二氧化碳空氣源熱泵技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用

1、凱德二氧化碳熱泵技術(shù) 在高寒地區(qū)鐵路沿線建筑中的應(yīng)用 二氧化碳這一天然的制冷工質(zhì)，以它多重節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，開 啟了綠色低碳技術(shù)的大門。 許多國家已經(jīng)研發(fā)和推廣了二氧化碳熱泵 技術(shù)。目前，日本和歐盟已具有較成熟的二氧化碳熱泵技術(shù)。我國二 氧化碳熱泵研究權(quán)威專家表示： 二氧化碳制冷劑對臭氧層破壞潛能為 零（ODP=0），溫室效應(yīng)潛能較?。℅WP=1）;有較高的單位容積 制冷量；較好的傳熱性和流動性能； 又是惰性氣體，不會燃燒或爆炸； 價格也相對便宜，并維護(hù)起來方便。但是，二氧化碳在高壓下的安全 問題讓行業(yè)人士產(chǎn)生許多質(zhì)疑， 如何解決這一難題成了二氧化碳熱泵 壓縮機(jī)企業(yè)的嚴(yán)格考驗。2012 年開始，

2、專業(yè)致力于氣體處理與壓縮技術(shù)開發(fā)與裝備制造 的凱德人研發(fā)了國內(nèi)首套工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳空氣源熱泵機(jī)組， 并已在國內(nèi)廣泛開始應(yīng)用， 具有成熟的技術(shù)應(yīng)用案例和經(jīng)驗， 目前該 設(shè)備已成系列化，并 命名為 ECOLAND （銥蘭德）。由于二氧化碳制 冷劑的特性及其低溫?zé)岜萌鬯獙＠夹g(shù)的應(yīng)用， 使熱泵機(jī)組能夠適應(yīng) 較低的環(huán)境溫度，最低達(dá)-20C。同時二氧化碳空氣源熱泵余熱回收 能量循環(huán)利用技術(shù)，實現(xiàn)冷、熱雙高效超臨界壓縮技術(shù)，不僅實現(xiàn)了 為我們冬季供暖、夏季制冷 ,同時可產(chǎn)生高達(dá) 90度的高溫?zé)崴嬲?做到了”一機(jī)多用 ”。使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。這里僅以鐵路示范項目為例; 我國鐵路營業(yè)里程長， 涉及

3、地域廣 闊，自然環(huán)境溫度變化大， 單體建筑數(shù)量多。絕大多數(shù)建筑都需要冬季供暖、夏季制冷，幾乎所有鐵路建筑都有生活熱水需求，此外，還有機(jī)車、車輛配件在維修中采用高溫?zé)崴逑吹男枨蟆?為了研究二氧 化碳熱泵機(jī)組在鐵路沿線建筑供暖中的應(yīng)用， 本課題選擇了以東北地 區(qū)兩個具有代表性的城市丹東和通遼市為例 ,說明二氧化碳熱泵機(jī)組 在高寒地區(qū)鐵路沿線建筑供暖中的應(yīng)用情況。項目一、 沈陽鐵路局沈陽供電段丹東 66KV 變電所 該建筑始于 2003 年，整體為一座 2 層辦公樓。磚混結(jié)構(gòu)，墻體 厚度約為50cm,屬非節(jié)能型建筑。建筑面積達(dá) 600m2，共分為9個 房間，即：值班室、工長室、職工休息室、會議室、

4、材料庫、食堂、 控制室、高壓設(shè)備間等。建筑設(shè)計共有 40 扇窗戶,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的 保溫隔熱和門窗的氣密性差。該建筑原有的供暖方式為 2 臺 13.5KW 功率的電鍋爐進(jìn)行供暖, 沒有生活熱水使用。整個供暖系統(tǒng)不節(jié)能,運(yùn)行費用高。應(yīng)用技術(shù)方案（1）功能要求 冬季供暖及每天生產(chǎn) 1 噸生活用熱水。（2）末端形式 由于本項目沒有制冷要求,故末端形式不變,采用原暖氣片。（3）熱負(fù)荷計算公式丹東地區(qū)建筑單位熱負(fù)荷按60w/m2計算,則總熱負(fù)荷為60600=36（ kw）1噸生活熱水熱負(fù)荷為（進(jìn)水溫度為10C，出水溫度為60C）1000 4187（ 60-10） /24 60 60=2.423（ kw）合

