浅谈我国铁路沿线建筑冬季供暖技术的应用现状

2016-02-12晏耐生

铁路节能环保与安全卫生 2016年6期

关键词：铁路沿线源热泵燃煤

晏耐生

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

浅谈我国铁路沿线建筑冬季供暖技术的应用现状

晏耐生

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

地源热泵、太阳能供热技术、风光互补供热供电技术、空气源热泵等为铁路沿线建筑冬季供暖问题提供了新的可选方式，通过对部分站段实际应用的调研，总结了相关技术应用的优点及存在的问题，可供使用单位参考。

铁路沿线建筑；供热技术；节能环保

我国铁路沿线站房具有数量众多、位置偏僻和分散的特点，通常与市政的集中供热管网无法连接，冬季采暖主要还是依靠锅炉、电暖气、小煤炉等传统方式。这种供暖方式不仅能耗高、热效率较低，还会给环境带来一定程度的影响[1]。以某铁路局为例：该铁路局共计有车务段8个，沿线共有大小车站96个，包含办公楼、运转行车室、宿舍楼、货运楼等建筑131座。最老的建于1955年，最新的建于2011年。其中，大多数建筑为单层建筑，最高的为4层。面积总计约为81 312 m2，整体供暖期限从每年的10月1日到第二年的5月1日不等。部分站区由于冬季供暖能量不足，还需要开家用空调辅助过冬。

近年来，为了响应国家提出的建设绿色铁路、节能减排的号召，一些可再生能源以及新型供热系统得以推广，如地源热泵、太阳能供热技术、风光互补供热供电技术、空气源热泵等供暖方式已逐渐应用于铁路车站、工务工区等建筑中。本文对实际应用单位进行了调研，总结如下。

1 地源热泵的应用

在新型供热方式中，地源热泵在铁路沿线建筑中应用较多，作为国家大力推广的建筑空调节能技术，目前已有100多处(合计约30×104m2)铁路建筑应用了地源热泵技术。在北方铁路沿线建筑中使用地源热泵，具有显著的优势，但也存在着不可忽视的缺陷。

1.1 优点[2]

1.1.1 地源热泵空调系统可以实现自动化控制，方便操作人员进行管理，当系统出现故障时能够自动发出警报，并根据热泵机组的实际运行情况进行停机。避免了以往燃煤、燃油锅炉需要配备若干个专业锅炉操作工人的情况，节省了大量的人工费用。

1.1.2 地源热泵空调系统只用电，没有燃煤、燃油等易燃品的危害性，也不用考虑燃煤、燃油、煤渣等存放场地的需求，更无直接碳排放和其它有害气体及污染物的排放，环保效果显著，无安全隐患。

1.1.3 维修量低，系统使用寿命较长，为使用单位节省了许多维修资金。

1.1.4 管理较好。使用单位对地源热泵设备普遍比较重视，选派了专人管理，加强了日常巡视、记录。

1.2 存在的问题

1.2.1 土壤热平衡问题

因部分沿线站区夏季气候凉爽，不需要制冷，冬季气候寒冷供暖需求大，土壤源热泵只吸收土壤中的热量，而不向土层注入热量，使土壤温度逐渐降低，不但会造成系统供热量下降、能耗上升、供热系数降低，常年运行后还将导致土壤温度失衡，影响周围生态。

1.2.2 地质条件限制

上述问题可能可以通过改进设计、加强管理、设备升级等方式有所改善，但是地质条件是导致部分地区无法使用地源热泵系统的关键性因素。地源热泵施工中需要打井作业，但是一些道口房等小型建筑以及在铁道线路中的建筑，几乎无法施工作业，或不能成井，或打井费用过高，尤其是高寒地区，分布着面积广、厚度大的多年冻土，在水资源形成中具有重要的调节作用，一旦冻土层遭到破坏，生态将永难恢复。

1.2.3 后期维护和检修问题

由于铁路沿线固有的特点，很多地源热泵项目都在比较偏僻的地方，交通运输不是很便利，地源热泵机组的生产厂家不能及时对设备进行维护和检修，造成设备定期维保调试无法得到保证。

1.2.4 设计、施工及市场规范问题

包括热泵机组配置过大、循环泵配置不当、地耦井设置不合理、缺少能源消耗计量装置等。前期地下勘测技术薄弱，设计阶段考虑不周全，使不适宜使用水源或土壤源的地区投入热源设备后故障频繁，制冷(暖)效果不佳，最终停止使用。

