空氣源熱泵在鐵路沿線站區(qū)能源改造中的探討

段 桂 英

(大秦鐵路股份有限公司太原鐵路房建段，山西 太原 030013)

空氣源熱泵在鐵路沿線站區(qū)能源改造中的探討

段 桂 英

(大秦鐵路股份有限公司太原鐵路房建段，山西 太原 030013)

結(jié)合實(shí)例，依據(jù)鐵路沿線站區(qū)的采暖現(xiàn)狀及形勢(shì)，從可行性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)空氣源熱泵在鐵路沿線站區(qū)清潔能源改造中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，為沿線站區(qū)清潔能源改造提供選擇途徑。

空氣源熱泵，沿線站區(qū)，清潔能源改造

1 鐵路沿線站區(qū)的采暖現(xiàn)狀及面臨的形勢(shì)

改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)鐵路迎來(lái)了大發(fā)展時(shí)期，重載鐵路、高速鐵路建設(shè)一日千里、日新月異，尤其是高速鐵路引領(lǐng)著世界高鐵的發(fā)展方向。由于鐵路的行業(yè)特性，鐵路站房均分布在鐵路沿線，在較大城市設(shè)置的采暖站房，近年來(lái)隨著城市集中供熱的發(fā)展基本上并入了城市熱網(wǎng)，設(shè)置在城市邊緣的編組場(chǎng)、縣級(jí)城市的站房以及沿線的中間站、中途工區(qū)，由于遠(yuǎn)離市區(qū)甚至地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，城市熱網(wǎng)無(wú)法覆蓋，依然采用燃煤鍋爐甚至土鍋爐解決站區(qū)房屋的采暖問(wèn)題。

在冬季采暖期，由于燃煤鍋爐燃燒的礦物質(zhì)產(chǎn)生大量的SO2，NOx以及CO2等有害氣體，對(duì)環(huán)境造成污染，嚴(yán)重地威脅著人類的身心健康。同時(shí)采用傳統(tǒng)鍋爐煤耗量大、熱效率低，且鍋爐房遠(yuǎn)離站段本部監(jiān)管不便、管理成本高，存在嚴(yán)重的安全隱患。

近年來(lái)，隨著自然環(huán)境的惡化、霧霾天氣的增多，世界各國(guó)均加大環(huán)境保護(hù)的力度，尤其是我國(guó)將環(huán)境保護(hù)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。在十二屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議上，李克強(qiáng)總理就2015年節(jié)能減排作出如下安排：今年，二氧化碳排放強(qiáng)度要降低3.1%以上，化學(xué)需氧量、氨氮排放都要減少2%左右，二氧化硫、氮氧化物排放要分別減少3%左右和5%左右。深入實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)行區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，推動(dòng)燃煤電廠超低排放改造，促進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域煤炭消費(fèi)零增長(zhǎng)。

2 沿線站區(qū)清潔能源改造途徑

由于鐵路的特性，編組場(chǎng)、小型站房以及沿線的中間站、中途工區(qū)，大多分布在遠(yuǎn)離城市的偏遠(yuǎn)地區(qū)，城市熱網(wǎng)無(wú)法覆蓋、天然氣管網(wǎng)不能涉及，唯一可利用的資源就是以電為動(dòng)力源的電熱轉(zhuǎn)換方式。

常用的電熱轉(zhuǎn)換方式中有以下幾種形式：空調(diào)、空氣源熱泵、地源熱泵、電鍋爐。

根據(jù)我局所處地域情況，就上述幾種電熱轉(zhuǎn)化形式的可行性進(jìn)行探討。

2.1 空調(diào)

空調(diào)現(xiàn)在已經(jīng)普及家用，但多用于夏季制冷，在冬季采暖期當(dāng)室外溫度低于-5 ℃時(shí)，空調(diào)制熱效果極差，能效比低于40%，因此不適應(yīng)于寒冷區(qū)采暖所用。

2.2 地源熱泵

地源熱泵是一種新型的采暖制冷技術(shù)，在我國(guó)南方多有應(yīng)用，其工作原理是利用地下淺層所吸收的太陽(yáng)能和地?zé)豳Y源來(lái)進(jìn)行制熱和制冷的高效環(huán)保節(jié)能設(shè)備。通過(guò)輸入少量高品味能源(如電能)，即可實(shí)現(xiàn)熱量從低位熱源向高位熱源的傳遞，能效比高約在1∶8左右。但由于我局所處地域地?zé)豳Y源極不發(fā)達(dá)，主要以土壤熱源為主，隨著使用年限的增加效果逐年遞減甚至失效，因此不宜使用。