5、計負(fù)荷:36+2.423=38.423 (kw)設(shè)安全系數(shù)為1.1 ,計算總負(fù)荷為38.423X 1.1=42.2653 (kw)(4) 二氧化碳熱泵機(jī)組選擇依據(jù)天津凱德CO2空氣源熱泵規(guī)格參數(shù)表丹東二氧化碳熱泵的選擇規(guī)格制熱量水流量冷水出口 / 入口溫度熱水出口 / 入口溫度輸入電功率ELLR-3559kw38m3/h10/15C50/60 C25kw注：以上參數(shù)為環(huán)境溫度為-20 C時選定(5) 二氧化碳熱泵供熱系統(tǒng)為滿足丹東66KV變電所冬季供暖并提供生活用熱水需求。 系統(tǒng) 主要設(shè)備構(gòu)成：1臺ELLR-35二氧化碳機(jī)組；1臺有效容積為1.5噸 的不銹鋼保溫生活熱水箱；1套電腦控制系統(tǒng)；2

6、臺空調(diào)循環(huán)泵(一 主一備)和二臺生活熱水循環(huán)泵(一主一備)。項目二、沈陽鐵路局通遼車站二站臺值班室該建筑為磚混結(jié)構(gòu)，墻體厚度 45cm,建筑面積60m2。二站臺值 班室分為兩個房間：客運(yùn)值班室和運(yùn)轉(zhuǎn)值班室，客運(yùn)值班室職崗7人, 運(yùn)轉(zhuǎn)值班室職崗2人，由于接送列車，出入頻繁，屋內(nèi)溫度變化較大； 該建筑內(nèi)無暖氣片，只有上水管路，無下水管道?？紤]到值班人員肩 負(fù)著接發(fā)列車職責(zé)和保證站臺人員的安全。 所以在建筑的三個方向都 有玻璃窗，共計5扇，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱就會受到一定的影響。應(yīng)用技術(shù)方案(1) 功能要求冬季供暖；夏季制冷。(2) 末端形式采用二臺風(fēng)機(jī)盤管。(3) 冷熱負(fù)荷計算通遼地區(qū)冬季供暖熱

7、負(fù)荷按照120w/m2計算冬季熱負(fù)荷：120 x 60=7.2kw夏季空調(diào)冷負(fù)荷按照100 w/m2計算夏季冷負(fù)荷：100 X 60=6.0 kw(4) 二氧化碳熱泵機(jī)組選擇依據(jù)天津凱德CO2空氣源熱泵規(guī)格參數(shù)表通遼二氧化碳熱泵的選擇規(guī)格制熱量制熱量水流量冷水出口 / 入口溫度熱水出口 / 入口溫度輸入電功 率ELLR-715kw12kw :1.5m3/h10/15C45/50C5kw注：以上參數(shù)為冬季環(huán)境溫度為-20C、夏季環(huán)境溫度25C時選定(5) 二氧化碳熱泵供熱系統(tǒng)根據(jù)通遼車站二站臺值班室的功能要求，選取了具有供暖和制冷性能的二氧化碳熱泵機(jī)組。系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成：1臺ELLR-7二氧化碳

8、熱泵機(jī)組；2臺空調(diào)循環(huán)水泵(一主一備)；1臺空調(diào)系統(tǒng)控制柜； 1套電腦控制系統(tǒng)。應(yīng)用技術(shù)方案實施后的系統(tǒng)運(yùn)行分析與對比1、系統(tǒng)的能效分析能效比(COP)定義為熱泵輸出的冷量或熱量與輸入功率的比 值。為了更合理的評價系統(tǒng)的節(jié)能性，日本的 JRA4046標(biāo)準(zhǔn)和美國 的ARI210240-2003標(biāo)準(zhǔn)均采用季節(jié)能效比作為能效評價指標(biāo)。在環(huán)境溫度變化的情況下，機(jī)組的制冷和制熱性能都會有較大影響。圖中可見，系統(tǒng)制冷量隨著環(huán)境溫度的升高有明顯下降的趨勢， 溫度在30C以下時，制冷量為 80KW，此后隨著環(huán)境溫度的升高， 制冷量急劇下降。而冬季機(jī)組的制熱量隨著溫度的降低趨勢更加明顯， 因此運(yùn)行工況對二氧化碳

