双级压缩空气源热泵在农村煤改电项目中的应用

时间：2024-09-03

张春林程港钱志博

中机十院国际工程有限公司

北方农村地区的采暖大多是以家庭为单位的分散式燃煤形式，存在着能源利用率低、污染大、不便于管理等缺点。市场需求和政策导向均在寻找更加清洁的替代技术。空气源热泵是较适宜的清洁能源，相对常规的单级压缩空气源热泵，双级压缩空气源热泵在低温情况下的高效性和可靠性更能适应北方农村的供暖需求。本文结合农村地区的供暖特点比较了单级压缩热泵循环和双级压缩热泵循环在煤改电项目中设计参数的差异，结合项目实例的运行效果对农村地区煤改电项目得出了肯定的评价，并对双级压缩低温型空气源热泵的推广和应用中的问题进行了分析和总结。

1 技术分析

常规空气源热泵一般为单级压缩式循环（图1）。单级压缩式循环主要由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成，其工作过程主要由以下4个步骤完成[1]：制冷剂在蒸发器中吸收热量并由液态蒸发为气态；压缩机将低温低压制冷剂气体压缩，排出高温高压气体；在冷凝器中放热冷凝为高压液体；经过节流机构降压得到对应蒸发温度的低压液体，进入蒸发器吸热蒸发。再次循环。

图1 单级压缩流程图

双级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂的低压蒸汽要经过低压与高压压缩机两次压缩后，才进入冷凝器，并在两次压缩中间设置中间冷却器（图2）。

图2 双级压缩流程图

为了便于研究将循环简化为理论循环，即压缩过程为等熵过程，在冷凝器各蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；制冷剂在管道内流动时没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外制冷剂与管外介质之间没有热交换，制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换。

图3 理论循环的lgp-h图

现通过对理论热泵循环进行热力分析比较。根据农村建筑的采暖系统要求，采暖期室外设计温度基本在-5℃～-15℃，供回水温度一般以55/45℃为宜，初末寒期回水温度可以到40℃[2]。故设计条件蒸发温度-20℃，冷凝温度60℃，制冷剂采用环保制冷剂R134a。由此可以得到以下压焓图（lgp-h图）。如图2所示，查压焓图可确定热力循环各点的状态参数。

相同的设计工况，单级压缩循环的压缩机入口状态和双级压缩循环的低压压缩机的入口状态均是1点。单级压缩循环的压缩机出口状态为2点，双级压缩的低压级出口状态为a点，高压级出口状态为2s点。各状态点参数如表1所示。

表1 热力状态点参数

由此可见，该设计条件下单级压缩循环的排气温度为73.14℃，而双级压缩循环的高压排气温度为63.62℃，低于单级压缩循环。这一点也可以从图上直观的看出。单级压缩循环的压缩比为12.81，而双级压缩循环的压缩比为3.56。

常见的空气源热泵一般采用螺杆压缩机，螺杆压缩机一般采用喷油冷却，单级排气温度一般不能超过100℃。普通空气源热泵在低温环境下工作时，压缩机排气温度上升，因而不能实现在低温工况下的运行。并且较高的排气温度需要更大的油冷却能力，这无疑增加了设备本体的成本。单级压缩循环的压缩比一般不超过8～10，双级压缩循环能够很好的解决压缩比过大的问题。压缩机的容积效率与压缩比成反比关系。单级循环的压缩机容积效率将低于双级压缩循环的压缩机。除此之外，单级螺杆压缩循环在部分负荷情况下运行效率会降低，双级螺杆压缩循环具有更好的调节性能，运行效率的变化较为平缓[3]。

图4 单级压缩运行范围

综上所述，双级压缩相对于单级压缩的压缩比小，摩擦损失等不可逆因素的影响小，可以实现比单级压缩更大的温差；并且双级压缩的排气温度得到降低，故障率减小，运行的安全可靠性好。

