燃氣機熱泵供熱性能規(guī)律的理論和實驗研究

王明濤，劉煥衛(wèi)，張百浩

（1魯東大學能源與動力工程系，山東 煙臺 264025；2天津大學機械工程學院，天津 300072）

燃氣機熱泵供熱性能規(guī)律的理論和實驗研究

王明濤1,2，劉煥衛(wèi)2，張百浩2

（1魯東大學能源與動力工程系，山東 煙臺 264025；2天津大學機械工程學院，天津 300072）

燃氣機熱泵（gas engine-driven heat pump）是一種節(jié)能環(huán)保的供熱系統(tǒng)。為了研究燃氣機熱泵的能源利用效率，利用構(gòu)建的燃氣機熱泵實驗臺，通過理論分析和實驗測試研究了燃氣機轉(zhuǎn)速、冷凝器進水流量、冷凝器進水溫度對系統(tǒng)性能[供熱總量、制熱性能系數(shù)（COP）以及一次能源利用率（PER）]的影響規(guī)律。結(jié)果表明：燃氣機熱泵系統(tǒng)供熱量隨著冷凝器進水流量、燃氣機轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨著冷凝器進水溫度的提高而減少。COP和PER隨著燃氣機轉(zhuǎn)速和進水溫度的升高而減少，進水流量對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響較小。回收的余熱占燃氣機熱泵系統(tǒng)總供熱量的40%左右，在考慮余熱回收的情況下，燃氣機熱泵的一次能源利用率在1.15～1.47之間。

天然氣；熱力學；燃氣機熱泵；壓縮機；余熱回收；一次能源利用率；冷凝器進水溫度

Key words: natural gas; thermodynamics; gas engine-driven heat pump; compressor; waste heat recovery; primary energy ratio; condenser water inlet temperature

引 言

燃氣機熱泵是利用燃氣發(fā)動機驅(qū)動蒸氣壓縮式熱泵，同時回收發(fā)動機缸套余熱和煙氣余熱的新型空調(diào)裝置[1-3]。與普通的電動熱泵和燃氣或燃煤鍋爐相比，燃氣機熱泵具有3個明顯的優(yōu)勢：（1）由于回收利用燃氣機的缸套余熱和煙氣余熱，系統(tǒng)的供熱量和一次能源利用率（primary energy ratio）明顯提高。Nowakowski等[4]的研究表明，回收的缸套余熱和煙氣余熱可以使燃氣機熱泵系統(tǒng)的整體效率提高15%～25%。（2）通過改變?nèi)細鈾C的轉(zhuǎn)速可以間接改變壓縮機轉(zhuǎn)速，能夠更有效地匹配負荷變化[5-7]。（3）由于燃氣機熱泵具有更高的能源利用率，因此在滿足同樣熱負荷的情況下，燃氣機熱泵的能耗和排放的CO2更少[8-11]。

Elgendy等[12-13]研究了使用R410A作為工質(zhì)的燃氣機熱泵的制冷性能，對影響系統(tǒng)性能的因素：燃氣機轉(zhuǎn)速、室外環(huán)境溫度、蒸發(fā)器進水溫度及流量等進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：蒸發(fā)器進水溫度對系統(tǒng)性能的影響程度大于室外空氣溫度和蒸發(fā)器進水流量的影響，系統(tǒng)的一次能源利用率隨著燃氣機轉(zhuǎn)速的升高而降低。吳集迎等[14]搭建了沼氣機熱泵系統(tǒng)，并進行了性能實驗。在僅回收沼氣機煙氣余熱的工況下，沼氣機熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率為0.8～1.4。文獻[15]實驗研究了燃氣機熱泵系統(tǒng)（未對發(fā)動機余熱回收）在制冷工況的運行特性，實驗結(jié)果表明：當蒸發(fā)器的進水溫度從13℃升高到24℃時，系統(tǒng)的一次能源利用率增加了22.5%。文獻[16-18]建立了一種蓄電池和燃氣發(fā)動機聯(lián)合驅(qū)動的混合動力燃氣機熱泵空調(diào)裝置，在分析燃氣發(fā)動機和蓄電池的動態(tài)負荷特性以及系統(tǒng)功能特性的基礎上，建立了混合動力燃氣機熱泵系統(tǒng)4種能量分布模型，并對此系統(tǒng)和常規(guī)燃氣機熱泵系統(tǒng)的性能進行了分析，結(jié)果表明：此系統(tǒng)的平均熱效率比常規(guī)燃氣機熱泵系統(tǒng)的熱效率高5%左右。Sun等[19-20]利用燃氣機熱泵進行制冷和提供生活熱水，其一次能源利用率達到1.9，節(jié)約一次能源達40.9%（同直燃式吸收式制冷和鍋爐供熱方式相比）。

