CO2空氣源熱泵應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)間接加熱供水系統(tǒng)的研究

王 朗 李薇薇

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

基于我國承諾“CO2排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的大背景下，以空氣源熱泵系統(tǒng)為代表的清潔能源受到廣泛關(guān)注，與其他傳統(tǒng)的能源相比，更節(jié)能、環(huán)保和安全，但是有以下2種因素限制其應(yīng)用：1）低溫環(huán)境下COP值較低，熱媒出水溫度也較低，一般須配備輔助熱源[1]，按規(guī)范《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50015—2019（以下簡稱“建水標(biāo)準(zhǔn)”）第6.6.7-5-3條，不宜用于最冷月平均低溫低于0℃的北方地區(qū)[2]。2）“建水標(biāo)準(zhǔn)”細(xì)化了空氣源熱泵直接加熱供水系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積的計算（《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7-2條），但對間接加熱系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積如何確定，規(guī)范沒有說明，不同設(shè)計人員對規(guī)范的解讀不一致，導(dǎo)致計算時選取參數(shù)不合理，選的過大會形成浪費(fèi)，選的偏小又會令用戶熱水不足。針對以上情況，該文對CO2空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的運(yùn)行工況進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)例對間接和直接加熱供水系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積計算方法進(jìn)行對比。

1 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)簡介

1.1 CO2空氣源熱泵間接加熱供水系統(tǒng)研究背景

首先，低溫環(huán)境下傳統(tǒng)空氣源熱泵COP值較低、熱媒出水溫度較低，不宜應(yīng)用于北方地區(qū)，通過很多學(xué)者不斷試驗(yàn)和研究，開發(fā)一種利用R744（CO2）/R134a 復(fù)疊系統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)，其優(yōu)勢為將差值大的壓比（從高溫/高壓到低溫/低壓）分解為兩級，低壓級工況用R744（CO2）抬高起來，高壓級工況仍用R134a供熱，這樣整個機(jī)組更好地結(jié)合，解決了僅利用單級R134a無法在低溫工況下運(yùn)行的問題，相比單級效率更高，可以保證在低溫環(huán)境下，COP值和熱泵熱媒出水溫度維持在較高水平，提高了北方地區(qū)空氣源熱泵實(shí)際應(yīng)用性。

其次，部分項(xiàng)目位于北方偏僻寒冷地區(qū)，在常年無人值守、供電不穩(wěn)定、經(jīng)常停電和進(jìn)水總硬度也偏高的情況下，如果采用空氣源熱泵直接加熱系統(tǒng)，一旦停電，放置于室外的空氣源熱泵機(jī)組容易凍壞，形成較大經(jīng)濟(jì)損失，同時避免熱媒介質(zhì)對設(shè)備和管路的腐蝕和堵塞，影響供熱效果，上述地區(qū)宜采用熱泵機(jī)組內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)的間接加熱系統(tǒng)更合理，雖然CO2空氣源熱泵系統(tǒng)解決了北方寒冷地區(qū)應(yīng)用的難題，但是其大部分研究仍然基于直接加熱系統(tǒng)，對間接加熱系統(tǒng)研究較少，其計算方法規(guī)范也未明確，仍有待研究。

1.2 CO2空氣源熱泵（復(fù)疊系統(tǒng)）原理

CO2空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用基于逆卡諾循環(huán)原理，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變，在二者循環(huán)往復(fù)的過程中達(dá)到連續(xù)制熱的效果。優(yōu)化后的R744（CO2）/R134a 復(fù)疊系統(tǒng)如圖1所示，低溫部分采用R744作為工質(zhì)，高溫部分為R134a工質(zhì)。與其他常規(guī)制冷劑相比，即使處在低溫，R744（CO2）的黏度也非常小，傳熱性能良好，效率衰減慢。利用R744這一獨(dú)特性，通過蒸發(fā)器吸收室外空氣的熱量，并通過蒸發(fā)冷凝器將熱量傳遞給系統(tǒng)高溫部分，高溫部分采用R134a作為工質(zhì)，通過冷凝器將吸收的熱量再傳遞給用戶供采暖和生活熱水使用。

圖1 CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)原理圖

1.3 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對比

CO2空氣源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵相比優(yōu)勢較明顯，但其造價偏高，具體見表1。

表1 CO2和傳統(tǒng)空氣源熱泵優(yōu)缺點(diǎn)對比

1.4 CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)節(jié)能分析

發(fā)電廠平均效率取38.7%，按長距離輸電電網(wǎng)損失10%，按冬季熱泵的COP為2.8，CO2空氣源熱泵系統(tǒng)一次利用能源利用率為0.387×0.9×2.8=97.5%；鍋爐的平均效率取為75%，考慮長距離運(yùn)輸損失綜合算20%，鍋爐一次利用能源利用率為0.75×0.8=60%；燃?xì)獾钠骄蕿?0%~75%。

