CO2 空气源热泵热水系统在铁路站段中的应用

冯晓娟

（中国城市建设研究院有限公司 建筑所，北京 100120）

目前，我国北方铁路站段热水的制取仍主要依靠燃煤锅炉。燃煤锅炉的使用会造成污染气体的排放，进而引发环境问题[1]。根据国家《大气污染防治行动计划》[2]中取缔燃煤锅炉的政策要求，找寻新型热源替代传统燃煤锅炉势在必行。空气源热泵作为一种新型热源技术，只需消耗少量电能，即可从低品位的空气热源中获得大量热能，具有节能环保、制热高效的特点[3]。然而，常规空气源热泵的制热性能受环境温度的影响较大，在低环境温度下制热性能会迅速下降[4]，影响了利用空气源热泵技术替代我国北方铁路站段既有燃煤锅炉的可行性。针对这一问题，铁路科研院所结合我国北方铁路沿线的气候特点及压缩机中间补气技术、压缩机喷液技术等低环境温度热泵新技术[5-6]，研发了适用于北方铁路沿线高寒地区的新型CO2空气源热泵机组，并在我国多个北方铁路站点建立了示范工程。在此，以位于内蒙古北部某铁路站段的热水项目为例，对CO2空气源热泵的应用效果进行分析。

1 CO2空气源热泵热水系统

CO2空气源热泵是以CO2作为制冷剂的新型空气源热泵，与传统的R410a和R407c等常规制冷剂相比，CO2具有极大优势。一方面，CO2是天然工质，具有良好的化学稳定性和安全性，并且不会造成污染，同时利用CO2作为制冷剂实现了CO2的资源化利用，有助于减少CO2排放、缓解温室效应等环境问题。另一方面，CO2具有良好的热物性，在跨临界循环工况下可以生产较高温度的热水[7-8]，作为热泵热水器使用时，具有比常规热泵更高的能效比和更高的出水温度。利用CO2作为制冷剂结合压缩机中间补气、防高温喷液和智能化霜等技术研制的新型CO2空气源热泵，具有在低环境温度下高效制热特点。

CO2空气源热泵热水系统的循环示意如图1所示。由图1 可知，除CO2空气源热泵机组外，热水系统还包括热水储水箱、内外循环水泵、补水装置等设备及配件。整套系统包含内外2个子循环，内循环通过循环水泵将水由储水箱送入室外CO2空气源热泵机组，实现对水循环加热，保证热水储水箱内的水温始终保持在所需温度范围内。外循环通过外循环水泵将储水箱内的热水送至热水系统末端的淋浴喷头，用于用户热水。补水装置直接连接自来水管，在缺水时自来水通过软水器软化后流入储水箱内，保证储水箱内的水量充足。

图1 CO2空气源热泵热水系统循环示意图

2 项目应用

2.1 项目概况

某铁路车务段位于内蒙古北部地区，该地区冬季室外最低环境温度为-23℃，冬季室外空调设计温度为-19.1℃；夏季室外空调计算日平均温度为27.5℃[9]。根据用户热水需求，每天需制取20 t热水，温度要求为60℃。

2.2 热水系统设计

为保证用户热水的用水需求，CO2空气源热泵热水系统需配备足够数量的机组，机组数量由机组进出水温度、热水需求量及机组制热量等确定，计算公式为

式中：N为机组数量，台；Vn为每日的热水需求量，t；P为机组制热量，kW；t为机组每日运行时间，h；Tout为机组出水温度，℃；Tin为初始水温，℃。

在该地区冬季室外空调设计温度和60℃供水温度条件下，每台CO2空气源热泵机组的制热量为35 kW。依据每天20 t的热水需求，按每台机组每天运行16 h，初始水温为10℃进行设计，则通过计算可知，选择2台CO2空气源热泵机组即可基本满足用户热水最大热负荷需求。

