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摘要：高速公路服务区由于其远离市区的地理位置，受到供热管道、燃气管网以及热源、气源的限制，无法采用市政集中供暖以及燃气供暖。传统的供暖方式主要以燃煤锅炉供暖、电采暖为主，都不同程度的存在高能耗、高污染、低效率以及安全隐患等问题。因此急需发展更为环保、高效、安全的供热技术对现有供热系统进行更新升级。在碳达峰碳中和背景下，采用自然工质的CO2热泵更加符合绿色低碳的要求，且CO2跨临界循环系统在高寒地区冬季供暖中具有可提供高出水温度、在低温情况时蒸发压力为正压等特点，可实现超低温环境中持续供热，使得高寒地区CO2热泵采暖技术备受关注。本文对内蒙古卓资山高速公路服务区CO2空气源供热系统的设计、效率及运行情况进行了阐述，并综合对比了CO2热泵与传统燃煤锅炉、电加热供暖方式的各种指标。结果显示，与电采暖供暖系统相比，CO2热泵系统用电量以及年综合运行费用减少了60%以上，年CO2减排量降低62.5%；与燃煤锅炉供暖系统相比，CO2热泵系统年综合运行费用基本持平，但年CO2减排量降低54.6%。高寒地区CO2空气源热泵系统的经济效益以及社会效益的优越性都是极为显著的，更加适合高寒地区的应用和推广。

关键词：高寒地区；CO2热泵；采暖；能效；碳中和

Abstract： Due to their remote locations far from urban areas， highway service areas are constrained by heating pipelines， gas networks， and heat and gas sources， making it impossible to adopt centralized municipal heating and gas supply. The traditional heating methods mainly rely on coal-fired boilers and electric heating， these forms of heating have certain limitations such as high energy consumption， high pollution， low efficiency， and safety hazards. Therefore， there is an urgent need to develop more environmentally friendly， efficient， and safe heating technologies to update and upgrade the existing heating system. In the context of carbon peaking and carbon neutrality， CO2 heat pumps using natural working fluids are more in line with the requirements of green and low-carbon. The characteristics of the CO2 transcritical cycle system in winter heating， such as providing high outlet water temperature and positive evaporation pressure at low temperatures， have attracted much attention to CO2 heat pump heating systems. This article elaborates on the design， efficiency， and operation of the CO2 air source heating system in Zhuo Zishan Highway Service Area， Inner Mongolia， and comprehensively compares various indicators of CO2 heat pumps with traditional coal-fired boilers and electric heating methods.The results show that compared with electric heating systems， CO2 heat pump systems reduce electricity consumption and annual comprehensive operating costs by more than 60%， and reduce annual CO2 emissions by 62.5%；compared with coal-fired boiler heating systems， the annual comprehensive operating cost of CO2 heat pump systems is basically the same， but the annual CO2 emission reduction is reduced by 54.6%.It is concluded that， the application of CO2 air source heat pump system has significant advantages in both economic and social benefits， more suitable for application and promotion in high-cold regions.

Key words：a Cold Region； CO2 Heat Pump； heating； energy efficiency； carbon neutrality

1.引言

根据欧盟F-gas法规[1]，要求对氢氟烃（HFCs）的削减进度为：2016 年削减 7%，2018 年削减 37%，2021 年削减 55%，2025 年削减 69%，2030 年削减79%。《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》规定我国将在2024年冻结HFCs的生产和消费，并在2045年完成消减80％[2-3]。在这样的形势下，自然工质成为制冷空调行业研究的热点[4]。在众多自然制冷剂中，二氧化碳（CO2）具有成本低、无毒、不易燃、潜热大等优点，特别是其具有零臭氧消耗潜能值（英文全称，Ozone Depletion Potential）和低全球变暖潜能值（英文全称，Global Warming Potential）突出特点，受到产业界的广泛关注[5-12]。

目前，国内外CO2热泵技术中，日本公司的技术最成熟，松下、大金、电装、三电、伊藤美珂和三菱等日本公司都在积极地发展和推动该技术。欧美国家在接受一部分日本公司CO2热泵技术的同时，也在积极布局和扶持Stiebel、enEX、ICS、Thermea、Kylma、CTC、JCA、Viessmann等欧美公司发展CO2热泵技术和产品。中国的CO2热泵技术与市场相对于欧美和日本发达国家发展的较晚，但是随着中国进一步加大节能减排的力度，国内也在快速地发展出一批研发和生产CO2热泵技术的企业[13-19]。

