空气源热泵（R404A）在超低环境温度下铁路沿线供暖中的应用研究

常鑫

摘 要 以二连站管辖的齐哈日格图站为例开展了试点实验研究。结合实验记录数据对空气源热泵（R404A）的使用效果、节能环保和经济效益进行了分析，并对超低环境温度空气源热泵（R404A）在我国铁路沿线建筑供暖的应用前景进行分析。

关键词 空气源热泵；燃煤锅炉；应用

为验证空气源热泵机组（R404A）在北方寒冷地区应用的可能性，并对其节能、环保和经济效益进行分析，选择齐哈日格图站为试点开展超低环境温度空气源热泵（R404A）试验研究，分析空气源热泵（R404A）在寒冷地区的使用效果。

1 工程概况

项目地点位于齐哈格日图站，始建于1953年4月，位于二连浩特市，地处集二线，低温、大风以及沙尘天气时常发生，属于局管内气候条件比较有代表性的车站。既有房屋450㎡，冬季最低温度达到-35℃。既有热源为燃煤锅炉，末端为暖气片，制冷采用分体空调。既有锅炉安装于2009年9月，经过8年的使用，锅炉老化严重，热效率转换较低，既有暖气循环系统跑、冒现象频繁，供暖费用支出较大，一个采暖期内共需支出63165.8元[1]。

2 设计方案

采用超低环温空气源热泵（R404A）作为供暖热源，既有平房末端采用风机盘管，夏季兼具制冷功能。新建 小楼末端采用地热。具体方案如下

（1）室外设2台超低环温空气源热泵（R404A）对本建筑进行供暖制冷。冬季制热供回水温度45/40℃，夏季制冷供回水温度7/12℃。超低环温空气源热泵额定工况为：制热量为73.4kW，功率21.9kW；制冷量为63.6kW，功率为23.6kW；低温工况：热水供回水温度45℃/40℃，不带电辅加热，机组能够高效制热；最低可在-35℃环境温度下供暖。

（2）热泵机房设两台变频循环泵，设有一套全自动软水器及定压补水装置，系统补水定压采用囊式落地膨胀水箱，补水泵由压力控制器自动控制。

（3）末端采用风机盘管采暖，下供下回同程系统，由热泵机组提供供回水45/40℃热媒[2]。

3 超低环境温度空气源热泵（R404A）效益分析

3.1 能源消耗情况

在2016年10月9日至2016年11月26日期间，超低温空气源热泵（R404A）机组共耗电19920kWh，日均耗电量为： 19920÷48÷450=0.9kWh/d㎡

若采用电锅炉作为采暖热源，改造后建筑内热负荷取75W/㎡进行估算，热负荷总计为33.75kW，电锅炉效率按95%进行计算，估算电锅炉单位建筑面积日均用电量为：

33.75×24÷0.95÷450=1.9 kWh/d㎡

则与电锅炉相比，节电率为：（1.9-0.9）÷1.9=53%

3.2 环保效益分析

改造前齐哈日格图站采用一台0.14MW燃煤锅炉进行供暖，供暖期燃煤量98.1吨。燃煤锅炉运行中会产生廢气、SO2、烟尘及炉渣等排放物，根据《铁路运输企业环境保护统计规则》中关于燃料燃烧废气及其污染物统计常用计算方法，燃煤锅炉废气排放量按下式进行计算： V=B×Vy。

式中：V为废气排放量，万m?；B为燃料消耗量，t；Vy为废气排放系数，设煤炭低位发热量为20935Kj/kg，过剩空气系数为2.0，则Vy为1.159。改造前该燃煤锅炉一个采暖期消耗燃煤98.1t，则废气排放量为：98.1×1.159=113.7万m?。

燃煤锅炉SO2排放量按下式进行计算： WSO2=B×GSO2×（1-γSO2）。

式中：WSO2为SO2排放量，kg；B为燃料消耗量，t；GSO2 为SO2产污系数，kg/t，根据相关资料，内蒙地区煤炭中平均含硫量为1.14%，燃煤中硫的转化效率为85%，则GSO2=21.25 kg/t；设γSO2=85%，则SO2排放量为：

