二氧化碳空气源热泵技术在铁路系统的应用

1、凯德二氧化碳热泵技术在高寒地区铁路沿线建筑中的应用二氧化碳这一天然的制冷工质，以它多重节能环保的优势，开启了绿色低碳技术的大门。许多国家已经研发和推广了二氧化碳热泵技术。目前，日本和欧盟已具有较成熟的二氧化碳热泵技术。我国二氧化碳热泵研究权威专家表示：二氧化碳制冷剂对臭氧层破坏潜能为零（ODP=0），温室效应潜能较小（GWP=1）；有较高的单位容积制冷量；较好的传热性和流动性能；又是惰性气体，不会燃烧或爆炸；价格也相对便宜，并维护起来方便。但是，二氧化碳在高压下的安全问题让行业人士产生许多质疑，如何解决这一难题成了二氧化碳热泵压缩机企业的严格考验。 2012年开始，专业致力于气体处理与压缩技术

2、开发与装备制造的凯德人研发了国内首套工业应用标准的二氧化碳空气源热泵机组，并已在国内广泛开始应用，具有成熟的技术应用案例和经验，目前该设备已成系列化，并命名为ECOLAND（铱兰德）。由于二氧化碳制冷剂的特性及其低温热泵熔霜专利技术的应用，使热泵机组能够适应较低的环境温度，最低达-20。同时二氧化碳空气源热泵余热回收能量循环利用技术，实现冷、热双高效超临界压缩技术，不仅实现了为我们冬季供暖、夏季制冷,同时可产生高达90度的高温热水，真正做到了”一机多用”。使其应用领域更加广泛。这里仅以铁路示范项目为例；我国铁路营业里程长，涉及地域广阔，自然环境温度变化大，单体建筑数量多。绝大多数建筑都需要冬季

3、供暖、夏季制冷，几乎所有铁路建筑都有生活热水需求，此外，还有机车、车辆配件在维修中采用高温热水清洗的需求。为了研究二氧化碳热泵机组在铁路沿线建筑供暖中的应用，本课题选择了以东北地区两个具有代表性的城市丹东和通辽市为例,说明二氧化碳热泵机组在高寒地区铁路沿线建筑供暖中的应用情况。项目一、沈阳铁路局沈阳供电段丹东66KV变电所 该建筑始于2003年，整体为一座2层办公楼。砖混结构，墙体厚度约为50cm，属非节能型建筑。建筑面积达600m2，共分为9个房间，即：值班室、工长室、职工休息室、会议室、材料库、食堂、控制室、高压设备间等。建筑设计共有40扇窗户，建筑围护结构的保温隔热和门窗的气密性差。该建

4、筑原有的供暖方式为2台13.5KW功率的电锅炉进行供暖，没有生活热水使用。整个供暖系统不节能，运行费用高。应用技术方案（1）功能要求冬季供暖及每天生产1吨生活用热水。（2）末端形式由于本项目没有制冷要求，故末端形式不变，采用原暖气片。（3）热负荷计算公式丹东地区建筑单位热负荷按60w/m2计算,则总热负荷为 60×600=36（kw）1吨生活热水热负荷为（进水温度为10，出水温度为60）1000×4187×（60-10）/24×60×60=2.423（kw） 合计负荷：36+2.423=38.423（kw） 设安全系数为1.1 ，计算总负荷为3

5、8.423×1.1=42.2653（kw）（4）二氧化碳热泵机组选择依据天津凯德CO2空气源热泵规格参数表 丹东二氧化碳热泵的选择规格制热量水流量冷水出口/入口温度热水出口/ 入口温度输入电功率ELLR-3559kw8m3/h10/1550/6025kw注：以上参数为环境温度为-20时选定。（5） 二氧化碳热泵供热系统为满足丹东66KV变电所冬季供暖并提供生活用热水需求。系统主要设备构成：1台ELLR-35二氧化碳机组；1台有效容积为1.5吨的不锈钢保温生活热水箱；1套电脑控制系统； 2台空调循环泵（一主一备）和二台生活热水循环泵（一主一备）。项目二、沈阳铁路局通辽车站二站台值班室该