因室外冷热源系统和大部分室内末端设备为隐蔽工程，使得验收时对工程施工质量的检验比较困难。

目前市场上生产地源热泵机组的厂家比较多，牌子比较杂，使得地源热泵机组的质量也参差不齐，对地源热泵机组的推广应用造成了一定的影响。

2 太阳能供热技术的应用

太阳能供暖是以太阳辐射为热源，补偿建筑物的耗热损失，以保证室内温度达到一定标准的一种供暖方式，既减少了对周围环境的污染，又对常规的能源消耗进行了节约。太阳能具有自身的特点，在建筑中应用太阳能采暖时通常要配备辅助加热系统，例如电加热或燃气加热是比较理想的辅助加热系统，这样在冬天时可以在白天阳光良好的情况下采用太阳供热系统给居民供热采暖，而在太阳能不足时自动开启电加热或燃气加热的供热系统进行加热，以达到用户室内对热舒适度的要求[3]。

2.1 太阳能供热系统的优势

2.1.1 集热快、运行稳定、运输安装方便、使用寿命长。并且可以利用保温水箱对热量进行显热储存。

2.1.2 保温性能良好、热损失小。可采用电力、燃气、燃油和生物质能等作为辅助能源。

2.1.3 运行稳定，控制循环系统采用模块时温度控制。

2.1.4 可分户控制温度和使用时间、分户计量。可采用地暖盘管、暖气或风机盘管作为散热终端系统。

2.1.5 采用地暖盘管，比暖气和风机盘管作为散热终端要更加节能。

2.2 太阳能供热推广过程中的不足

太阳能供热推广过程中的不足表现很明显，主要在如下几点。

2.2.1 太阳能的特点是能流密度小，需要的集热面积大。

2.2.2 冬季让太阳能产出能够满足采暖温度要求(40～50℃)的热水极为困难，并且此时太阳能的集热效率极低。

2.2.3 太阳能季节变化大，供应不稳定，冬季采暖属于反季节使用。

2.2.4 太阳能供热系统必须与常规能源设备配套使用，且对常规供暖设备的功率配置也有一定的要求，以保证建筑可以正常供暖。

2.2.5 太阳能供热系统中太阳能的保障率一般不超过50%，即相对于使用常规能源供暖节能50%。

2.2.6 采用太阳能供热系统的建筑物，其建筑热工与节能必须满足所在地区的建筑节能标准，即房屋必须是低能耗的建筑。同时，其采暖散热系统末端一般选择低温地板辐射供暖的方式。

2.2.7 在非采暖季特别是夏季多余太阳能的使用问题。

青藏高原是我国太阳能资源最丰富的地区，加之缺乏煤、天然气、石油等化石燃料等资源，因此在青藏铁路沿线应用太阳能供暖的站点较其他路局的多。拉萨火车站整体站房、不冻泉站综合楼均采用了太阳能+辅助热源的方式进行供暖；此外，佳木斯铁路职工公寓、哈尔滨铁路局滨江站列检所也有太阳能供暖的应用。从几个应用点可以看出，太阳能供暖必须辅以辅助热源，以保证夜间、阴雨天气太阳能不足时的供暖效果。

3 风光互补供热供电技术应用

风光互补供热供电系统由风力供热部分和太阳能供热两大部分组成，它既积聚了两者的优势，又使两者间能够充分的进行资源互补，高效保障了供热系统的运行，并在最大程度上利用了再生能源。其应用原理为：在采暖季将风力发电机产生的电能对太阳能热水系统进行加温，再通过循环系统输送至散热系统，达到供暖的需求；在非供暖季节，将风电系统所发的电能储存在蓄电池中，供生活用电负载使用；同时将太阳能热水系统产生的热水供职工洗浴。

风光互补供热供电系统将太阳能热水系统产生的热能直接存储在风电锅炉内，当水温低于供暖需求时，风力发电机产生的电能对风电锅炉的蓄热体进行加温，再通过循环系统输送至散热系统，达到供暖的需求。控制系统是将风力发电机输出的电能，在供暖季节通过自动控制系统，为风电锅炉提供电加热能量。而在非供暖季节，储存在蓄电池的电能通过逆变器实现直流到交流的转变，供给其他用电设施使用。当风光动力系统输出的能量小于供暖最低要求时，控制系统自动切换到市电，确保供暖系统安全稳定运行，系统功能和可靠性全部由控制器决定。