由于高速公路服务区，特别是高寒地区的高速公路服务区，一般离市区较远，受到供热管道、燃气管网以及热源、气源的限制，无法采用市政集中供暖以及燃气供暖。传统的供暖方式主要以燃煤锅炉供暖、电采暖为主，目前正面临的发展瓶颈：燃煤锅炉污染高、效率低，市场应用率正在大幅减少；电采暖设备存在能耗较高、完全依赖电力供应、温度波动大、不适合大面积场所等问题，并且由于其发热器功率较大，运行过程中会产生较高的热量和噪音，对环境一定程度的影响。尤为重要的是，在新的环保政策和严峻的节能形势下，传统的供暖方式已经难以持续应用。因此，市场急需寻找更加新型环保、高效、安全的供热设备对现有设备进行更新升级[20-27]。

CO2作为一种天然工质，具有成本低、无毒、无臭氧层破坏作用，温室效应低、物理性能稳定等优点，因此采用CO2工质的热泵相较传统合成工质热泵具备了诸多明显优势，主要体现在-45℃超低温运行，90℃超高温制热，同时具备优异的制热效率，配合智能控制部件，系统可以满足国内大部分地区的建筑供暖热源需求，并且可以解决国内北方寒冷地区不能稳定高效的应用空气源热泵设备的问题。特别是可以直接替代传统高耗能高污染的燃煤锅炉和电加热锅炉供暖设备，并对原有系统末端供热管网和散热设备不造成影响，非常适用于高寒偏远地区供热系统的升级改造，具有广泛的应用前景。

基于此，本文以内蒙高速公路卓资山服务区CO2空气源热泵系统的应用为案例，对高寒地区高速公路服务区CO2热泵系统设计、效率及运行情况进行详细阐述，并综合讨论其对比传统供热系统的量化指标，旨在为高寒地区高速公路服务区供热系统的设计与实施提供技术参考。

2.高寒地区CO2空气源热泵应用需求及技术选型

卓资山服务区位于内蒙古自治区乌兰察布市中南部，紧邻G6京藏高速，西距呼和浩特120㎞，东距乌兰察布65㎞。该地区坐标为北纬40°38′～41°16′，东经110°51′～112°56′，属中温带大陆性季风气候，冬季室外平均温度为-21.9℃，冬季最低气温可达-32℃（2021年1月为例），持续时间4个月以上，属于典型的高寒偏远地区，温度低、持续时间长，且难以接驳任何集中供暖管网。

基于此，依据最新环保要求，选择热泵技术对供热系统进行改造。热泵是一种充分利用低温低品位的能量转换为高温高品位能量的高效节能装置，具有结构简单、安装方便、使用安全、稳定、性能优越等特点，且无排烟、无废弃物、无污染，在世界范围内广泛应用，由于其卓越的节能减排效果，在工业、民用等各个领域扮演着越来越重要的角色。

目前市场上最常见的热泵类型为空气源、水源及地源热泵。根据高速公路服务区应用场景的特点，空气源热泵最为适宜。空气源热泵是以室外环境中的空气作为热源，可以在不同的环境温度下供暖制冷。空气源热泵根据制冷剂不同，分为常规空气源热泵和CO2空气源热泵。

常规空气源热泵，采用的是传统的人工合成制冷剂。R410A、R22等人工合成制冷剂被认为是导致臭氧层破坏和加速全球变暖的主要原因之一。常规空气源热泵运行范围适用于-15℃～43℃，供水温度最高只能到55℃，并且随着室外环境温度的降低，热泵的制热量和能效比均迅速降低，供水温度也迅速下降，无法满足冬季寒冷地区的室内热负荷需求，影响供热效果。采暖末端仅适用风机盘管或地板辐射，不能满足暖气片供水温度60℃以上的要求。

