熱泵式空調(diào)取暖管理論文

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摘要：目前我國鐵路空調(diào)客車冬季取暖仍然以電加熱器取暖為主，電加熱器取暖方式操作簡單、基本滿足客車取暖的要求。但是，由于現(xiàn)在能源狀況趨于緊張，對于冬季取暖仍然以電加熱器取暖為主的鐵路客車而言，就顯得有些浪費能源。借助已得到廣泛應用的房間熱泵空調(diào)技術，通過理論計算與分析，對在南方地區(qū)運行的鐵路空調(diào)客車冬季采用熱泵取暖的可行性、經(jīng)濟性、可靠性等方面進行分析，認證了鐵路空調(diào)客車冬季采用熱泵空調(diào)取暖的可行性。

關鍵詞：鐵路客車熱泵供熱分析

1鐵路客車供熱現(xiàn)狀及問題

隨著鐵路運行速度的不斷提高，客車空調(diào)化是必然的進程，如何使鐵路空調(diào)客車安全、快速、舒適、健康、高效運行，是鐵路大提速的重要課題。目前我國鐵路客車冬季取暖以電加熱器取暖為主，電加熱器取暖方式操作簡單、基本滿足客車取暖的要求；北方地區(qū)部分客車采用燃煤爐獨立溫水取暖裝置，該裝置也能達到客車取暖的要求，但乘務員操作強度增加，客室空氣易被煤灰與煤煙污染；而電加熱器耗電量太大，熱效率不高，使用成本偏高，有的客車為了降低能耗，或避免火災隱患，確保行車安全，行車中關閉車頂空調(diào)機組內(nèi)新風預熱器或通風機，以減少新風量，這樣嚴重影響了客室的空氣品質(zhì)，在南方地區(qū)運行的客車，其車廂兩側(cè)的電加熱器使用時間極短，使用效率極低。因此上述兩種取暖都不是理想的取暖方式。近年來熱泵技術在空調(diào)制冷行業(yè)得到廣泛應用，技術也日益成熟，本文側(cè)重于對鐵路客車空調(diào)冬季采用熱泵取暖進行探討。

2熱泵技術在空調(diào)客車上使用的可行性分析

2．1冬季客車熱負荷計算

2．1．1車內(nèi)所需要的供熱量

冬季鐵路客車車內(nèi)所需熱量的計算公式為：Q=Q1+Q6-Q3-Q5(kW)

式中：

Q1——車內(nèi)外溫差通過車體隔熱壁損耗的熱量，并考慮車門窗泄漏的熱損失，一般泄漏熱損失按(0．1～0．15)Q1計算，則：Q1=(1．1～1．15)KF(tB—tH)(kW)

Q6——送入車內(nèi)Gkg／s空氣所需的加熱量，Q6=GC’p(tn—tc)=GHC’p(tB—tH)(kW)

其中tH——車內(nèi)空氣設計計算溫度(℃)；

tB——外氣設計計算溫度(℃)；

tn——空氣加熱后的送風溫度(℃)；

tc——空氣加熱前的混合空氣溫度(℃)；

C’p——一空氣比熱(kJ／kg.K)；

Q3——n名旅客每小時散發(fā)的顯熱量，每人小時按64.55W計算；

Q5——通風機與照明等散發(fā)的熱量。

計算時，取外氣溫度為-7℃，車內(nèi)溫度為18℃，泄漏的熱損失系數(shù)為1.15，車體傳熱系數(shù)K=1.5W/(m2.K)，車體傳熱面積F=310m2來計算，則有：

Q1=1．15KF(tB—tH)=1.15*1.5*310*（18-（-7））=13.369（kW）

硬座車所需熱量：取定員為119人，新風量為20m3/h.人，則：

Q6=GHC’p(tB—tH)=16.726kW

Q=22.414kW

硬臥車所需熱量：取定員為67人，新風量為20m3/h人

Q6=9.417(kW)

Q=18.461kW

軟臥車所需熱量：取定員為37人，新風量為20m3/h人

Q6=5.2(kW)

Q=16.181kW

2．1．2單元式空調(diào)機組熱泵循環(huán)供熱量的理論計算

根據(jù)不同工況下制冷量換算公式Q0b=Q0aλbqvb/λaqva，可計算出不同工況下的制冷量。對于KLD-29PQ和KLD-40PQ而言，其名義制冷量Q0a=29.07kW和Q0a=40.7kW時，查相關圖得λb、λa；再由制冷系統(tǒng)換熱器計算公式QK=Q0+W，可得到在不同外氣條件下，單元式空調(diào)機組一個制冷系統(tǒng)熱泵循環(huán)時的產(chǎn)熱量分別如表1所示：