為了提高燃氣機熱泵的能源利用效率，本文通過燃氣機熱泵實驗臺，采用理論分析和實驗測試相結(jié)合的方法，對影響其運行性能的參數(shù)進行了研究，分析了燃氣機轉(zhuǎn)速、冷凝器進水流量及冷凝器進水溫度與回收余熱、供熱總量、COP以及PER的關(guān)系，得到了燃氣機熱泵部分負荷下的供熱性能規(guī)律。

1 燃氣機熱泵實驗臺

燃氣機熱泵工作原理和實驗樣機外形如圖1和圖2所示，該系統(tǒng)包括熱泵系統(tǒng)、燃氣機系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部件參數(shù)見表1。燃氣機為四缸四沖程電噴發(fā)動機；熱泵系統(tǒng)的開啟往復式壓縮機通過皮帶與燃氣機相連；余熱回收系統(tǒng)包括煙氣換熱器和缸套換熱器。回收的煙氣余熱一方面可以提高供水溫度，增加系統(tǒng)供熱量；另一方面，在低溫工況下，可以用回收的煙氣余熱來進行除霜。此系統(tǒng)包括3個循環(huán)，即制冷劑循環(huán)、燃氣機冷卻液（乙二醇-水溶液）循環(huán)和熱水供熱循環(huán)。

表1 燃氣機熱泵主要實驗部件參數(shù)Table 1 Main test parts parameter of GEHP

（1）制冷劑循環(huán)：從壓縮機出來的高壓蒸氣，經(jīng)過四通換向閥進入冷凝器，在冷凝器中放熱冷凝變成高壓液體，經(jīng)過貯液器后，流經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流，進入蒸發(fā)器，吸熱后變成過熱蒸氣，然后經(jīng)過氣液分離器進入壓縮機，完成循環(huán)。

（2）燃氣機冷卻液循環(huán)：燃氣機運行后，缸套換熱器的冷卻液用來回收缸套余熱。當缸套內(nèi)冷卻液的溫度超過80℃時，水泵1運行，用回收的缸套余熱加熱水箱中的乙二醇-水溶液。當水箱中的溶液溫度超過60℃時，開啟水泵2，來自水箱的熱溶液經(jīng)過煙氣換熱器1回收煙氣余熱。經(jīng)過二次加熱的溶液經(jīng)過閥門1（此時閥門2關(guān)閉），進入換熱器2繼續(xù)加熱來自冷凝器的熱水，然后返回水箱。當需要除霜時，關(guān)閉閥門1，開啟閥門2，來自煙氣換熱器的熱溶液經(jīng)過閥門2進入蒸發(fā)器除霜，完成后返回水箱。

（3）熱水供熱循環(huán)：房間回水流經(jīng)冷凝器升溫后，進入換熱器2吸收回收的缸套和煙氣余熱，升溫后供給熱用戶，然后返回冷凝器。

圖1 燃氣機熱泵原理Fig. 1 Schematic diagram of gas engine-driven heat pump

圖2 燃氣機熱泵實驗臺Fig. 2 Experimental set-up of GEHP system

2 燃氣機熱泵的能量利用分析

通過分析燃氣機熱泵能量平衡方程式，研究系統(tǒng)輸入輸出能量的分配情況，對于減少熱損失、充分利用缸套余熱和煙氣余熱，提高系統(tǒng)的能源利用效率具有重要意義。

