空氣源熱泵在鐵路企業(yè)的應用

張宇峰

（中國鐵路太原局集團公司物資管理處，山西太原 030013）

0 引言

人們可以利用水泵將水從相對較低的位置輸送到高處，對于熱能也是如此，雖然熱量的流動方向是高溫流向低溫，但是通過熱泵的使用，可以達到將熱量從低溫傳遞到高溫區(qū)的目的。

一般來說，鐵路企業(yè)中的空氣源熱泵機組主要由5大部分組成，分別是壓縮機、冷媒、蒸發(fā)器、冷熱交換器、節(jié)流裝置（膨脹閥）等?？諝庠礋岜迷谡９ぷ骱瓦\行過程中，通常會發(fā)生一定的能量交換，具體可分為3大過程[1]。

（1）吸熱轉(zhuǎn)化過程。在此過程中，處于溫度和氣壓都相對較低的液態(tài)冷媒由于蒸發(fā)器中對空氣中熱量的吸收，而由液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。

（2）壓縮轉(zhuǎn)化過程。處于氣溫和氣態(tài)都相對較低的冷媒氣體在電能輸入和壓縮機作用的條件下，會向著高溫、高壓轉(zhuǎn)變。

（3）放熱轉(zhuǎn)化過程。在此過程中，處于溫度和壓力都相對較高狀態(tài)的氣態(tài)冷媒會與冷水發(fā)生熱量交換作用，冷水得到加熱，而冷媒則是由于熱量的散發(fā)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。

在經(jīng)歷了上述3大過程以后，冷媒又會轉(zhuǎn)變?yōu)橐郧暗臏囟群蛪毫Χ枷鄬^低的液態(tài)，吸收熱量的功能也會恢復。空氣源熱泵實際上就是一種提取熱量的設(shè)備。可以簡單地說，就是從周圍空氣中吸取熱量，隨后將其中的熱量散播給需要加熱的物體[2]。

1 空氣源熱泵系統(tǒng)的應用實例

以我國某鐵路企業(yè)為例，該企業(yè)有上行和下行2個列檢所，共包括工作人員266人，需要的熱水數(shù)量約10 t。在以往的熱水供應中是使用2臺燃煤鍋爐，年耗煤450 t。

到2017年為止，企業(yè)引用了空氣源熱泵系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備。在上行列檢所中配備了1臺沃姆牌空氣源熱泵卓越系列MWV-L300T1/St熱水機組和容量為7 t的水箱；在下行列檢所則是配備了1臺沃姆牌空氣源熱泵卓越系列MWV-LB210T1/S熱水機組和1臺容量為5 t的水箱。該企業(yè)所使用的水箱均是使用厚度為4 mm的不銹鋼水箱，水箱表面覆蓋5 cm厚的巖棉板保溫，最后在水箱的最外層覆蓋一層彩鋼板。

2 效果分析

2.1 經(jīng)濟效益對比

通過一段時間的使用，發(fā)現(xiàn)應用了空氣源熱泵以后，能耗發(fā)生了極大改變（表1）。

表1 某鐵路企業(yè)列檢所空氣源熱泵改革前后對比

由表1可知，上行列檢所進行空氣源熱泵改革以后，整體運行費僅僅為尚未實施改革前的47.1%，每年可以節(jié)省出14.8萬元人民幣的運行費，如果此次改革投資約18萬元人民幣的話，僅僅需要1.2 a就可以收回成本；下行列檢所改革之后的運行成本僅為改革前運行前成本的46%，每年可節(jié)省運行費用13.6萬元人民幣，如果改革需要13萬元人民幣的投入，0.96 a即可獲得回報。

2.2 節(jié)能效果對比

實施空氣源熱泵改造前和改造后的耗能對比見表2。

根據(jù)表2可以得知，在上行列檢所中，空氣源熱泵改造后僅僅需要39.4 t標準煤，是改造前綜合能耗的20.6%，生產(chǎn)熱水單耗僅為12.1 kg標準煤/t熱水，節(jié)能效率高達65.1%；而在下行列檢所中，空氣源熱泵改造后僅僅需要使用32.24 t的標準煤，占改造前能耗總量的19.5%，生產(chǎn)熱水單耗標煤僅為11.5 kg/t，節(jié)能率達到65.3%。

表2 鐵路企業(yè)上下行列檢所空氣源熱泵改革前后能耗對比

2.3 減排效果對比

調(diào)查得知，該鐵路企業(yè)改造前，上行和下行所用燃煤鍋爐所產(chǎn)生的二氧化硫氣體分別為3.85 t和3.33 t,煙塵以及其他顆粒物的排放為9.62 t和8.33 t。在上行和下行列檢所中實行空氣源熱泵改造以后，基本上不排放二氧化硫等廢氣和煙塵等顆粒物，減排效果顯而易見。

2.4 噪聲方面的改善

在該企業(yè)以往的鍋爐燃煤供熱的過程中，為了保證熱量的充足，鼓風機和引風機是必不可少的，而且其噪聲基本都是處于（70～85）dBA，再加上高壓蒸汽排放所產(chǎn)生的噪聲，使得列車在經(jīng)過時經(jīng)常會伴有巨大的噪聲，既影響到了列車工作人員和乘客的環(huán)境，同時對鐵路沿線和上行以及下行列檢所附近居民的生活環(huán)境也造成了一定的影響。

