空气源热泵采暖技术在严寒地区选煤厂供暖的应用研究

刘飒

中煤西安设计工程有限责任公司，陕西  西安  710054

摘要：近年来有一些严寒地方应用了空气源热泵的采暖方式,这种方法在应用过程中即能环保,又可增强室内供暖系统的节水作用。在严寒地方可以通过复叠循环、双压缩等的方法减小水压比,又或者可以通过电加热压气机与热水界面间的吸气管道,从而增加了蒸汽压力、蒸发温度等。该报告通过对空气源热泵式采暖系统在中国北部严寒地区选煤厂使用现状的探讨,期望能使在中国北部严寒地区的选煤厂供暖效果有所提高。

关键词：空气源热泵；采暖技术；选煤厂；严寒地区

前言：

随着我国城镇化进程的加快，城镇建设用地规模急剧扩大，城镇建设用地的能源消耗也在不断上升，同时带来了日益严重的环境污染问题。为了应对日益严峻的能源环保问题，寻找一种洁净、高效的采暖方法已迫在眉睫[1]。空气源热泵采暖是一种清洁、高效、灵活的采暖形式，其发展前景十分广阔。但在高寒地区，常规空气能热泵因其性能下降、热效率下降等问题，已不能正常使用。为此，本文提出了几种新型的空气源热泵技术，但该技术在较冷的环境下的工作性能需要进一步研究。

一、研究现状

中国很多寒冷地区冬季供暖多采用空气源热泵系统。冬季来临，很多寒冷地区气温下降，空气源热泵制冷系统比容量增大。空气源热泵系统在运行时，由于室外温度降低，空气源热泵系统的吸入量将逐渐减少，产生的热量将逐渐升高。随着建筑外部温度的持续下降，空气源热泵机组在运行过程中，由于压缩机吸气压力的降低，压比的增大，使空气源热泵机组的运行压比偏离了最优值。随着压缩比的增大，其输气能力、及输气系数均有所降低。压气机工作过程中，压气机润滑油的粘度一般会降低。造成这一现象的主要原因是由于压气机排气温度过高，严重影响了压气机的软化效果。空气源热泵在运行时，如果压缩率过高，将会导致系统启动频繁、停机，从而影响热泵系统的推广应用。随着国家对环境保护要求的提高，选煤厂的生产工艺和厂房设计也发生了相应的变化，目前多数选煤厂采用燃煤锅炉作为热源，对环境产生严重影响。为了解决这一问题，一些地方政府和选煤企业进行了尝试性研究，如山西、山东、湖北、四川等省都有不同规模的空气源热泵采暖应用实例。

二、空气源热泵采暖技术原理

空气源热泵采暖是以空气为热源，通过吸收空气中的热量，然后再将此热量转移到水中进行制热的过程。该系统是由一台主机和多台换热器（蒸发器）组成。主机是系统的心脏，承担着整个系统的主要负荷，并向各换热器提供所需的热量；多台换热器是系统的重要组成部分，其工作原理如下：首先通过蒸发器将环境中的热量吸收并转移到蒸发器中，蒸发器通过一对平行四边形螺旋形铜管将吸收到的热量转移给冷凝器，并使冷凝后的冷媒（水）流回蒸发器，如此周而复始地循环工作；最后是在冷凝过程中回收热量并再次将其转移到主机中进行循环利用。因此，整个系统循环工作过程中不断消耗单位能量并吸收环境热量（即制热功率）。

三、空气源热泵采暖技术的优势

（一）经济效益

空气源热泵采暖技术应用于选煤厂采暖具有良好的经济效益，其经济效益主要体现在两方面：

1、节省费用。空气源热泵采暖技术由于采取了换热系统，所以无需使用锅炉进行加热，减少了燃料燃烧所产生的污染，降低了燃料费用；另一方面，空气源热泵采暖技术具有节能环保的特点，节省了运行费用。

2、节省人力资源。由于空气源热泵采暖技术运行温度高，操作简单，因此可大大节省人员资源，减少人员工作量[2]。用空气源热泵采暖技术不仅节约了运行费用，同时可减少人员工作量。随着空气源热泵采暖技术的不断改进与完善以及配套设备的不断更新与进步，将会有更多的选煤厂采用空气源热泵采暖技术。

