二氧化碳熱泵清潔能源轉(zhuǎn)型路徑探索

傅永泉

陜西北方人居環(huán)境科技有限公司，陜西 西安 710054

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)人類(lèi)健康的要求越來(lái)越高，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)日益增強(qiáng)。當(dāng)前，中國(guó)許多地區(qū)的供暖系統(tǒng)都使用鍋爐作為解決方案，而這些資源（天然氣、煤炭、石油等）是不可再生的且較為稀缺，因此，國(guó)內(nèi)清潔能源發(fā)展勢(shì)頭猛進(jìn)，企業(yè)清潔能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。清潔能源作為一種新的能源利用技術(shù)，它不是一種簡(jiǎn)單的分類(lèi)，而是一種能源使用的技術(shù)系統(tǒng)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性并對(duì)排放水平有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求[1-3]。從“新時(shí)代”中國(guó)能源部門(mén)的發(fā)展形勢(shì)看，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變必然要求能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中有序推行“綠色能源選擇”。黨的十九大對(duì)我國(guó)能源發(fā)展做出又一重大部署，積極把生態(tài)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢(shì)，堅(jiān)決扛起生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展大旗，適度有序發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)，使新能源發(fā)展匯聚起巨大的綠色能量[4]。北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃表明，堅(jiān)持清潔替代，安全發(fā)展；因地制宜，居民可承受。當(dāng)前，中國(guó)“能源轉(zhuǎn)型”主要包括兩個(gè)方面：一方面，既要有效利用電能替代散燒煤、燃油等能源消費(fèi)方式，又要大力發(fā)展清潔能源電力替代低效率的火力發(fā)電產(chǎn)方式，即“電能替代”；另一方面，有必要做到科學(xué)改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)[5]。因此，清潔能源和普通能源發(fā)展齊頭并進(jìn)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，才能互促發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境與人居環(huán)境。

本文以新疆鄯善大步車(chē)站為案例，研究寒冷環(huán)境中車(chē)站的供暖方式，分析了外界環(huán)境對(duì)新疆大步站點(diǎn)的作用，并匹配了可供寒冷地區(qū)使用的二氧化碳熱泵采暖機(jī)組的采暖系統(tǒng)，配合二氧化碳熱泵和采暖水路系統(tǒng)以達(dá)到正常供暖需求，以探索清潔能源的推廣和轉(zhuǎn)型路徑。

1 案例分析

1.1 新疆鄯善大步車(chē)站條件分析

1.1.1 環(huán)境條件

新疆大步車(chē)站位于新疆鄯善縣，鄯善縣屬于溫帶大陸性氣候，夏季最高溫度可達(dá)48 ℃，冬季最低溫度可達(dá)-29.7 ℃，晝夜溫差十分大，平均溫差最大可達(dá)17 ～26.6 ℃，日照充足，其日照時(shí)數(shù)2900 ～3100 h，年均氣溫為11.3 ℃，年均降水量為25 mm。

1.1.2 建筑條件

大步站點(diǎn)建于1960 年，作為一個(gè)綜合性鐵路站點(diǎn)，有兩個(gè)約2000 m2的建筑用地，其中冬季供暖的主要方式為煤鍋爐。兩處建筑均為磚混結(jié)構(gòu)，外窗均為塑鋼窗，均無(wú)保溫隔熱措施。大步車(chē)站提供的往年鍋爐維護(hù)記錄，詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 大步車(chē)站鍋爐維護(hù)記錄 單位：℃

1.1.3 環(huán)境溫度對(duì)常規(guī)制冷劑熱泵系統(tǒng)的影響

普通熱泵在-40 ～-30 ℃時(shí)，機(jī)組無(wú)法運(yùn)行，對(duì)環(huán)境污染大且能源消耗大。對(duì)大步車(chē)站進(jìn)行綠色節(jié)能改造，不僅需要因地制宜，不影響車(chē)站正常運(yùn)營(yíng)，還需要滿(mǎn)足車(chē)站供暖的基本需求。在不改變站內(nèi)采暖終端的情況下，采用常規(guī)制冷劑熱泵作為熱源，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)正常工況下常規(guī)制冷劑熱泵壓比值為14，已經(jīng)超出正常運(yùn)行范圍的規(guī)定值域，所以，常規(guī)制冷劑不能滿(mǎn)足低溫地區(qū)高溫出水采暖的應(yīng)用方式。