6、建筑为砖混结构，墙体厚度45cm，建筑面积60m2。二站台值班室分为两个房间：客运值班室和运转值班室，客运值班室职岗7人，运转值班室职岗2人，由于接送列车，出入频繁，屋内温度变化较大；该建筑内无暖气片，只有上水管路，无下水管道。考虑到值班人员肩负着接发列车职责和保证站台人员的安全。所以在建筑的三个方向都有玻璃窗，共计5扇，因此围护结构的保温隔热就会受到一定的影响。应用技术方案（1）功能要求冬季供暖；夏季制冷。（2）末端形式采用二台风机盘管。（3）冷热负荷计算通辽地区冬季供暖热负荷按照120w/m2计算 冬季热负荷：120×60=7.2kw夏季空调冷负荷按照100 w/m2计算夏季冷负

7、荷：100×60=6.0 kw （4）二氧化碳热泵机组选择依据天津凯德CO2空气源热泵规格参数表通辽二氧化碳热泵的选择规格制热量制热量水流量冷水出口/入口温度热水出口/入口温度输入电功率ELLR-715kw12kw1.5m3/h10/1545/505kw注：以上参数为冬季环境温度为-20、夏季环境温度25时选定。（5）二氧化碳热泵供热系统根据通辽车站二站台值班室的功能要求，选取了具有供暖和制冷性能的二氧化碳热泵机组。系统主要设备构成：1台ELLR-7二氧化碳热泵机组； 2台空调循环水泵（一主一备）； 1台空调系统控制柜；1 套电脑控制系统。应用技术方案实施后的系统运行分析与对比1、系

8、统的能效分析能效比（COP）定义为热泵输出的冷量或热量与输入功率的比值。为了更合理的评价系统的节能性，日本的JRA4046标准和美国的ARI210240-2003标准均采用季节能效比作为能效评价指标。在环境温度变化的情况下，机组的制冷和制热性能都会有较大影响。图中可见，系统制冷量随着环境温度的升高有明显下降的趋势，温度在30以下时，制冷量为80KW，此后随着环境温度的升高，制冷量急剧下降。而冬季机组的制热量随着温度的降低趋势更加明显，因此运行工况对二氧化碳热泵的制冷量和制热量影响非常显著，由于机组输出功率是一定的，也就表明二氧化碳热泵的能效比（COP）值受环境影响非常显著。制冷温度变化图 制热

9、温度变化图二氧化碳热泵机组在运行中主要有三种工况：一是丹东金山变电所的冬季供暖同时提供生活热水；二是通辽车站二站台值班室的夏季制冷和冬季供暖。由于机组运行工况不同，所以下面将分地区的进行能效分析，并与往年供热方式进行对比。（1）丹东66KV变电所二氧化碳热泵机组的能效分析二氧化碳热泵机组不同温度下的能效比环境温度（）蒸发温度（）蒸发压力 （MPa）排气压力 （MPa）二氧化碳热泵能效比电锅炉、电暖器能效比121774.1812.53.20.9571223.67113.00.9527-33.229.62.60.95-32-82.808.42.40.95-8-3-132.4312.92.30.95

10、-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备注：二氧化碳热泵机组工作工况为出水温度60，回水温度50（2）通辽站二站台值班室二氧化碳热泵机组能效分析二氧化碳热泵机组不同温度下的能效比室外环境温度 蒸发温度蒸发压力MPa排气压力MPa二氧化碳热泵能效比电暖气能效比1217 7 4.18 11.53.2 0.95712 2 3.67 11.43.0 0.9527 -3 3.22 11.52.58 0.95-32 -8 2.80 11.42.41 0.95-8-3

11、 -13 2.43 11.02.3 0.95-13-8 -18 2.09 10.92.0 0.95-15-10 -20 1.97 10.91.98 0.95-20 -25 1.58 10.51.54 0.95-25-301.4610.11.33 0.95备注：机组工作工况为出水温度45，回水温度40【上述温度参数均来自中国气象局公共气象服务中心所创办的天气网（）】由上述表中可以看出二氧化碳的能效比（COP）随着温度的下降而降低，从而制造的热量也会随着COP的值的降低而降低，但是，相同的室外温度条件下，COP的值与传统的加热方式相比，仍然高出很多，制造相同的热量，二氧化碳热泵要优于传统的的供暖方

12、式，换言之，二氧化碳热泵比传统的供暖方式节能。2、系统的能耗分析丹东66KV变电所，二氧化碳热泵系统从2012年12月8日开始正式运行且记录参数数值，因此，不能以整个20122013年度供暖期的耗电量来进行对比。则采用平均日耗电量对二氧化碳热泵系统和电锅炉供暖系统的节能效果进行比较。（1）电锅炉供暖能耗分析：改造前本系统采用二台电锅炉供暖，总功率为27kw。根据沈阳供电段提供资料显示：2011年11月15日2012年3月15日冬季采暖期（122天）消耗用电共计为75000kwh（不含生活热水）；得出平均单位时间内所消耗的电能：75000/122=614（kwh/d）（2）二氧化碳热泵供热系统能