98.1×21.25×（1-85%）=312.7kg

烟尘排放量按下式进行计算：W烟尘=B×G烟尘×（1-γ烟尘）

式中：W烟尘为烟尘排放量，kg；B为燃料消耗量，t；G烟尘为烟尘产污系数，kg/t，根据相关资料，内蒙古地区煤炭中平均灰分为30%，设该锅炉为层燃炉，则G烟尘=42.86 kg/t；γ烟尘为除尘器烟尘去除效率，设γ烟尘=90%，则烟尘排放量为：

98.1×42.86×（1-90%）=420.5kg

从2016年10月9日至2016年12月2日采暖期结束（共55天），空气源热泵（R404A）机组累计用电24270kWh，在此期间空气源热泵（R404A）机组日均耗电为：

24270÷55=441.27kWh/d

二连浩特地区采暖天数为210天，则整个采暖期空气源热泵（R404A）机组耗电为： 441.27×210=8.54万kWh

按照1tce发电量为3030kWh进行计算，则一个采暖期的耗电量折算标煤为：85400÷3030=28tce。

即产生8.54万kWh电能需消耗标煤28t，根据上述计算公式，废气排放量为：28×1.581=44.268万m?。

发电厂脱硫效率按90%计，则SO2排放量为：28×21.25×（1-90%）=59.5kg。

发电厂除尘器烟尘去除效率按95%计，则28×42.86×（1-95%）=60kg。

综上所述， 项目改造后，采用超低环境温度空气源热泵（R404A）替代了既有燃煤锅炉，超低环境温度空气源热泵（R404A）仅消耗电能，改造后可实现减排废气69.432万m?，减排SO2 253.2kg，减排烟尘360.5kg。

3.3 经济效益分析

据统计，改造前齐哈日格图站燃煤锅炉费用支出较大，主要包括临时用工支出、维修费用及生产用煤的支出。据统计，集二线采暖期为7个月，2014年采暖期齐哈日格图站雇佣锅炉工一名，需支付临时工资费用为7350元；2014年车站对齐哈日格图站锅炉和供暖系统进行临时性维修，维修费用约为5000元。

2014年齐哈日格图站累计使用生产用煤98.1吨，当地煤价为518元/吨，则燃煤消耗的费用支出为50815.8元；

循环泵耗电量为0.24万kwh，则循环泵耗电费用为： 0.24×10000×0.58=1392元。

燃煤锅炉的排污费按24.07元/吨进行计算，则一个采暖季需缴纳排污费用为：98.1×24.07=2361.3元。

则原锅炉在采暖期内共需支出为：7350+50815.8+5000+2361.3+1392=66919元。

即2014年采暖季该燃煤锅炉共支出费用6.69万元。

2016年10月9日至2016年11月26日期间，超低温空气源热泵（R404A）机组共耗电19920kwh，日均耗电量为0.9kwh/d㎡，二连浩特地区采暖天数为210天，则整个采暖期空气源热泵（R404A）机组耗电为： 0.9×210×450=8.51万kwh。

当地电价为0.58元/kwh，估计采用低环温空气源热泵（R404A）后的维护费用为0.2万元/年，则改造后的年运行成本为：8.51×0.58+0.2=51358元。

采用低环温空气源热泵（R404A）后年运行成本为5.14万元，则对比燃煤锅炉年节约费用为： 6.69-5.14=1.55万元。

3.4 使用效果分析

下图为2015年12月18日-2016年4月30日的环境温度变化曲线，其中数据记录的12月的平均气温为-21℃，1月的平均气温为-26℃，2月的平均气温为-21℃，3月的平均气温-9℃，4月的平均气温为-2.2℃，在2016年1月26日-2016年1月29日期间连续四天环境温度均在-25℃以下。