9、熱泵的制冷量和制熱量影響非常顯著，由于機(jī)組輸出功率是一定的，也就表明二氧化碳熱泵的能效比（ COP）值 受環(huán)境影響非常顯著。0-U._-3022 34 26 20 30 32 34 36 3B4Q 42 環(huán)境溫度(貯制冷溫度變化圖2018461412WB 6 4 2 0 -2 4- fi環(huán)M旻m制熱溫度變化圖二氧化碳熱泵機(jī)組在運(yùn)行中主要有三種工況： 一是丹東金山變電 所的冬季供暖同時提供生活熱水；二是通遼車站二站臺值班室的夏季 制冷和冬季供暖。由于機(jī)組運(yùn)行工況不同，所以下面將分地區(qū)的進(jìn)行 能效分析，并與往年供熱方式進(jìn)行對比。（1）丹東66KV變電所二氧化碳熱泵機(jī)組的能效分析氧化碳熱泵機(jī)組不同溫

10、度下的能效比環(huán)境溫度蒸發(fā)溫蒸發(fā)壓力排氣壓力二氧化碳熱電鍋爐、電C)度（C）(MPa)(MPa)泵能效比暖器能效比12 1774.1812.53.20.9571223.67113.00.9527-33.229.62.60.95-32-82.808.42.40.95-8 -3-132.4312.92.30.95-13 -8-182.0912.22.00.95-15 -10-201.97121.980.95-20-251.5811.51.540.95-25-301.4610.51.360.95備注：二氧化碳熱泵機(jī)組工作工況為出水溫度60C，回水溫度50C(2) 通遼站二站臺值班室二氧化碳熱泵機(jī)組能效

11、分析氧化碳熱泵機(jī)組不同溫度下的能效比室外環(huán)境 溫度 C蒸發(fā)溫度蒸發(fā)壓力MPa排氣壓力MPa二氧化碳熱 泵能效比電暖氣能效 比12 1774.1811.53.20.9571223.6711.43.00.9527-33.2211.52.580.95-32-82.8011.42.410.95-8 -3-132.4311.02.30.95-13 -8-182.0910.92.00.95-15 -10-201.9710.91.980.95-20-251.5810.51.540.95-25-301.4610.11.330.95備注：機(jī)組工作工況為出水溫度 45C，回水溫度40C【上述溫度參數(shù)均來自中國氣象

12、局公共氣象服務(wù)中心所創(chuàng)辦的天氣網(wǎng)( n/ 】由上述表中可以看出二氧化碳的能效比(C0P)隨著溫度的下 降而降低，從而制造的熱量也會隨著 COP的值的降低而降低，但是， 相同的室外溫度條件下，COP的值與傳統(tǒng)的加熱方式相比，仍然高 出很多，制造相同的熱量，二氧化碳熱泵要優(yōu)于傳統(tǒng)的的供暖方式， 換言之，二氧化碳熱泵比傳統(tǒng)的供暖方式節(jié)能。2、系統(tǒng)的能耗分析丹東66KV變電所，二氧化碳熱泵系統(tǒng)從 2012年12月8日開 始正式運(yùn)行且記錄參數(shù)數(shù)值，因此，不能以整個20122013年度供暖 期的耗電量來進(jìn)行對比。則采用平均日耗電量對二氧化碳熱泵系統(tǒng)和 電鍋爐供暖系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行比較。（1）電鍋爐供暖能耗

13、分析：改造前本系統(tǒng)采用二臺電鍋爐供暖，總功率為27kw。根據(jù)沈陽供電段提供資料顯示：2011年11月15日2012年3月15日冬季采暖期（122天）消耗用電共計為75000kwh（不含生活熱水）；得出平均單位時間內(nèi)所消耗的電能：75000/122=614 （kwh/d）（2）二氧化碳熱泵供熱系統(tǒng)能耗分析：丹東 66KV變電所采用 二氧化碳熱泵機(jī)組后，根據(jù)現(xiàn)場管理人員記錄的數(shù)據(jù)：從 2012年12 月8日到2013年3月18日（101天），系統(tǒng)運(yùn)行用電共計為31209kwh（含生活熱水）。得出平均單位時間內(nèi)所消耗的功率：31209/101=309 （kwh/d）（3）兩種供熱形式能耗對比分析氧化