1.1.4 環(huán)境溫度對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)的影響

二氧化碳工質(zhì)的臨界溫度（31.1 ℃）較低，與環(huán)境溫度相近，二氧化碳制冷循環(huán)高溫放熱溫度須高于此溫度才能實(shí)現(xiàn)放熱。二氧化碳的制冷循環(huán)是跨臨界循環(huán)，放熱過(guò)程位于超臨界區(qū)，有很大的溫度變化，這個(gè)變化與加熱水所需變溫?zé)嵩聪嗤?，?dāng)用于熱泵循環(huán)中時(shí)，熱源是緊湊的并且具有高的熱傳遞能力。 因此，二氧化碳在低溫下的高效率使其能夠成為采暖領(lǐng)域的第一選擇。

1.2 二氧化碳熱泵機(jī)組系統(tǒng)的匹配

1.2.1 低環(huán)境溫度下，二氧化碳熱泵系統(tǒng)的技術(shù)研究

（1）跨臨界二氧化碳熱力過(guò)程系統(tǒng)數(shù)值分析

通過(guò)為二氧化碳換熱器系統(tǒng)建立數(shù)值模擬系統(tǒng)，分析了運(yùn)行條件和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)二氧化碳加熱系統(tǒng)性能的影響，揭示了漸進(jìn)式二氧化碳過(guò)程中的最大壓力調(diào)節(jié)規(guī)律并建立了二氧化碳熱泵系統(tǒng)。

（2）二氧化碳跨臨界循環(huán)的熱氣除霜方法也是研究的重點(diǎn)，基于對(duì)熱氣除霜過(guò)程中系統(tǒng)過(guò)程特征的分析，開(kāi)發(fā)了空氣穿透二氧化碳泵加熱器源的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)壓力測(cè)試的結(jié)果和每個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的溫度，分析了除霜過(guò)程中的系統(tǒng)周期以及特性，規(guī)律表明，熱泵系統(tǒng)的流量在放電過(guò)程中會(huì)增加，氣體冷卻器溫度下降，因此提高氣源處的二氧化碳溫度是提高除霜性能的關(guān)鍵。

（3）對(duì)跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比分析表明，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性，為跨臨界二氧化碳熱泵設(shè)計(jì)方法的提出奠定了基礎(chǔ)。

1.2.2 EMCP 多能源控制平臺(tái)，軟件選型的技術(shù)研究

（1）強(qiáng)大的硬件支持與擴(kuò)展的功能

Windows Server 2008 R2 包括特定CPU 的增強(qiáng)功能。首先，此版本擴(kuò)展了對(duì)CPU 的支持，使客戶(hù)可以運(yùn)行的邏輯處理器多達(dá)256 個(gè)。其次，R2 還支持第2 層地址轉(zhuǎn)換（SLAT），這使R2 可以利用最新AMD CPU 提供的增強(qiáng)頁(yè)表功能，以及最新的Intel 處理器提供的嵌套頁(yè)表功能。這些功能的組合使R2 服務(wù)器支持更加完善的內(nèi)存管理。

（2）Windows Server 2008 R2 中的Hyper-V

Windows Server 2008 R2 實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)Microsoft虛擬化技術(shù)Hyper-V 期待已久的更新。新的Hyper-V旨在增強(qiáng)現(xiàn)有的虛擬機(jī)管理，同時(shí)解決特定的IT 問(wèn)題，尤其是關(guān)于服務(wù)器遷移的問(wèn)題。Hyper-V 技術(shù)促進(jìn)了Windows Server 2008 R2 的Marquee 功能之一（即實(shí)時(shí)遷移）的實(shí)現(xiàn)。利用Hyper-V 1.0 版，Windows Server 2008 能夠?qū)崿F(xiàn)快速遷移，在物理主機(jī)之間移動(dòng)虛擬機(jī)只需幾秒鐘的停機(jī)時(shí)間就可以完成。