CO2空气源热泵机组作为新的清洁热源具有5大特点：①环保冷媒：制冷剂采用纯天然环保工质CO2（R744），常温下是一种无色、无味的气体。其臭氧消耗潜势（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）为1，安全无毒，不可燃，不助燃，稳定性高，有其他制冷工质不可比拟的环境友好性与安全性；②运行范围广：-45℃～43℃，可在严寒和寒冷地区稳定运行；③出水温度高：出水温度最高可达95℃（温度可调），可实现全年供热水、冬季供暖和夏季制冷；④综合成本低：可直接替代原有的燃料锅炉等热源，末端（暖气片、风机盘管、地暖）不需改动；⑤政府支持：CO2热泵产品及系统可享受国家补贴政策，国家发改委于2020年将CO2热泵技术列为绿色推广目录名单（第50条）。

相比其他热源，CO2空气源热泵在环境保护、经济性和社会环境效益等诸多方面都显示出较强优势，尤其适合于北方严寒地区取暖。

卓资山服务区总建筑面积12616m2，其中北区建筑供暖面积5574m2，南区建筑供暖面积7042m2。南北区原有采暖方式均为传统燃煤锅炉采暖，存在环境污染严重、热效率低、占用空间大、控制系统落后等弊端，根据服务区建筑结构特点及采暖要求，结合现有建筑末端设备，采用CO2空气源热泵，实施分区供暖，用来满足服务区的冬季采暖需求。

3.CO2空气源热泵机组设计

3.1设计指标

冬季室外设计温度取-21.9℃，设计供/回水温度65℃/45℃。单台NSSDKN90CO2空气源热泵机组额定输入功率为40.1kW，国标名义工况下制热量为92kW。在冬季室外设计温度下，单台机组制热量为77kW。

根据服务区冬季空调设计室外温度和室内温度要求，服务区内单位面积热负荷指标不低于65W/m2，热负荷总需求为820kW，其中北区供暖热负荷为362.3kW，南区供暖热负荷为457.7kW。结合南北区供暖热负荷需求和机组设计工况下制热性能，北区需配置5台NSSDKN90机组，南区需配置6台NSSDKN90机组。图1为CO2空气源热泵系统应用示意图，图2为CO2空气源热泵工作原理图。

卓资山服务区CO2空气源热泵系统主要由热源（CO2空气源热泵）、循环系统（循环水泵）、定压补水系统、板式换热器以及配电控制系统五部分组成。由于卓资山服务区冬季室外环境温度较低，出于高效换热性能、适应性和稳定性、经济性、维护性以及环保和可持续性等多方面的考虑，采用板式换热器进行换热。

该系统工作原理是：热源（CO2空气源热泵）通过管道与板式换热器相连，22循环系统（循环水泵）的进水口与板式换热器的出水口相连，接收经过热源（CO2空气源热泵）加热的供暖用水，出水口则与供暖管网的回水口相连，形成闭环循环。定压补水系统通常与系统的补水点相连，补水点设置在循环水泵的入口位置。配电控制系统通过电缆、传感器、执行器等设备与各组成部分相连，实时监测系统参数（如温度、压力、流量等），并根据预设的控制逻辑对设备进行调节和控制。

3.2CO2空气源热泵性能测试设备

为了对整个CO2空气源热泵系统的性能进行测试，采用超声波热量表实时监测系统制热量、进/出水温度、系统流量等参数，从而计算出热泵系统在整个供暖季（2021年10月15日至2022年3月24日）的制热量。

超声波热量表和电能表均采用485通讯和MODBUS协议，实现热量参数和耗电量的远程检测和读取。室内外空气温度则采用铂电阻温度传感器进行采集，精度为±0.2℃，用来测量整个供暖期内室内外温度变化情况。测试时，数据采集系统记录数据为5次记录一组。采用T型热电偶对热泵制冷剂侧的温度进行采集，精度为±0.1℃。

通过压力传感器采集压缩机吸排气管路等的压力信号，用以判断各热泵整体运行状况，并判断是否需要保护停机。

4.CO2空气源热泵性能测试结果及分析

采用CO2空气源热泵替代原有燃煤锅炉供暖，实现服务区内冬季清洁供暖。从2021年10月15日至2022年3月24日，对系统进行了为期161天的测试，采集了服务区建筑物的室内外温度、热泵系统供/回水温度、热泵系统总的制热量及耗电量等参数，用以评估热泵系统的供暖性能。