内外循环均设置2台水泵，1用1备，并分别增设1台变频器用于控制水泵的运行。内循环水泵流量的选取采用公式(2)计算

式中：L为循环水流量，m3/h；Q为总热负荷，kW；ΔT为进回水温差，℃，采暖系统一般取5℃。

依据热水总热负荷Q及系统管路情况，确定选取单台流量8 m3/h、扬程为38 m的内循环水泵即可满足循环要求。外循环水泵选型依据淋浴喷头和日淋浴人数确定。

根据用户热水设计工况，系统配备1套不锈钢聚酯保温热水水箱，用于实现热水循环加热及系统补水。配备1套软化水补水装置，用于对系统内的实时补水。CO2空气源热泵机组与水箱间由水泵等循环系统同程连接，循环管路进行保温处理，循环系统管材和阀件的参数和用量依据项目现场需求加以确定。

2.3 热水系统运行控制

配备热泵机组控制系统以保证系统运行的自动化。控制系统的运行过程：初始运行时，自来水经硅磷晶罐通过热水储水箱内的浮球阀进入热水储水箱；先后启动内循环水泵和CO2空气源热泵机组，循环加热至设定水温；在内循环水泵回水温度到达设定值后，CO2空气源热泵机组停机，内循环水泵转为低频运行；当热水储水箱水位降低时(热水使用后)，自来水经硅磷晶软化器通过浮球阀直接进入热水储水箱；当内循环水泵回水温度低于设定值时，内循环水泵开始高频运行，而后启动CO2空气源热泵机组，直至回水温度达到设定值，CO2空气源热泵机组停机，内循环水泵自动调整为低频运行；热水供给采用定压泵定压供给，用户使用热水时，压力释放，定压水泵开启。

控制系统根据设定水温对热泵机组及循环水泵进行间断性启停和变频控制，在保证供应热水始终维持于需求温度的同时最大限度地实现系统节能。

2.4 循环加热式热泵机组技术优势

本项目采用的循环加热式热泵机组与直热式热泵机组相比更具优势。首先，采用循环加热式机组可以实现24 h实时热水供应，回水水温下降后，循环加热式机组可以高效升温，直热式机组则无法实现高温回水下的高能效运行。此外，在机组冬季运行的防冻保护上，循环加热式机组更加有利，直接通过水泵低频运行即可实现有效保护，而直热式机组如果采用低频运行的防冻保护，系统需要在原有自来水进入机组的管道系统中另外增加回水管路，一方面提高了系统的复杂性，另外一方面也造成了管道散热损失的增大。

2.5 运行效果分析

根据对该项目1个年度的运行监测，CO2空气源热泵热水系统能够保证用户的热水需求，即使在冬季最冷极端温度下也能满足用水负荷。与原有燃煤锅炉相比具有全自动运行、无需人工值守、运行维护方便简单的特点。

对于热泵系统来说，年综合能效比COPz是反映热泵系统在运行期间整体制热的重要考核指标，综合能效比越高，热泵系统的制热效率越高，节能效果越好。CO2空气源热泵热水系统的年综合能效比COPz可以通过公式(3)求得

式中：w为制取单位体积热水的平均耗电量，kW·h；D为机组年运行总天数，d；COPz为系统年综合能效比。

根据1个年度系统电能表记录的数据与机组运行天数的比值，得到系统日耗电量，再除以热水日平均使用量可求得制取单位体积热水的平均耗电量为18.63 kW·h，通过公式(3)计算得到CO2空气源热泵热水系统运行的年综合能效比COPz为3.12。

对比分析采用不同热源型式热水系统的能效及能耗情况，如表1所示。从表1中可以看出，CO2空气源热泵的制热效率最高，节能效果明显，运行费用远低于燃气锅炉和电锅炉热源型式，并且不会造成环境污染。由此可见，无论是在节能环保还是在经济效益方面，CO2空气源热泵都具有优势。

表1 CO2空气源热泵与其他热源型式比较

3 结束语

CO2空气源热泵以CO2作为制冷剂，可以生产出较高温度的热水。在北方某铁路站段的实际应用结果表明，CO2空气源热泵能够高效制取热水，完全满足热水用水需求。与燃气锅炉和电锅炉两种热源型式相比，具有制热效率高、运行成本低、节能效果好的特点，是替代我国北方铁路站段热水用燃煤锅炉的一种理想热源。