不同外氣溫度條件下單元式熱泵式空調(diào)機組的供熱量表1

70C

00C

-70C

-150C

KLD-29PQ（1個系統(tǒng)）

17．751kW

14．104kW

12．686kW

10．307kW

KLD-40PQ（1個系統(tǒng)）

25．105kW

19．997kW

18．011kW

14．679kW

冬季不同客車車種在-70C時，其所需熱量與電加熱器、單元式空調(diào)機組熱泵的產(chǎn)生熱量如表2所示：

電加熱與單元式空調(diào)熱泵方式供熱量比較表2

電加熱器供熱量

熱泵供熱量

車廂需要的熱量

YZ25

24．15kW

25．372kW（2個制冷系統(tǒng)）

22．414kW

YW25

20．7kW

18．011kW（1個制冷系統(tǒng)）

18．461kW

RW25

20．7kW

18．011kW（1個制冷系統(tǒng)）

16．181kW

注：YZ25車用兩臺KLD-29機組，共4個制冷系統(tǒng)；YW25與RW25車均用一臺KLD-40機組，共2個制冷系統(tǒng)。

2．2用電量比較

現(xiàn)行的客車冬季的供熱都采用電加熱的方式，每車種所耗電量及單元式空調(diào)熱泵循環(huán)時的耗電量如表3所示：

電加熱器與單元式空調(diào)熱泵耗電量表3

電加熱器用電量（全負荷）

熱泵用電量

YZ25

24．15KW

16KW（13KW）（2個制冷系統(tǒng)）

YW25

20．7KW

11KW（單個制冷系統(tǒng)）

RW25

20．7KW

11KW（單個制冷系統(tǒng)）

2．3經(jīng)濟性比較

房間空調(diào)器的運行經(jīng)濟性與室內(nèi)、室外的空氣狀態(tài)有十分密切的關系，性能系數(shù)是通常用來定量反映運行經(jīng)濟性的理論指標，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)為：

COPT=供熱量／消耗功率=T0／(T0-T1)

式中：COPT--理論性能系數(shù)，W／W；

T0--室內(nèi)空氣溫度，K；

T1--室外空氣溫度，K。

考慮到種種熱力不完善因素對實際熱泵系統(tǒng)效率的影響，實際熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)可以用下式表示為：COP=ξCOPT=ξ[T0／(T0-T1)]

式中：COP--實際性能系數(shù)，W／W；

ξ--熱力完善度。

根據(jù)有關資料表明，當T1=-19℃，T0=20℃時，性能系數(shù)的計算值僅為COP=1.0W/W。此計算結果的物理意義就是，如果系統(tǒng)的熱力完善度不變，當室外氣溫降低至-19℃時，熱泵系統(tǒng)的耗電量等于供熱量，從運行經(jīng)濟性的角度而言，熱泵循環(huán)與電熱供熱方式已經(jīng)相等，隨著氣溫進一步將降低，熱泵系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性將低于電熱器。而在我國的長江流域及其以南地區(qū)，冬季氣溫一般都在-5℃以上（表4），即使特殊氣候也不會起過-19℃。因此在這些地區(qū)采用熱泵制熱所消耗的電量肯定小于純粹的電加熱所需要的用電量。

同理現(xiàn)在的客車供熱如采用熱泵供熱，其消耗的電量小于現(xiàn)行的電加熱所需要的用電量（上面的理論分析也證明了這點），客車運行的經(jīng)濟性是顯而易見，同時，單元式空調(diào)機組的電加熱器和客車車廂兩側(cè)的電加熱器也可以取消，降低了客車的制造成本。

長江以南主要城市冬季空氣參數(shù)表：表4

室外干球溫度（℃）

室外相對濕度（%）

南京

-6

73

上海

-4

75

無錫

-4

74

杭州

-4

77

寧波

-3

78

南昌

-3

74

廈門

6

73

福州

4

74

長沙

-3

81

武漢

-5

76

桂林

71

汕頭

6

79

廣州

5

70

南寧

5

75

重慶

2

82

成都

1

80

貴陽

-3

78

昆明

1

68

2．4可靠性分析

熱泵技術的廣泛應用是由于，在一定的運行條件下，與相同耗電量的電熱器相比，熱泵能夠提供數(shù)倍的供熱量，但是，熱泵的運行特性受運行條件影響很大，尤其是室外氣溫。在室外氣溫較低時（比如-7℃以下），南方地區(qū)濕度較大時，熱泵空調(diào)面臨的主要問題是室外換熱器的融霜和壓縮機的運行情況。根據(jù)GB/T7725-1996《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定，熱泵制熱運行超低溫工況是室外空氣溫度為干球溫度-7℃，對應的濕球溫度-8℃。而GB／T15765-1995《房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動機一壓縮機》規(guī)定，其適用范圍是蒸發(fā)溫度在-15～15℃之間的房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動壓縮機。

雖然壓縮機標準沒有直接說明對應的空調(diào)器在熱泵運行方式時，室外溫度是多少，不過，根據(jù)目前房間空調(diào)器的實際技術配置狀況，在熱泵制熱運行時，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度與室外側(cè)空氣進風溫度相差5～10℃來推算，在蒸發(fā)溫度為-15℃時，室外空氣溫度約為-5～10℃之間。而在我國的長江流域（比如上海、杭州等地區(qū)）及其以南地區(qū)，冬季氣溫一般都在-5℃以上，一年中氣溫低于-7℃的時間也是很少的。從而說明在我國的長江流域（比如上海、杭州等地區(qū)）及其以南地區(qū)客車如采用熱泵循環(huán)還是可靠的。

3結論

從理論分析可知，雖然熱泵供熱量隨著氣溫的下降而減弱，但我國長江以南地區(qū)運行的鐵路空調(diào)客車冬季取暖可采用熱泵供熱，即能保證乘客所需的新風量，也能滿足冬季客車舒適、健康的要求。

由經(jīng)濟性比較，采用熱泵取暖不僅熱效率高，耗電量小，降低了客車日常費用，還可以取消車廂兩側(cè)電加熱器，降低客車制造成本。

如果能解決熱泵空調(diào)冬季結霜與融霜的問題，熱泵技術在空調(diào)客車上使用是完全可行，且能確保行車安全。

參考文獻：

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