4.1 室内外环境变化特性

图3显示了供暖季内南北服务区室内温度以及室外环境温度的变化情况。

由图可知，在供暖季内，室外最高温度为2℃，最低温度为-23℃，变化幅度较为明显。服务区各建筑室内温度随着室外温度的变化而变化，变化范围为18.3℃至24.6℃，变化幅度约为室外温度变化的1/4，明显小于室外环境温度的变化。

从图中可以看出，当室外平均温度高于0℃时，室内温度可维持在22℃以上，随着室外温度降至-15℃以下，各建筑室内温度均有小幅降低，最低室内温度降至18.3℃，表明CO2空气源热泵在冬季低温工况下，依然能够满足各建筑的冬季供暖需求，且室内温度较高，效果较好。

4.2水路运行特性

图4所示为供暖季内CO2空气源热泵供/回水温度变化情况。

其中，回水温度变化范围为38.9℃～46.3℃，供水温度变化范围为57.6℃～66.7℃，供水与回水温差波动范围在12℃～20℃之间。引起热泵系统供水与回水温度不断波动的原因主要是由于室外环境温度不断变化所致。当室外环境温度下降，热泵性能随之下降，同时制热量也随之降低，从而导致供水与回水水温整体下降。相反，而随着室外环境温度的升高，热泵的制热量随之增加，最终供水与回水水温也随之升高。

在整个供暖季内，CO2热泵供暖系统因其自身的性能特点，可以将供水水温始终控制在55℃以上，充分满足低温工况下室内供暖设备对水温的要求，并通过CO2热泵系统的精准启停控制，将室外温度变化对供暖水温度的影响控制在合理范围之内，最终实现室内供暖温度的低波动，增加室内供暖的舒适度。

同时，基于CO2工质特殊的热物理性能，使得CO2热泵机组内部压缩机的压比相对合成制冷剂的热泵压缩比较小，且最高排气温度可以控制到120℃。

4.3CO2空气源热泵运行特性

通过对CO2热泵系统进行一个供暖季的供热量及功率的测试，现对该热泵系统在冬季供暖工况下的性能进行分析。

利用供暖管路上所设置的超声波热量表，可测得各回路的水流量及供/回水温差，计算得到CO2热泵系统的瞬时制热量：

从图中可以看出，CO2空气源热泵系统制热量随室外环境温度的变化而逐渐变化。当室外环境温度由2℃降至-23℃时，热泵系统的制热量由11783kWh增加至15905kWh。热泵系统制热量的提升，主要是由于随着室外温度降低，室内外温差变大，引起室内热负荷增大。随着室外环境温度的降低，室内热负荷增大，单台热泵机组的制热量下降，系统出水温度会有一定程度的降低，需要增加热泵机组的运行时间来满足室内热负荷需求，因此热泵系统总制热量增大。

因此，随着冬季室外环境温度的降低，室内热负荷增大，该系统可以通过自动调节设备的开启数量和运行时间，来满足各建筑室内供暖需求。热泵系统在低温工况下运行依然稳定，能够持续高效稳定地满足室内供暖需求。

图6为CO2空气源热泵系统每日耗电量随室外环境温度的变化情况。

可以看出，CO2热泵系统耗电量与室外环境温度具有一定的关系，当室外环境温度较高时，系统运行功率较高，同时导致机组输出功率也随之增高，整体系统的运行效率也随之增高。因此，当室外温度较高时，机组的运行数量较少，运行时间相对较短，能够实现动态节能。

因此图表中当室外环境温度为2℃时，系统耗电量为3854.4kWh，而当室外环境温度降至-23℃时，系统总功率变为8004.7kWh，可以看出室外温度变化对系统耗电量高低存在较大影响。

图7为供暖季内CO2空气源热泵系统每日COP随室外环境温度的变化情况。

从图中可以看出，随着室外温度的升高，热泵系统的COP也逐渐升高，二者保持线性关系。当室外环境温度由2℃降至-23℃时，热泵系统COP由3.06降至1.99。其主要原因在于随着环境温度的降低，热泵机组的蒸发温度和蒸发压力降低，机组内制冷剂质量流量减小，机组制热量迅速下降，虽然此时压缩机功率也减小，但是制热量减小幅度要高于压缩机功率减小幅度，因此机组COP也减小。当室外温度低至-23℃时，其制热性能系数接近2，表明机组具有较好的节能和经济特性。