燃氣機熱泵的熱平衡可表示為[21]

式中，Qb為燃氣機的一次能耗，kW；Qe為蒸發(fā)器從低溫熱源吸收的熱量，kW；Qw為回收的缸套余熱，kW；Qg為回收的煙氣余熱，kW；Qc為冷凝器釋放的熱量，kW；Qs為系統(tǒng)的總能量損失，kW。

燃氣機的一次能耗為

式中，Gb為天然氣的流量，kg·s?1；eb為天然氣的低位熱值，kJ·kg?1。

壓縮機的軸功率為

式中，mr為制冷劑的流量，kg·s?1；h1為壓縮機進口制冷劑焓值，kJ·kg?1；h2為壓縮機出口制冷劑焓值，kJ·kg?1；ηm為壓縮機的軸效率；Pw為壓縮機說明書中的輸入功率；a為壓縮機輸入功率的轉(zhuǎn)速因數(shù)；η為皮帶傳動效率。

回收的缸套余熱為

式中，cp為冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ·(kg·K)?1；mw為冷卻介質(zhì)的流量，kg·s?1；T1、T2分別為冷卻介質(zhì)在發(fā)動機缸套進、出口處的溫度，K。

回收的煙氣余熱為

式中，mg為排煙換熱器中冷卻介質(zhì)的流量，kg·s?1；分別為排煙換熱器中冷卻介質(zhì)進、出口溫度，K。

回收的總熱量為

冷凝器釋放的熱量為

式中，mc為冷凝器進水流量，kg·s?1；cc為水的比熱容，kJ·(kg·K)?1；分別為冷凝器進、出水溫度，K。

系統(tǒng)總供熱量為

評價燃氣機熱泵制熱工況的主要參數(shù)為制熱性能系數(shù)和一次能源利用率。

不考慮余熱利用的制熱性能系數(shù)

考慮余熱利用的制熱性能系數(shù)

一次能源利用率

3 實驗測試與分析

為了定量分析燃氣機熱泵的部分負荷供熱特性、煙氣余熱和缸套余熱對系統(tǒng)制熱系數(shù)和一次能源利用率的影響，本文通過燃氣機熱泵實驗裝置進行了實驗測試。實驗研究了不同工況下燃氣機熱泵供熱性能，重點分析了冷凝器進水溫度、冷凝器進水流量和燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速等因素對燃氣機熱泵系統(tǒng)供熱總量、回收余熱、性能系數(shù)和一次能源利用率的影響規(guī)律。

3.1 冷凝器進水溫度對系統(tǒng)性能的影響

冷凝器進水溫度的高低決定冷凝壓力的高低，直接影響燃氣機熱泵的系統(tǒng)性能。燃氣機熱泵系統(tǒng)工作時，加熱水箱2中的水，當水溫升高至設定溫度時，將煙氣換熱器1出口的熱水旁通至備用水箱，使冷凝器進口水溫保持穩(wěn)定。

圖3是燃氣機轉(zhuǎn)速為1300 r·min?1，冷凝器進水流量為1.25 kg·s?1，缸套水流量為0.47 kg·s?1，煙氣換熱器水流量為0.59 kg·s?1，環(huán)境溫度為5℃左右，系統(tǒng)熱量隨冷凝器進水溫度的變化曲線。由圖可知，隨著進水溫度的升高，燃氣機熱泵系統(tǒng)總供熱量呈減少趨勢。當進水溫度由27℃增加到40℃時，系統(tǒng)總供熱量減少了10.1%，而系統(tǒng)的一次能耗增加了13.2%。主要原因是隨著進水溫度的升高，系統(tǒng)的冷凝壓力和壓比也不斷增高，造成制冷劑流量減少，所以系統(tǒng)總供熱量減少。壓力升高導致壓縮機耗功增加，因此系統(tǒng)的一次能耗增加。