實施可空氣源熱泵改造以后，冷卻塔等噪聲源大幅減少，經(jīng)準確檢測得知，上行和下行列檢所空氣源熱泵所產(chǎn)生的噪聲僅僅在（50～60）dBA。

3 空氣源熱泵系統(tǒng)實施效果評價

從上述分析可知，鐵路企業(yè)應用空氣源熱泵系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，不僅在很大程度上改善了以往的供熱方式，同時操作和維護工作也相對簡便。

3.1 供熱效果優(yōu)越、系統(tǒng)穩(wěn)定

通過調(diào)查和研究我們發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵的平均COP（Coefficient of Performance，性能系數(shù)）在1.8～4，同時與太陽能供熱這種方式對比，空氣源熱泵可以最大程度的降低陰雨等天氣的影響，及時氣候環(huán)境較為惡劣，也能夠連續(xù)進行加熱，系統(tǒng)相對較為穩(wěn)定。

3.2 節(jié)能減排效果優(yōu)異且投資回收期相對較短

通過計算得知，空氣源熱泵工作的單位能耗僅僅只為燃煤鍋爐的1/3，同時可以大幅減少傳統(tǒng)燃煤鍋爐運行所需成本，再加上空氣源熱泵投資成本相對較低，1 a左右即可收到回報；除此之外，空氣源熱泵系統(tǒng)在其運行的過程中也不會產(chǎn)生諸如二氧化硫和煙塵等污染物，節(jié)能減排效果優(yōu)異。

3.3 安裝方便、維護簡易

對于空氣源熱泵來說，其安裝時需要的空間是相對較小的，僅僅需要與空調(diào)外掛機大小相似的空間即可，在安裝時將其與保溫水箱或供暖管網(wǎng)相連接，后期便不需要任何工作人員看管，便可以全自動的進行運行，同時其后期的維護工作也十分簡便。

4 空氣源熱泵系統(tǒng)推廣應用的前景展望

4.1 空氣源熱泵是可再生能源利用的典范[3]

從某種程度來說，空氣中的熱能主要是來源于太陽的輻射的，太陽能資源儲量十分豐富且分布也較為廣泛，是取之不盡、用之不竭的，且屬于一種清潔能源，不會產(chǎn)生任何對環(huán)境或是生態(tài)造成破壞的物質(zhì)。隨著人民環(huán)保意識和節(jié)能減排意識的樹立和增強，可以充分利用太陽能源的空氣源熱泵，可以作為清潔能源和可再生能源充分利用的典范進行大力地推廣和普及。

4.2 空氣源熱泵的推廣和普及要從實際出發(fā)

對于空氣源熱泵來說，保障其正常工作和運轉(zhuǎn)的室外溫度為（-10～40）℃，可以在我國大多數(shù)地區(qū)應用和普及，但是個別地區(qū)如黑龍江哈爾濱等城市冬季氣溫低于-10℃地區(qū)，就要引起特別注意。當室外氣溫過低時，空氣源熱泵的外機就會出現(xiàn)不同程度的霜凍問題，嚴重時必須要頻繁的關(guān)機來進行除霜工作。除此之外，由于空氣源熱泵主要是利用壓縮產(chǎn)生熱量的方式來進行加熱的，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，其產(chǎn)生的熱量和熱量的供給相對較慢，出水溫度一般處于60℃左右，水源熱泵有可能達到80℃。由此也可以看出，這種空氣源熱泵普遍使用與南方地區(qū)或者是夏季的北方地區(qū)，對于冬季的北方部分地區(qū)和極寒地區(qū)則不適用。

4.3 空氣源熱泵系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)的組合

太陽能熱水系統(tǒng)是一種充分利用太陽能來對冷水進行加熱和保溫的系統(tǒng)，其節(jié)能環(huán)保的功能方面也較為優(yōu)越。但是這種太陽能熱水系統(tǒng)十分容易受到氣候條件的影響，例如陰雨天產(chǎn)生熱量就相對較少，而空氣源熱泵即使是處于陰雨條件下也可以正常穩(wěn)定的運行，因此這兩種系統(tǒng)可以適當?shù)挠袡C結(jié)合，來滿足不同的供熱需求。例如在大型的中央熱水系統(tǒng)中，將空氣源熱泵與太陽能系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補，兩者互為輔助熱源，就可以最大程度地充分且有效地對太陽能和空氣熱能進行利用。不僅在很大程度上解決了太陽能系統(tǒng)陰雨天氣產(chǎn)生熱能較少的問題，同時也解決了空氣源熱泵冬季寒冷氣候產(chǎn)生熱量較少的問題，從真正意義上實現(xiàn)了全年、全天候的熱能供應。目前，我國部分鐵路企業(yè)已經(jīng)采用了這種“太陽能-熱泵”聯(lián)合供熱系統(tǒng)工程，也取得了相對較好的成果。

5 結(jié)束語

不管是在熱水供應，還是供暖方面，空氣源熱泵系都具有相當大的發(fā)展和應用的空間，特別是在鐵路沿線工區(qū)、辦公樓和機輛恒溫檢修庫等場所，其應用前景是非常光明的。特別是在時代不斷進步和科技持續(xù)發(fā)展的背景下，國家乃至全社會對于節(jié)能減排和節(jié)約資源的呼聲和要求也會愈發(fā)的迫切，由此可見空氣源熱泵技術(shù)在鐵路企業(yè)的應用和普及不僅僅是鐵路企業(yè)節(jié)能減排、擴大經(jīng)濟效益的有效措施，同時也是時代發(fā)展的必然趨勢。