根据测得的每日制热量及耗电量，可由式（3）算出热泵系统的每日COP。由图7可知，在整个供暖季内，当室外环境温度由2℃降至-23℃时，热泵系统的线性COP变化较小，其平均值约为2.5，表明在整个供暖季内，热泵系统的综合能效比可达2.5。整个系统在冬季工况下不仅具有较高的能效比，同时能够提供较高温度的热水用于冬季供暖。另一方面，热泵机组的压比较低，确保了压缩机的安全稳定高效运行，这是CO2空气源热泵机组相对常规空气源热泵机组的一大优势所在。

4.4应用案例经济效益分析及讨论

根据CO2热泵系统供暖季内每日的制热量、耗电量和COP的变化，计算可知系统在整个供暖季的制热量约为2136267kWh，总耗电量约为890786kWh，平均COP2.4左右。当地电价约为0.58元/kWh，则该系统整个供暖季的电费为51.67万元，服务区供暖面积为12616m2，采用CO2空气源热泵系统进行供暖，以6个月供暖季计算，在不考虑其他费用的条件下，整个供暖季的取暖费用约为6.8元/（m2月）。

针对高速公路服务区目前较为常用的燃煤锅炉及电加热供暖方式，将CO2空气源热泵系统与其进行综合指标对比，如表1所示[28]。

由表1可以看出：与电采暖供暖系统相比，CO2热泵系统用电量以及年综合运行费用减少了60%以上，年CO2减排量降低62.5%；与燃煤锅炉供暖系统相比，CO2热泵系统年综合运行费用基本持平，但年CO2减排量降低54.6%。燃煤锅炉供暖系统需要考虑运营过程的人工费、炉渣处理等费用，且燃煤锅炉及电加热供暖系统都存在相当大的安全隐患问题。CO2热泵系统控制方面可以做到全自动智能运行，无人值守，无需考虑专职人工费用，且没有直接燃料废物产生，具有安全、稳定、适应性强等特点，并可以对运行数据实时监测和记录，方便对系统的数据分析和故障追溯。

对比可知，CO2热泵系统较燃煤锅炉及电加热供暖系统，无论是经济效益还是社会效益，其优越性都极为显著。未来CO2热泵系统在高速公路服务区的应用还将不断地深化升级，如：增加储能装置，利用谷电存储部分热量，减少峰电的使用，从而降低使用成本，提高系统使用的经济效益。逐步细化末端控制，将系统内更多的环节纳入远程控制，对系统的数据采集及处理不断的完善，系统自动调节功能更加精准、稳定，将系统的能效发挥到最优状态。同时，设备的权限认证、数据加密等安全性方面也将更加可靠。

在高寒地区的冬季，根据服务区冬季空调设计室外温度和室内温度要求，服务区内单位面积热负荷指标不低于65W/m2，CO2空气源热泵系统的平均COP不低于2.4，能够有效保证供暖需求。

高寒地区高速公路服务区CO2空气源热泵的应用，使得整个供暖季的取暖费用较燃煤锅炉及电采暖都大幅下降，年CO2减排量较燃煤锅炉及电采暖降低60%左右，经济效益及社会效益都显示出了极为优秀的一面。

5.结论

本文以高寒地区高速公路服务区CO2空气源热泵应用为对象，对CO2空气源供热系统的设计、效率及运行情况进行了研究，主要结论如下：

对内蒙古卓资山服务区供热需求进行分析，提出了设计指标为冬季室外空调设计温度为-21.9℃，设计供/回水温度65℃/45℃，热负荷总需求为820kW。

根据服务区冬季空调设计室外温度和室内温度要求，设计的CO2热泵供热系统主要由热源（CO2空气源热泵）、循环系统（循环水泵）、定压补水系统、板式换热器以及配电控制系统五部分组成，该系统完成了卓资山服务区供暖负荷的需求。

通过对系统制热量、供/回水温度、系统流量等参数的测试，将CO2空气源热泵与燃煤锅炉及电加热供暖方式进行综合指标对比分析，结果显示，CO2热泵系统用电量、年综合运行费用以及年CO2减排量均减少60%左右。

综上所述，CO2空气源热泵较燃煤锅炉和电加热两种供热形式在经济效益和社会效益方面都显示了较为突出的优越性，更适合高寒地区应用及推广，本文研究为高寒地区高速公路服务区供热系统的择优选择提供了参考。

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