2.3 電采暖鍋爐

電鍋爐是常見(jiàn)的一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是：性能穩(wěn)定、不受外溫影響，但電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率低在1以下，運(yùn)行成本高，因此不宜推廣使用。

2.4 空氣源熱泵

空氣源熱泵與地源熱泵一樣，也是一種新型的采暖制冷技術(shù)，通過(guò)輸入少量高品味能源(如電能)，吸收周圍空氣中的低溫?zé)崮埽ㄟ^(guò)壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫高壓的熱能，通過(guò)熱交換器傳遞給介質(zhì)水，提高水溫用于采暖，同樣也可用于制冷，能效比為1∶4，高效節(jié)能，具有較高的推廣價(jià)值。其缺點(diǎn)是：由于現(xiàn)代技術(shù)的局限，現(xiàn)有產(chǎn)品僅適應(yīng)于外溫在-15 ℃以上的地域。

通過(guò)上述探討，在現(xiàn)代技術(shù)條件下的電熱轉(zhuǎn)化方式中，空氣源熱泵是一種較為理想的燃煤鍋爐替代產(chǎn)品。下面就空氣源熱泵從可行性及經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行分析。

3 可行性分析

空氣源熱泵與水泵的工作原理是相通的(見(jiàn)圖1)，水泵是將水從低位提升到高位，空氣源熱泵是將熱能從周圍環(huán)境提取，通過(guò)壓縮機(jī)提升品質(zhì)，變?yōu)楦邷馗邏旱目諝?，然后通過(guò)熱交換器將熱能傳遞到介質(zhì)(水)，最后通過(guò)介質(zhì)(水)將熱能傳遞到終端用戶，達(dá)到采暖的目的。

空氣源熱泵的工作原理與空調(diào)比較，其實(shí)是相同的，都是按照逆卡諾循環(huán)工作，兩者的不同之處是空氣源熱泵的冷凝溫度比空調(diào)更高，蒸發(fā)溫度更低?？諝庠礋岜门c普通空調(diào)相比，其適應(yīng)環(huán)境溫度的范圍更寬，它“搬運(yùn)”熱能的能力更大(溫差更大)。它不僅可以在夏季將室內(nèi)的熱能“搬運(yùn)”到室外(制冷)，而且還可以在冬季將室外的熱能“搬運(yùn)”到室內(nèi)(制熱采暖)。

下面從空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合我局沿線站區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行可行性分析。

3.1 從能效比方面比較

由工作原理可知，空氣源熱泵能從周圍空氣獲取大量的免費(fèi)熱量，每消耗1度電大約能產(chǎn)生3度～4度電以上的熱量。相當(dāng)于熱效率超過(guò)300%～400%，而鍋爐的熱效率最高才能達(dá)到80%，從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)是可行的。

3.2 從運(yùn)營(yíng)成本方面比較

如果在現(xiàn)有鍋爐房的基礎(chǔ)上改為空氣源熱泵，空氣源熱泵機(jī)組可以安裝在現(xiàn)有鍋爐房?jī)?nèi)，無(wú)需增加專門的設(shè)備房，節(jié)省土建投資；而且跟燃煤鍋爐比較，空氣源熱泵無(wú)需相應(yīng)的燃料和除渣運(yùn)輸，因此無(wú)需燃料、灰渣輸送費(fèi)用和管理費(fèi)用；因?yàn)闆](méi)有煙氣排放，無(wú)需繳納排污費(fèi)、環(huán)境檢測(cè)費(fèi)用；而且空氣源熱泵操作維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)人值守，無(wú)需人工管理費(fèi)用。從這四個(gè)方面可以節(jié)約大量的運(yùn)營(yíng)成本。

3.3 從減排環(huán)保方面比較

空氣源熱泵對(duì)大氣及環(huán)境無(wú)任何污染，符合我國(guó)目前的減排環(huán)保方面的基本政策。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，沒(méi)有相應(yīng)的燃料供應(yīng)、灰渣清運(yùn)和煙氣排放，減少了上煤、除渣對(duì)環(huán)境造成的二次污染以及煙氣排放對(duì)空氣造成的污染，屬于綠色環(huán)保類產(chǎn)品，符合節(jié)能減排的要求。