按冬季COP最不利情況，CO2空氣源熱泵系統(tǒng)的能源利用率仍比鍋爐和燃?xì)飧?0%，按夏季熱泵的COP為3.5~4.0計算，CO2空氣源熱泵系統(tǒng)一次利用能源利用率為0.387×0.9×3.5~4.0=122~139%，比鍋爐和燃?xì)飧咭槐兑陨?，?jié)能效果顯著。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

某綜合樓位于北方某寒冷地區(qū)，最冷月平均氣溫-15℃，水硬度較高且位置偏僻，供電不穩(wěn)定，經(jīng)常停電。該樓涵蓋宿舍、小型超市和健身中心等配套功能，總建筑面積6057.27m2，地上5層，建筑高度21m。熱水供應(yīng)樓層為2層~5層，共304人，每4人一間宿舍，宿舍內(nèi)有獨(dú)立衛(wèi)生間。按全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，熱源為CO2空氣源熱泵，由于項(xiàng)目位置偏僻且供電不穩(wěn)定，為了防止長期停機(jī)出現(xiàn)管道結(jié)冰、凍裂現(xiàn)象和室外熱泵機(jī)組凍壞情況，同時也可以避免循環(huán)系統(tǒng)中熱媒介質(zhì)對設(shè)備、管路的腐蝕和管路堵塞結(jié)垢腐蝕后熱泵效率衰減進(jìn)而影響供熱效果，因此熱泵機(jī)組采用間接加熱供水系統(tǒng)，熱泵機(jī)組內(nèi)部利用乙二醇工質(zhì)循環(huán)，泵房內(nèi)利用工程上常用的內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水。

2.2 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量計算

參考《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.1條第2款，宿舍（居室內(nèi)設(shè)置衛(wèi)生間）采用全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)計小時耗熱量的計算如公式（1）所示[2]。

式中：Qh為設(shè)計小時耗熱量（kJ/h）；m為用水計算人數(shù)；qr為熱水用水定額（L/人·d）；tr為熱水溫度（℃）；C為水的比熱（kJ//kg·℃）；t1為冷水溫度（℃）；ρr為熱水溫度（kg /L）；T為每日使用時間（h）；Cγ為熱水供應(yīng)系統(tǒng)熱損失系數(shù)；Kh為小時變化系數(shù)。

綜合樓熱水定額取值按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1-1宿舍（居室內(nèi)設(shè)置衛(wèi)生間），計算見表2。

表2 綜合樓設(shè)計小時耗熱量計算表

2.3 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量和貯熱水箱容積計算

直接和間接加熱供水系統(tǒng)兩種計算方法如下所述。

2.3.1 直接加熱供水系統(tǒng)

無論是空氣源熱泵還是水源熱泵，在規(guī)范中對貯熱水箱容積計算和熱泵設(shè)計小時供熱量只有一種算法，即直接加熱系統(tǒng)的計算方法。按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第1款3）和第3款1），如公式（2）和公式（3）所示。

式中：Qg為熱泵設(shè)計小時供熱（kJ/h）；Vr貯熱水箱（罐）總?cè)莘e（L）；k1為用水均勻性的安全系數(shù)；T1為設(shè)計小時耗熱量持續(xù)時間（h）；T5為熱泵機(jī)組設(shè)計工作時間（h）；其他參考上式。

根據(jù)規(guī)范《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第3款及條文說明可知，上述公式為當(dāng)水源熱泵間接換熱時采用板式水加熱器配置貯熱水箱（罐）的計算方法，由于板式水加熱外置，并不占用貯熱水箱的空間，因此，等價于貯熱水箱內(nèi)其實(shí)不含加熱盤管（將加熱盤管外置，也就是板式水加熱器）。上述公式可以理解為直接加熱系統(tǒng)貯熱水箱的計算方法。

按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第5款6）和7），當(dāng)空氣源熱泵采用直接加熱系統(tǒng)時，可以按上述公式計算熱泵設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積。Qg和Vr計算結(jié)果見表3。

表3 直接加熱熱泵設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積表

2.3.2 間接加熱供水系統(tǒng)

首先需要區(qū)分一個概念，用于間接水加熱系統(tǒng)內(nèi)置加熱盤管的貯熱水箱，其設(shè)計小時供熱量不等同于空氣源熱泵設(shè)計小時耗熱量，兩者計算原理有本質(zhì)區(qū)別。

由《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條可知，集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中各種貯熱設(shè)備的設(shè)計小時供熱量與其貯熱體積有直接關(guān)系，可以簡單地總結(jié)為貯熱容積越大，其設(shè)計小時供熱量可以越小，例如導(dǎo)流型容積式水加熱或者與其貯熱容積相當(dāng)?shù)淖詭ПP管貯熱水箱等，其有一定貯存熱水的容積，設(shè)計小時供熱量與其貯存熱水的體積成反比；而對半容積式水加熱器，貯存熱水的容積相對較小，規(guī)范直接將設(shè)計小時供熱量等同于設(shè)計小時耗熱量，提高水加熱器供熱標(biāo)準(zhǔn)；而對半即熱式和快速式水加熱器，其貯存熱水的容積更小，幾乎可以忽略不計，這時對水加熱器供熱標(biāo)準(zhǔn)更高，設(shè)計小時供熱量不僅要滿足設(shè)計小時耗熱量，更需要按設(shè)計秒流量耗熱量來取值。