某铁路局机务段扳道房地处偏僻，采用燃煤土暖气供暖，安全隐患较大。同时该作业点面积较小，仅为12 m2左右，因采用燃煤土暖气供暖，为防止燃气中毒，土暖气炉放在室外，仅有单面围护，几乎完全暴露在露天。燃煤的热损失很大，另外该建筑始建于20世纪80年代初，为24墙，门窗破损，单玻璃，房屋保温差，一个采暖季要消耗11t燃煤，而室内温度也只能达到16℃～18℃，不仅浪费能源，增加支出，污染环境，值班人员还需时常看火添煤，增加职工的劳动强度和不安全隐患。同时周围建筑稀少，地处沿线空旷之处，既可保证有一定的风速作为风源的保障，又有足够的空间安放太阳能集热系统。鉴于使用地区的风能资源情况，其设计方案为：选择太阳能热水系统加风力发电系统，充分利用风能和光能资源产生的规律合理设计，即以风光系统对采暖区域进行供暖，在非采暖季节对室内照明设备进行供电，在风力不充足时自动切换至市电，当此系统停暖后，太阳能热水系统还可为职工洗浴提供热水。

采用风能、太阳能供暖供电系统后，取消既有燃煤锅炉，一个采暖季可减少11t燃煤消耗，减少燃煤费用1.32万元。当太阳能和风力发电不能满足供暖需求时，转由市电进行供暖加温，一个采暖季仅消耗市电1 200 kW·h，市电费用支出1 200元；扣除市电费用支出后，实际采暖季节可实现减少燃料费用1.2万元。并且风能、太阳能为清洁可再生能源，没有任何的温室效应和污染物的排放，对环境保护十分有利。

4 空气源热泵的应用

空气源热泵以其较高的能效比，较低的运行费用，显著的环保效益以及简便的操作方式为铁路沿线建筑供暖提供了一种新的选择[4]。空气源热泵以其供热效果明显、系统稳定性高、节能环保、运行费用低、安装方便、无需考虑地形等优点，在长江中下游、西南、华南地区得到了广泛的应用。空气源热泵在南方铁路沿线建筑中应用较多，如广铁集团、南昌铁路局使用空气源热泵为职工宿舍、澡堂、食堂等提供生活热水，使用效果较好。传统的空气源热泵在环境温度很低时，空气源热泵机组的制热量和制热能效比会急剧下降，从而造成压缩机的排气温度不断升高，机组长期在低温下运行将严重损坏压缩机，缩短压缩机的使用寿命[5]，这一缺陷限制了传统空气源热泵在冬季寒冷地区的推广应用。因而在北方地区空气源热泵的应用较少，仅在兰州铁路局、青藏公司、北京铁路局等少数沿线建筑中有所应用，前者主要用于制取生活热水，后两者用于供暖制冷。空气源热泵属于新型的供暖制冷方式，在铁路行业的应用尚处于初期，日常管理未及时跟进，操作人员对设备的使用维修尚未掌握，是导致空气源热泵使用效果不佳的原因之一。

目前市场上大多低环温空气源热泵均采用涡旋压缩机、R22制冷剂，虽然产品制造成本低，在环温不太低时制热量大，能效比较高，但在环境温度低于-12℃的工况下无法正常高效运行，其主要原因为当室外环境温度较低时，系统的蒸发温度降低，冷凝温度不变的情况下，压缩比增大，超出普通单级压缩系统正常运行的临界值，且压缩比的增大引起排气温度过高，超过压缩机正常的工作范围，导致压缩机频繁启停，系统无法正常工作。

针对超低环境温度下空气源热泵存在的问题，采用环境友好型制冷剂R404A的超低环温空气源热泵，应用能量梯级应用等技术，解决了压缩比过高而导致的排气温度过高的问题，同时减少了压缩机外散热，最大程度地实现了能源利用，显著提高了制热量和制热能效比。

超低环温空气源热泵(R404A)具有以下特点：

①可超低环温/低环温供暖，兼顾夏季制冷；供暖模式适合地板辐射采暖/风机盘管供暖。

②在45/40℃供回水温度，环境温度-35℃工况下，机组高效稳定制热。

③针对低温系统控制特点，采用匹配的压缩机能调控制、热回收控制、化霜控制等技术，解决了压缩比过高而导致的排气温度过高的问题，环境温度-35℃时，压缩比达22，排气温度实际运行低于110℃，实现低环温下高效稳定运行。

④采用能量梯级应用等技术，最大程度的实现了能源利用，显著提高制热量和制热能效比。

⑤采用环境友好型制冷剂R404a，ODP(消耗臭氧潜能值)为0。