（3）Web 和應(yīng)用程序服務(wù)器

Windows Server 2008 R2 包含許多更新，使其成為非常可靠的Windows Server 應(yīng)用程序平臺(tái)，最重要的更新是新的Internet 信息服務(wù)7.5 版（IIS 7.5）。通過(guò)擴(kuò)展IIS 管理器、實(shí)現(xiàn)IIS PowerShell 提供程序和在服務(wù)器核心利用。IIS 7.5 還整合了新的支持和疑難解答功能，包括配置日志記錄和專(zhuān)用的最佳實(shí)踐分析器。

1.2.3 解決的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新內(nèi)容

（1）除霜特性技術(shù)研究

通過(guò)與實(shí)時(shí)得到的蒸發(fā)器表面霜層變化圖像相結(jié)合，對(duì)蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)除霜過(guò)程進(jìn)行分析，觀測(cè)了熱氣除霜的直觀效果，完整的除霜過(guò)程持續(xù)時(shí)間為600 s，熱氣除霜的效率為35.6%。依實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，能夠用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)除霜的有效可行的方法是熱氣除霜方法。

（2）最優(yōu)排氣壓力控制策略關(guān)鍵技術(shù)研究

影響熱泵系統(tǒng)中最佳排氣壓力的主要因素是跨臨界二氧化碳熱泵單元，對(duì)該單元進(jìn)行焓艙內(nèi)的制熱性能測(cè)試。由結(jié)果知，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力和空氣冷卻器的出口溫度隨著排氣壓力的增加而減小，過(guò)熱度隨著排氣壓力的增加而增大，制熱量與制熱能效的比值隨著排氣壓力的增加而先增大，然后再減小，并且有一個(gè)最佳值。為了估計(jì)獨(dú)立于環(huán)境溫度和出水溫度的最佳排氣壓力，只要入口水溫度（環(huán)境水溫）基本不變化，就可以通過(guò)數(shù)據(jù)擬合以創(chuàng)新的方式提出實(shí)驗(yàn)相關(guān)公式作為自變量。實(shí)驗(yàn)比較表明，當(dāng)系統(tǒng)推算最佳排氣壓力時(shí)，制熱能效比與實(shí)驗(yàn)最優(yōu)值之間的偏差小于1.3%，并且環(huán)境溫度和出水溫度是預(yù)測(cè)最佳排氣壓力作為自變量的方法，是一種值得同行參考的有效方法。

（3）二氧化碳熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)的技術(shù)研究

二氧化碳熱泵熱水器采用周期性的往復(fù)水流方式，實(shí)現(xiàn)了水與二氧化碳制冷劑蒸發(fā)過(guò)程之間的溫度變化匹配，其循環(huán)過(guò)程與洛倫茲循環(huán)過(guò)程相似，可以交換良好的熱量。由于二氧化碳在冷凝段處于跨臨界循環(huán)中，壓縮機(jī)的吸氣壓力比臨界壓力低，且臨界溫度高于蒸發(fā)溫度?；谶@種工況，二氧化碳冷凝段利用水來(lái)進(jìn)行換熱，二氧化碳處于跨臨界狀體是用顯熱來(lái)?yè)Q熱，對(duì)水側(cè)來(lái)說(shuō)就是存在一個(gè)相當(dāng)大溫度滑移（80 ～100 ℃）的吸熱過(guò)程。所以二氧化碳熱泵可以將供水溫度提高到90 ℃以上，完全匹配了原來(lái)利用明裝暖氣片高溫差散熱的條件。