13、耗分析：丹东66KV变电所采用二氧化碳热泵机组后，根据现场管理人员记录的数据：从2012年12月8日到2013年3月18日（101天），系统运行用电共计为31209kwh（含生活热水）。得出平均单位时间内所消耗的功率：31209/101=309（kwh/d）（3）两种供热形式能耗对比分析二氧化碳热泵机组与电锅炉运行对比参数表项目二氧化碳热泵机组电锅炉额定功率（kw）3027系统开停比1:1基本常开运行天数（d）2012年12月8日2013年3月18日（共计101d），2011年11月15日2012年3月15日（共计122d），电耗（kwh）31209（含生活热水）75000（不含生活热水）系统

14、效率3.01.360.9单位时间所消耗的平均电能kwh/d309614功能冬季供暖、生活热水冬季供暖 （4）节能率计算节能率是在生产的一定可比条件下，采取节能措施之后节约能源的数量，与未采取节能措施之前能源消费量的比值，它表示所采取的节能措施对能源消费的节约程度。即得:（1-309/614）×100%=49.67%通辽火车站二站台值班室：（1）电暖器供暖能耗分析：本系统供暖方式采用2台电暖器，总功率为8kw。从2011年10月20日到2012年4月20日（采暖期184天）共计采暖用电35000kwh。得出单位时间内的所消耗的电能：35000/184=190（kwh/d）（2）二氧化碳

15、热泵系统供暖能耗分析：依据现场记录统计数据，从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（机组运行天数105天）共计采暖用电12724kwh。得出单位时间的所消耗的电能：12724/105=121（kwh/d）（3）两种供热形式能耗对比分析二氧化碳热泵机组与电暖气运行对比参数表项目二氧化碳热泵机组电暖气额定功率，kw5.258系统开停比常开基本常开运行天数2013年1月30日2013 年4月12日；2013年10月20日11月19日（运行天数：105天），2011年10月20日2012年4月20日（共计184天），电耗，kwh1272435000

16、系统效率3.01.30.9单位时间所消耗的电能kwh/d121190功 能冬季供暖、夏季制冷冬季供暖（4）节能率计算节能率是在生产的一定可比条件下，采取节能措施之后节约能源的数量，与未采取节能措施之前能源消费量的比值，它表示所采取的节能措施对能源消费的节约程度。即得:（1-121/190）×100%=36.3%通过以上的数据对比，我们可以明显的看到二氧化碳热泵年运行能耗远远低于往年使用的方案，其节能潜力大。3、系统的环保效益分析二氧化碳热泵利用空气能和电能，制冷剂为二氧化碳。空气能是天然资源，电能在使用过程中是清洁环保的；但是电能在生产过程中也伴随着污染物的排放，目前我国燃煤发电量依

17、然占据最大比例，高达70%以上。因此，根据资料计算可得不同种类能源的污染物排放量。消耗单位能源的污染物排放量能源名称烟尘（kg）SO2(kg)NOx（kg）CO（kg）CO2（kg）燃煤发电（万kwh）33.580.3690.7210523原煤（吨）7.516.7263.6222.71978柴油（吨）1.237.58.60.243186.6天然气（万Nm3）3.026.3018.430.06320180以丹东地区的供暖期122天为计算依据，假设二氧化碳热泵和电锅炉所消耗的电能是由燃煤发电所产生的。得出两种供暖方式污染物排放量见表：丹东地区二氧化碳热泵与电锅炉供暖方式的污染物排放量比较方案烟尘（

18、kg）SO2(kg)NOx(kg）CO（kg）CO2（kg）二氧化碳热泵135.28324.26278.632.9142493.97电锅炉261.97627.96539.595.6392291.96以通辽地区的供暖期为184天为计算依据，假设二氧化碳热泵和电锅炉所消耗的电能是由燃煤发电所产生的。两种供暖方式的污染物排放量见表：通辽地区二氧化碳热泵与电暖气供暖方式的污染物排放量比较方案烟尘（kg）SO2(kg)NOx（kg）CO（kg）CO2（kg）二氧化碳热泵98234.92201.862.130786.08电暖气117.25281.05241.52.5236830.5由此可见，二氧化碳热泵消耗的电量少，