而對空氣源熱泵設(shè)計小時耗熱量，按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第1款3）條，其取值是按全天耗熱量平均分配到一天中熱泵機(jī)組設(shè)計工作多少小時來控制，一般不設(shè)輔助熱源取8h~12h，設(shè)輔助熱源可以取16h。

綜上所述，如果想求間接水加熱系統(tǒng)內(nèi)置加熱盤管的貯熱水箱容積，仍然需要知道其設(shè)計小時耗熱量。按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條第1款，如公式（4）所示。

公式（4）存在一個矛盾點(diǎn)，即Vr貯熱水箱（罐）總?cè)莘e需要計算求得，無法通過Vr求Qg；同理，不知道Qg也無法求出Vr。在實(shí)際工程計算中，一般須先靠經(jīng)驗(yàn)估算一個貯熱容積Vr，然后算出設(shè)計小時耗熱量Qg后，最后反推貯熱容積Vr，根據(jù)造價和產(chǎn)品選型最后確定相匹配的設(shè)計小時耗熱量Qg和貯熱容積Vr，這樣計算不太準(zhǔn)確。

該文通過分析研究和查閱資料，提出一種計算方法，簡單分析如下：Qh為設(shè)計小時耗熱量，Qg為設(shè)計小時供熱量，Qh減去Qg即為單位小時內(nèi)供熱量不滿足耗熱量的部分，即單位小時需要貯存的熱量。以這些為基礎(chǔ)，（Qh—Qg）·T貯應(yīng)該等于規(guī)定時間內(nèi)需要貯存的總熱量。將公式（4）引入“貯熱量”的變量變形，如公式（5）所示。

式中：η為有效貯熱容積系數(shù)；tr2為設(shè)計熱水溫度（℃）；t為貯水加熱器貯存熱量的時間；其他參考上式。

Qh和T貯如何取值可以參考《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11來估算，以該項(xiàng)目為例，熱媒為≤90的熱水，選用內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水，按規(guī)范T貯最小可取90min，為了保證貯熱效果，暫定T貯取值為120min。須注意tr2為設(shè)計熱水溫度，即熱媒的出水設(shè)計溫度，采用CO2空氣源熱泵系統(tǒng)，最冷月出水溫度也能維持65℃~70℃，取值結(jié)果見表4。

表4 間接加熱設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積表

將表4參數(shù)帶入公式，內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱設(shè)計小時供熱量過程如公式（7）所示。

內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯熱容積計算過程如公式（8）所示。

通過對比計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)間接加熱系統(tǒng)和直接加熱系統(tǒng)貯熱容積分別為10.6m3和16.2m3。從傳統(tǒng)認(rèn)知來看，計算結(jié)果似乎不太合理，在所有參數(shù)選取一致的情況下，一般間接加熱系統(tǒng)中的加熱盤管等占用容積，比直接加熱系統(tǒng)貯熱容積更大?？諝庠礋岜眠@一特殊熱源，通過對比上述公式發(fā)現(xiàn)，間接系統(tǒng)貯熱容積更小的原因如下：1）間接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的tr2為熱媒出水溫度，采用CO2空氣源熱泵系統(tǒng)，熱媒出水溫度較高；而規(guī)范中直接接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的tr為熱水溫度，須與熱水定額對應(yīng)，只能取60℃；2）間接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積選用內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水，按《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11，熱媒≤90℃的熱水T貯最小可取90min，該項(xiàng)目取120min已經(jīng)較高，而直接接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的T1為設(shè)計小時耗熱量持續(xù)時間，一般取2h~4h，該項(xiàng)目取4h，直接加熱系統(tǒng)存的熱水時間長，貯熱容積自然偏高。

須注意，以上按《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11計算貯熱量的算法為估算，基于不知道Qg和Vr的前提下。如果有特殊情況，Qg或Vr已提前知道其中一項(xiàng)，可以直接按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條公式計算另一個未知參數(shù)，不需要用“Qh×T貯=貯熱量”估算。

3 結(jié)論

該文通過研究CO2空氣源熱泵應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)間接加熱供水系統(tǒng)，得到如下結(jié)論：1）與傳統(tǒng)空氣源熱泵相比，CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)更環(huán)保和節(jié)能，冬季0℃~-35℃環(huán)境下出水溫度依然保持在40℃~75℃，COP為2.5以上，效率更高；2）與直接加熱供水系統(tǒng)相比，基于CO2空氣源熱泵系統(tǒng)在參數(shù)選取合理的情況下，可以實(shí)現(xiàn)間接系統(tǒng)貯熱水箱容積更??；3）引入“Qh×T貯=貯熱量”的概念，為間接加熱供水系統(tǒng)水加熱器設(shè)計小時供熱量和貯熱容積提供了一種新的計算思路，適用于多種不同類型的熱媒系統(tǒng)。