（二）节能减排分析

空气源热泵采暖技术采用逆卡诺循环工作原理，将环境中的低品位热能提取出来，转化为高品位的能量，供给建筑物供暖或制冷。与传统锅炉采暖相比，空气源热泵采暖技术节能效果显著。2022年9月19日，全球最大的独立研究机构 IEA发布《全球电力二氧化碳排放量评估》（以下简称“报告”）显示，2021年我国燃煤电厂的单位发电量二氧化碳排放比为0.78 （基于中国电力行业二氧化碳排放量为5.2亿吨），超过了世界上其他国家的平均值，特别是北欧、南欧、东欧、印度、印度尼西亚和澳大利亚。《报告》指出，我国电力行业2021年二氧化碳排放总量达到57.4亿吨。按照目前的发展趋势，预计到2050年全球电力行业二氧化碳排放量将超过167亿吨。《报告》显示，燃煤电厂是全球最大的二氧化碳排放源，占全部发电行业温室气体排放量的约25%。煤炭是我国主要的能源来源，煤炭燃烧产生大量的二氧化碳、二氧化硫等污染物。在我国经济社会快速发展的情况下，空气源热泵采暖技术应用于选煤厂采暖具有较高的节能效益，能够有效实现节能减排，符合国家产业政策和环保政策。

四、空气源热泵采暖技术在严寒地区选煤厂供暖的应用实行策略

   空气源热泵是一种以消耗少量的电能作为动力，从自然界中提取热量，并将其输送到建筑物中去的一种新型制冷采暖设备。空气源热泵系统运行费用低，而且不受外界环境影响，不受天气条件限制，可以全天24小时连续工作，并且运行过程中没有任何污染。因此，空气源热泵被公认为是一种既环保又节能的可再生能源利用技术。将空气源热泵技术应用于严寒地区选煤厂的采暖，能够有效解决该地区采暖存在的问题，使该地区选煤厂实现绿色供暖。

（一）复叠循环空气源热泵技术

复叠循环空气源热泵技术是采用两种以上的制冷剂作为中间的循环介质，通过复叠循环的方式来实现热量的传递。该技术能够较好的解决低温热源条件下运行效率不高、低温性能系数较低等问题[3]。复叠循环空气源热泵技术的应用可以从两方面进行：一方面是通过复叠循环，将高温热源与低温热源进行串联，从而实现了低温热源到高温热源的再加热，这样可以提高空气源热泵系统在低环境温度下的运行效率；另一方面是将高温热源与低温热源进行复叠循环，通过复叠循环将热量从低温热源向高温热源传递，从而达到提高空气源热泵系统在低温条件下运行效率的目的。

（二）双级压缩空气源热泵技术

双级压缩空气源热泵技术是由热泵空调压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀以及其他辅助部件构成。主要作用是制冷，采用的制冷剂是R22。双级压缩空气源热泵系统运行原理是在一个热源系统中，通过两个压缩机分别对冷媒进行压缩，使冷媒中的热量转移到水或者空气中，产生的高温冷媒直接进入蒸发器，在蒸发器内吸收空气中的热量而变成低温冷媒。

双级压缩空气源热泵技术具有以下几个优点：

1.机组能够同时输出高温和低温两种不同的冷量，系统可以根据环境温度和使用要求进行自动调节。

2.双级压缩空气源热泵可以通过控制压缩机转速实现高低压两个独立压缩机的工作，从而可以分别提供高温冷媒或者低温冷媒。

3.双级压缩空气源热泵系统具有自动控制功能，对主机和其他辅助部件的控制完全自动化。所有的控制参数均在显示屏上显示，操作十分简便。

4.双级压缩空气源热泵系统具有超低能耗的特点，机组的运行费用与燃气锅炉相比大约能降低40%以上。

5.双级压缩空气源热泵系统适用于工作环境温度在-15℃至35℃之间的任何场合。

结语：

随着全球气候变暖和人们对环境保护意识的增强，新能源开发利用进入了白热化阶段。空气源热泵作为一种可再生能源，其热能利用率仅次于火力发电厂，已受到各国政府的高度重视。随着行业的不断努力和新技术方案的不断成熟，空气源热泵系统必将得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]罗家松,尹呼和,徐彤,田雪沁,王新雷.基于仿真模拟的空气源热泵电采暖经济技术分析[J].电力需求侧管理,2022,24(06):19-24.

[2]齐保才.超低温空气源热泵供热技术应用研究——以库尔勒市项目为例[J].住宅产业,2022(07):98-102.

[3]赵成明.建筑采暖工程施工技术及常见问题[J].居舍,2020(07):71.