3.4 從適用范圍來(lái)講

空氣源熱泵型熱水機(jī)組的工作范圍比較寬，室外環(huán)境溫度在-15 ℃～40 ℃范圍內(nèi)，熱泵機(jī)組都能正常工作，能滿足我局管轄范圍內(nèi)沿線站區(qū)的室外環(huán)境溫度要求。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

以我局峰東鍋爐房空氣源熱泵改造前后的運(yùn)行成本為例進(jìn)行對(duì)比分析：

峰東鍋爐房原有一臺(tái)0.3 t采暖鍋爐，鍋爐的型號(hào)為CWNH-XM0.21MW-75/50，供暖面積890 m2，2013年改為空氣源熱泵，我們?nèi)「脑烨皟赡甑钠骄鶖?shù)據(jù)及改造后兩年的平均數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。其中改造前人工按照三個(gè)司爐工、五個(gè)月計(jì)算，月工資為1 474元/(月·人)，管理費(fèi)用包含段、車間全年包保人員下現(xiàn)場(chǎng)檢查以及化驗(yàn)人員、巡檢人員所需費(fèi)用，按照人工費(fèi)用的30%計(jì)算，維修費(fèi)用包含停爐保養(yǎng)、夏季整修、焚火準(zhǔn)備以及采暖期檢修費(fèi)用(內(nèi)含電器、化驗(yàn))，由車間全年維修計(jì)劃及補(bǔ)充計(jì)劃統(tǒng)計(jì)得出，排污費(fèi)按環(huán)保局收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)5元/m2計(jì)算。

表1 峰東鍋爐房改選前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表1可以看出，雖然采用空氣源熱泵技術(shù)后，用電量大幅增加，但因?yàn)槭菬o(wú)人值守，無(wú)燃料運(yùn)輸、無(wú)除渣，保養(yǎng)、維護(hù)成本低，每年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用節(jié)約110 605-83 215=27 390元，每平方米節(jié)約124.28-93.5=30.78元。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析我們可以看出，空氣源熱泵與鍋爐相比，雖然存在一些缺點(diǎn)，比如加熱速度慢，一次性投入大、加熱水溫有限等，但相比其優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，比如一次性投入大的缺點(diǎn)，當(dāng)短期內(nèi)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用大大節(jié)約時(shí)，完全可以忽略不計(jì)。而且隨著國(guó)際性能源短缺，煤價(jià)、油價(jià)、天然氣的價(jià)格越漲越高，清潔能源應(yīng)用的普及以及環(huán)保要求越來(lái)越高，空氣源熱泵采暖的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越凸顯。

針對(duì)其在高寒地區(qū)(-15 ℃以下區(qū)域)運(yùn)行能力差的問(wèn)題，筆者認(rèn)為采用空氣源熱泵輔以電鍋爐的運(yùn)行方式，即：在初寒期、末寒期及日間溫度較高時(shí)以空氣源熱泵運(yùn)行，在寒冷期和夜間以電鍋爐方式運(yùn)行，也是一種有效解決鐵路沿線站區(qū)燃煤鍋爐污染環(huán)境、降低運(yùn)行成本的有效途徑。

綜上所述，筆者認(rèn)為在我局所處的華北地區(qū)特別適合推廣空氣源熱泵作為沿線站區(qū)燃煤鍋爐的替代產(chǎn)品。

[1] 空氣源熱泵熱水器熱效率達(dá)到400%[DB/OL].[2009-08-17].慧聰暖通制冷網(wǎng).

[2] 空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用比較[Z].

On exploration for air source pump in energy resources reconstruction at station areas along railways

Duan Guiying

(TaiyuanRailwayHousingConstruction,Datong-QinhuangdaoRailwayCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

Combining with the examples, the paper explores the application of the air source pump in energy resources reconstruction at station areas along railways from its feasibility and money-saving according to the heating supply status at the stations, so as to provide some selection channel for the clean energy resource reconstruction at the stations.

air source pump, stations along railways, clean energy resource reconstruction

2015-03-27

段桂英(1967- )，女，工程師

1009-6825(2015)16-0150-03

TU833.3

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