。對使用量較大、具有節(jié)能改造潛力和建造年代較晚的磚砌房屋，以保溫效果最大化、施工便利為主要出發(fā)點(diǎn)重點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能改造。

3.2.2 探索清潔取暖新模式

通過探索清潔取暖新模式，形成可復(fù)制可推廣的經(jīng)驗。利用農(nóng)村特點(diǎn)，發(fā)展秸稈等生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源可經(jīng)“壓縮成型—焚燒—排放處理”，進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn);也可通過秸稈氣化在進(jìn)行燃?xì)夤?yīng);還可以發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，變?yōu)榍鍧嵞茉础?/p>

生物質(zhì)能源利用應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖、種植、生產(chǎn)生活污水排放等結(jié)合，形成生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。在生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，可結(jié)合扶貧等政策，列為扶貧項目，協(xié)同實施。實踐證明，循環(huán)生態(tài)經(jīng)濟(jì)是環(huán)保經(jīng)濟(jì)，也有著較好的投入產(chǎn)出比。涉及循環(huán)經(jīng)濟(jì)，最大限度的安排農(nóng)民就業(yè)，做到扶貧扶智，精準(zhǔn)扶貧;同時可使得農(nóng)村清潔能源供熱成本大幅度降低，使之能夠在農(nóng)村供暖得到順利推廣。

3.2.3 積極推進(jìn)能源互補(bǔ)的發(fā)展理念

通過發(fā)展能源互補(bǔ)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、指揮調(diào)度調(diào)節(jié)的冷、熱、暖三聯(lián)供，同時，打破地域、部門之間的界限，使各方受益。

研究做好清潔取暖和全域融合供熱專項規(guī)劃實施，按照城鄉(xiāng)一體化發(fā)展思路，打破集中供熱區(qū)域分割，統(tǒng)籌做好集中供熱和分戶清潔供暖同步推進(jìn)。

3.2.4 推進(jìn)“綠色多熱源互聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)

基于對新疆大步車站供暖改造的實例研究，結(jié)合國內(nèi)外前沿理論，本文認(rèn)為可以在我國農(nóng)村開展新型聯(lián)動供暖的供暖模式以推動能源變革實施，通過新型聯(lián)動供暖模式解決能源變革推廣的諸多難題，實現(xiàn)“綠色多熱源互聯(lián)網(wǎng)”。經(jīng)過調(diào)查評估，結(jié)合輕資產(chǎn)模式、外包模式的經(jīng)驗，論證得出在政府鼓勵并進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)助的情況下可推行供暖新模式，儲熱組件投資可通過棄能回收、政府補(bǔ)助來實現(xiàn)回報。同時此模式也可減少企業(yè)成本，實現(xiàn)環(huán)保效益的最大化。最終實現(xiàn)用“政府+供熱企業(yè)+儲熱企業(yè)+用戶側(cè)”的市場化手段來推動儲熱模式的普及，解決能源變革大規(guī)模推廣出現(xiàn)的諸多問題，推動清潔供暖的開展。

4 結(jié)論

本文在國家對節(jié)能減排高度重視的背景下，基于利用以CO2作為制冷劑的熱泵機(jī)組對新疆大步車站進(jìn)行采暖改造的案例，介紹了其建設(shè)條件和改造方法，并以此展開了對農(nóng)村地區(qū)清潔能源供暖路徑探索，最后對農(nóng)村清潔能源供暖提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡德群.清潔能源——一種綠色集中供暖的模式創(chuàng)新[D].城市管理與科技，2018.

[2]王健. CO2熱泵在寒冷地區(qū)采暖的應(yīng)用研究[D]. 江蘇雪龍新能源科技有限公司， 2016.

[3]崔增光 李寧 張信榮. 大型二氧化碳熱泵電廠余熱供熱利用[D]. 電力學(xué)報， 2014.

[4]史國華. 全新節(jié)能思路探索[D]. 吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠動力車間， 2018.

[5]王玉琦. 同時供冷供熱二氧化碳雙級壓縮制冷熱泵循環(huán)（火用）分析[D]. 西安建筑科技大學(xué)， 2017.

[6]胡斌 曹鋒 邢子文 何志龍. 空氣源跨臨界CO_2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實驗研究[D]. 西安交通大學(xué)學(xué)報， 2015.

[7]宋昱龍 唐學(xué)平 王守國 楊東方 曹鋒 王冬青. 跨臨界CO_2熱泵氣體冷卻器對系統(tǒng)性能及最優(yōu)排氣壓力的影響[D]. 制冷學(xué)報， 2015.

[8]張志輝. 二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)性能分析及微通道氣體冷卻器的研究[D]. 河北工業(yè)大學(xué)， 2007.