图1 2015年12月18日-2016年4月30日环境温度变化曲线

图2 2015年12月18日-2016年4月30日期间房间温度变化曲线

上图为2015年12月18日-2016年4月30日房间温度变化，在2015年12月18日-2016年4月26日机组运行期间，房间温度平均温度为22℃，房间供暖效果良好，能够满足设计要求。

在2016年1月26日-2016年1月29日期间连续四天環境温度均在-25℃以下，机组经调试后能够正常工作，房间温度为20℃，说明在-25℃的环境温度下，机组能够正常工作，并且能够满足室内采暖要求。同时，项目改造后一方面不用再为烧锅炉人员必须持证上岗犯愁，也减少了临时用工；另一方面减轻日常维修，设备检修车间不用冰天雪地赶赴车站，爬地沟、钻锅炉寻找和处理漏水点；同时改变以往推煤、加煤、压火为一日三巡视、三记录的作业方式。目前，空气源热泵（R404A）经过两个采暖区的考验，设备运行基本平稳，环保的性能凸显，深受职工欢迎。

4 超低环境温度空气源热泵（R404A）我国铁路沿线建筑供暖的应用前景

目前寒冷地区铁路沿线建筑采暖以锅炉为主，同时铁路沿线站房具有数量众多、位置偏僻和分散的特点，通常与市政的集中供热管网无法连接，只能在沿线建设自用锅炉房保证冬季供暖，这些锅炉以燃煤锅炉为主。虽然锅炉作为传统热源能够满足我国铁路沿线建筑采暖需求，但锅炉燃烧所采用的燃料都为煤炭、燃油、天然气等化石能源，在燃烧过程中会产生各类污染物，如燃煤锅炉运行中产生的烟尘、SO2、NOX等污染物是我国大气污染的主要源头；同时小锅炉运行效率，随着使用时间的增加，锅炉的运行效率逐渐下降，造成能源消耗量的增加。

在面临传统热源污染较大、效率不高、运行费用高等问题时，空气源热泵、地源热泵、太阳能、生物质能等新型供暖技术逐渐进入人们的视野，为铁路沿线建筑采暖提供了新的选择，但地源热泵技术、太阳能供暖技术、生物质能供暖技术受水文地质条件、太阳能资源、技术成熟度及初期投入高等因素的限制，不具备全面推广应用的条件，空气源热泵具有运行效率高、安装灵活方便、运行费低等特点，但普通空气源热泵在环境温度低于-5℃的情况下，机组制热量和COP急速下降，并不适合在寒冷地区应用。

2013年国务院发布的《大气污染防治行动计划》中提到“全面整治燃煤小锅炉，加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。”在面临我国对节能环保的要求越来越高以及节约成本，减少支出的形势下，超低环境温度空气源热泵（R404A）机组在寒冷地区铁路沿线建筑的采暖，特别是在冬季环境温度低于-5℃的地区中，将有广泛的应用前景。

5 结束语

超低环境温度空气源热泵（R404A）机组的使用，解决了空气源热泵在寒冷地区应用的种种难题，它创造性地以低温制冷剂R404A作为空气源热泵的工质，通过试点工程的应用，证明超低环境温度空气源热泵（R404A）机组在-35℃的环境温度下能够正常运行，且能够满足采暖要求。同时，超低环境温度空气源热泵（R404A）在运行时不产生任何污染物排放，具有显著的减排效益，降低了运行成本，较高的自动化水平改变了以往烧锅炉时作业方式。在面临我国对节能环保的要求越来越高以及节约成本，减少支出的形势下，超低环境温度空气源热泵（R404A）机组在寒冷地区铁路沿线建筑的采暖中，将有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 安常林.管内铁路沿线房屋供暖与节能的探讨.铁路节能环保与安全卫生，2011，（6）：286-287，311.

[2] 蒋爽，杜伟，姜红晓.低环境温度空气源热泵的设计及其在我国寒冷地区的应用[J].制冷与空调，2012，5（12）：39-44.