（4）物聯(lián)網(wǎng)、可視化智能系統(tǒng)的技術(shù)研究

基于新疆大步車(chē)站實(shí)地情況及機(jī)組運(yùn)行需要，設(shè)計(jì)一款帶有物聯(lián)網(wǎng)功能及可視化操作的智能系統(tǒng)，能為機(jī)組與機(jī)組、機(jī)組與操控人員之間架起一座橋梁。這是一種RVCS 多熱源系統(tǒng)遠(yuǎn)程可視化智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)置于辦公室的服務(wù)器及設(shè)置于多熱源控制現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、PLC 和以太網(wǎng)模塊。所述服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和以太網(wǎng)模塊分別通過(guò)路由器連接在同一網(wǎng)絡(luò)上，能夠?qū)μ幱谶h(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)多熱源的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)多熱源的監(jiān)視和控制，極大地方便了遠(yuǎn)程的管理，提高了運(yùn)行管理的效率，并能共享管理，節(jié)省運(yùn)行、維護(hù)成本。

2 結(jié)果分析

在二氧化碳熱泵機(jī)組系統(tǒng)的匹配過(guò)程中，工程克服了最優(yōu)排氣壓、除霜等一系列難題，并在技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，打造智能化清潔取暖方式。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加熱季節(jié)應(yīng)用觀察，并每隔2 h 對(duì)站房溫度和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度接近-10 ℃時(shí)，二氧化碳熱泵機(jī)組仍可以正常運(yùn)行，并且2臺(tái)就可以維持2000 m2建筑的采暖，并且能效為2.5 或更高，其實(shí)際數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 大步車(chē)站采暖實(shí)際數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

①通過(guò)二氧化碳熱泵機(jī)組用于新疆大步車(chē)站冬季供暖的研究，對(duì)所有機(jī)器運(yùn)行和供暖溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。實(shí)踐證明在能效比和應(yīng)用方面，更換燃煤鍋爐后，更換的熱源設(shè)備無(wú)須更換采暖終端及水泵等硬件設(shè)備即可達(dá)到預(yù)期效果，說(shuō)明二氧化碳熱泵機(jī)組在寒冷地區(qū)的采暖應(yīng)用是可行的。

②在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、政策影響下，清潔能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)存在一定的弱勢(shì)，其市場(chǎng)受到其他能源技術(shù)現(xiàn)有規(guī)模的制約和影響。而清潔能源轉(zhuǎn)型成功，首先是具備了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)技術(shù)支撐，并在不斷創(chuàng)新發(fā)展；其次，因地制宜，合理地考慮了不同地區(qū)能源發(fā)展?fàn)顩r和安全需求。而很多追求一次性能源轉(zhuǎn)型的模式并不能合理地反映需求，且創(chuàng)新研發(fā)投入不能支撐長(zhǎng)期發(fā)展，導(dǎo)致后勁不足。因此，企業(yè)清潔能源轉(zhuǎn)型邏輯和轉(zhuǎn)型思維仍需盡早轉(zhuǎn)變。

③在“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展背景下，清潔能源產(chǎn)業(yè)與信息行業(yè)的融合創(chuàng)新發(fā)展成為大勢(shì)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)在清潔能源行業(yè)的應(yīng)用逐漸增多，能源生產(chǎn)和消費(fèi)向智能化、便捷化方向轉(zhuǎn)型。企業(yè)在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中應(yīng)完善人才引育模式，加大科研投資力度，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，不斷為轉(zhuǎn)型注入新鮮血液。

④以市場(chǎng)為導(dǎo)向，構(gòu)建具有合理激勵(lì)、涵蓋經(jīng)濟(jì)手段和技術(shù)手段的長(zhǎng)效機(jī)制，“能源轉(zhuǎn)型”過(guò)程的重心應(yīng)逐漸從“僅注重產(chǎn)品”向“兼顧服務(wù)質(zhì)量”和“健康環(huán)?！钡姆较蜻^(guò)渡；同時(shí)有序引導(dǎo)“綠色能源選擇”和“電力創(chuàng)新”，利用不同的轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化組合影響轉(zhuǎn)型行為和升級(jí)過(guò)程。