图4、5分别为常规空气源热泵和双级压缩空气源热泵的运行范围。

图5 双级压缩运行范围

当然，双级压缩也有其不利的一面。从工程实用的角度看，与单级压缩比较，采用双级压缩时操作调节的工作量和难度增加。由于双级压缩系统增加了中间冷却器，增加了阀门，使用中增加了对设备的管理维护。这当然相较于其优势而言也是无可厚非的。

2 项目实例

北京市海淀区无煤化空气源热泵集中供暖项目大规模采用低温空气源热泵作为热源，这个项目共涉及到4个镇、7个街道下辖的23个社区，几千户居民100余万m2供暖面积，共设计40余个集中低温空气源热泵供热站房。现在此项目已经完整运行了一个采暖季，以其中的西北旺镇乔庄热源站为例反映低温空气源热泵在低温情况下的运行效果。

该热源站负责供热面积16398 m2，综合热负荷指标为85 W/m2，设计热负荷为1394 kW。该片区户内使用散热器采暖系统，站房设计供回水温度55/45℃。站房共设置4台双级压缩低温型螺杆式空气源热泵，型号为AZ-5340W/DLTDA，在室外空调设计温度-9.9℃情况下单台制热量为443.3 kW，COP为2.57，进出水温度45/55℃。

根据2017年采暖季的运行数据，低温热泵机组在最冷期可以保证设计条件，满足供水温度55℃，运行效果良好，得到了用户的好评。

3 应用中的问题

低温型空气源热泵大规模应用于集中供暖在北方地区尚为首例，这一次创新和实践已在2017年采暖季取得成功，但是低温型空气源热泵在北方煤改电中继续发展尚需进一步的技术讨论和研究。低温型空气源热泵虽然扩大了空气源的适用范围，但是其固有的特性仍有许多问题需要解决。

1）如何降低“冷岛”现象

空气源热泵源源不断地从空气中提取热量，这导致空气源热泵群周边的气温不断降低，与该区域周围的气温存在明显的差异。在上述的项目实例中也不同程度的出现了“冷岛”现象，经测量热源站房内空气温度与周边空气的正常温度存在5℃左右温差，这加剧了空气源热泵运行效率的衰减，在最冷月无异于雪上加霜。由于前期模拟和风险的保守控制，设备的布置采取较大的间距，纵向布置间距1 m，进风侧布置间距2～3 m，在最冷运行期间并未出现低温报警现象。

空气源热泵机组的零排放特点决定其选址可以异于其他的热源站房。空气源热泵主要利用空气中的热量，合理的气流组织可以保证适合的热源。所以空气源热泵站房可以布置在冬季主导风向的上风向，或者在风向上与村庄区域平行的位置。尽量避免气流紊乱的区域。

其次考虑空气源热泵的布置形式。站房内机组与机组之间应保持足够的间距，机组的进风侧距离建筑物墙面不应过近，以免造成进风受阻。机组之间的间距一般应大于2m，进风侧距离建筑物墙面的距离应大于1.5 m。这在上述项目中也得到了很好地证明。

低温气流密度增大导致下沉，空气源热泵风机排出的低温空气很有可能堆积在周边区域，为了更好的利用气流，可以将空气源热泵站房做成2层的架空结构，首层放置水泵等辅助设备及配电装置，2层布置空气源热泵。上述项目中部分站房采用的就是这种做法。经反映实际运行效果要优于低层布置的设备。

2）低温供暖的实现

空气源热泵的制热量，随供水出水温度的升高而减少，随环境温度的降低而减少。机组在制热工况下的输入功率，随供水的出水温度升高而增加，随环境温度的降低而减少。

这与农村地区落后的供暖方式相矛盾。高温供水降低了空气源热泵的运行效率，提高了采暖成本，也对电力增加了负担。故对“煤改电”区域应结合棚户区改造、市容管理等工作，淘汰老式铸铁式散热器，推广新型低温型散热器。

3）转变采暖消费理念。

受长期以来的观念、习惯等因素影响，相当数量的取暖用户仍依赖传统、落后的供暖方式满足取暖需求，对清洁供暖方式接受度较低。应结合典型案例，扩大宣传“煤改电”的综合效益和边际使用等优点。