14、碳熱泵機(jī)組與電鍋爐運(yùn)行對比參數(shù)表項目二氧化碳熱泵機(jī)組電鍋爐額定功率（kw）3027系統(tǒng)開停比1:1基本常開運(yùn)行天數(shù)（d）2012年12月8日2013 年3月18日（共計 101d）,2011年11月15日2012年3月15日（共計 122d）,電耗（kwh）31209 （含生活熱水）75000（不含生活熱水）系統(tǒng)效率3.0 1.360.9單位時間所消耗的平均電能kwh/d309614功能冬季供暖、生活熱水冬季供暖（4）節(jié)能率計算節(jié)能率是在生產(chǎn)的一定可比條件下，采取節(jié)能措施之后節(jié)約能源的數(shù)量，與未米取節(jié)能措施之前能源消費量的比值，它表示所米取的節(jié)能措施對能源消費的節(jié)約程度。即得：(1-3O9/6

15、14)X 100%=49.67%通遼火車站二站臺值班室：(1) 電暖器供暖能耗分析：本系統(tǒng)供暖方式采用2臺電暖器，總功率為8kw。從2011年10月20日到2012年4月20日(采暖期184天)共計采暖用電35000kwh。得出單位時間內(nèi)的所消耗的電能：35000/184=190 (kwh/d)(2) 二氧化碳熱泵系統(tǒng)供暖能耗分析：依據(jù)現(xiàn)場記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從2013年1月30日到2013年4月12日，2013年10月20日到2013年11月19日(機(jī)組運(yùn)行天數(shù)105天)共計采暖用電12724kwh。得 出單位時間的所消耗的電能：12724/105=121 (kwh/d)(3) 兩種供熱形式能耗對

16、比分析氧化碳熱泵機(jī)組與電暖氣運(yùn)行對比參數(shù)表項目二氧化碳熱泵機(jī)組電暖氣額定功率，kw5.258系統(tǒng)開停比常開基本常開運(yùn)行天數(shù)2013年1月30日2013 年4月12日；2013年10月20日11月19日(運(yùn)行天數(shù)：105天),2011年10月20日2012年4月20日(共計184天),電耗，kwh1272435000系統(tǒng)效率3.0 1.30.9單位時間所消耗的電能kwh/d121190功能冬季供暖、夏季制冷冬季供暖(4)節(jié)能率計算節(jié)能率是在生產(chǎn)的一定可比條件下，采取節(jié)能措施之后節(jié)約能源 的數(shù)量，與未米取節(jié)能措施之前能源消費量的比值， 它表示所米取的 節(jié)能措施對能源消費的節(jié)約程度。即得：（1-12

17、1/190）X 100%=36.3%通過以上的數(shù)據(jù)對比，我們可以明顯的看到二氧化碳熱泵年運(yùn)行 能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于往年使用的方案，其節(jié)能潛力大。3、系統(tǒng)的環(huán)保效益分析二氧化碳熱泵利用空氣能和電能， 制冷劑為二氧化碳?？諝饽苁?天然資源，電能在使用過程中是清潔環(huán)保的； 但是電能在生產(chǎn)過程中 也伴隨著污染物的排放，目前我國燃煤發(fā)電量依然占據(jù)最大比例，高達(dá)70%以上。因此，根據(jù)資料計算可得不同種類能源的污染物排放量。消耗單位能源的污染物排放量能源名稱煙塵（kg）SO2(kg)NOx (kg)CO (kg)CO2 (kg)燃煤發(fā)電（萬kwh）33.580.3690.7210523原煤（噸）7.516.7263

18、.6222.71978柴油（噸）1.237.58.60.243186.6天然氣（萬Nm3）3.026.3018.430.06320180以丹東地區(qū)的供暖期122天為計算依據(jù)，假設(shè)二氧化碳熱泵和電 鍋爐所消耗的電能是由燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的。得出兩種供暖方式污染物 排放量見表：丹東地區(qū)二氧化碳熱泵與電鍋爐供暖方式的污染物排放量比較萬案煙塵（kg）SO2(kg)NOx(kg)CO (kg)CO2 (kg)二氧化碳熱泵135.28324.26278.632.9142493.97電鍋爐261.97627.96539.595.6392291.96以通遼地區(qū)的供暖期為184天為計算依據(jù)，假設(shè)二氧化碳熱泵和 電鍋爐所消耗的電能是由燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的。 兩種供暖方式的污染物 排放量見表：通遼地區(qū)二氧化碳熱泵與電暖氣供暖方式的污染物排放量比較萬案煙塵（kg）S02(kg)NOx (kg)CO (kg)CO2 (kg)二氧化碳熱泵98234.92201.862.130786.08電暖氣117.25281.05241.52.5236830.5由此可見，二氧化碳熱泵消耗的電量少