圖3 冷凝器進水溫度對系統(tǒng)熱量的影響Fig.3 Effect of condenser water inlet temperature on heating capacity of GEHP

圖4是系統(tǒng)的COP和PER隨冷凝器進水溫度的變化情況。從圖中可以看出，系統(tǒng)COP1、COP2和PER隨著進水溫度升高而降低，當進水溫度由27℃增加到40℃時，COP1、COP2和PER分別降低22.1%、27.4%和20.6%。主要原因是隨著冷凝器進水溫度的升高，系統(tǒng)冷凝熱和供熱總量減少，而一次能耗和壓縮機耗功卻相應增加，因此系統(tǒng)的COP1、COP2和PER不斷降低。

圖4 冷凝器進水溫度對COP和PER的影響Fig.4 Effect of condenser water inlet temperature on performance index of GEHP

3.2 余熱回收對系統(tǒng)性能的影響

從圖3中可以看出，由于回收了燃氣機的煙氣余熱和缸套余熱，系統(tǒng)的總供熱量大幅度提高。當冷凝器進水溫度分別為26.5、32.1和40.0℃時，回收的余熱量分別為20.0、21.1、21.2 kW，系統(tǒng)總供熱分別為55.4、52.7和49.83 kW；余熱占總熱量的比例分別為36.1%、40.0%和42.5%。當供水溫度越高時，回收余熱在總供熱量中所占的比例越高，這也是燃氣機熱泵的優(yōu)勢所在。

3.3 冷凝器進水流量對系統(tǒng)性能的影響

燃氣機熱泵可以通過調(diào)節(jié)冷凝器進水的流量，使系統(tǒng)供水溫度維持在45～65℃之間。冷凝器進水流量可以通過變頻器，改變水泵3的轉(zhuǎn)速，進而改變進水流量。圖5和圖6是燃氣機轉(zhuǎn)速為1300 r·min?1，環(huán)境溫度為5℃左右，冷凝器進水流量對系統(tǒng)總供熱量、COP和PER的影響規(guī)律。

圖5 冷凝器進水流量對系統(tǒng)總供熱量的影響Fig.5 Effect of condenser water flow rate on heating capacity of GEHP

圖6 冷凝器進水流量對系統(tǒng)COP和PER的影響Fig.6 Effect of condenser water flow rate on performance index of GEHP

從圖5中可以看出，系統(tǒng)的制熱量隨著冷凝器進水流量的增加而增加。當冷凝器進水流量由1.25 kg·s?1增加到1.54 kg·s?1時，制熱量增加2.5%左右，增加幅度很小。主要原因是當冷凝器進水流量增加時，減少了冷凝器的傳熱溫差和熱量散失。

圖6是冷凝器進水流量對系統(tǒng)COP和PER的影響規(guī)律，由圖可知，不同的冷凝器進水流量對系統(tǒng)COP和PER影響很小。主要原因是冷凝器進水流量增加時，冷凝器進、出水溫差將相應減少，因此冷凝器的制熱量變化幅度很小。

3.4 燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響

燃氣機熱泵可以通過調(diào)節(jié)燃氣機轉(zhuǎn)速間接調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷，這是燃氣機熱泵的優(yōu)勢之一，因此研究不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)的性能特點，對優(yōu)化燃氣機的運行工況、提高系統(tǒng)運行效率至關(guān)重要。

燃氣機轉(zhuǎn)速通過設計的燃氣機轉(zhuǎn)速控制器[5]進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。圖7～圖11是環(huán)境溫度為5℃左右，冷凝器進水流量為1.25 kg·s?1，不同燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響曲線。

圖7 燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)總供熱量的影響Fig.7 Effect of engine speed on heating capacity of GEHP

圖8 燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)一次能耗的影響Fig.8 Effect of engine speed on primary energy consumption of GEHP

圖9 燃氣機轉(zhuǎn)速對回收余熱的影響Fig.9 Effect of engine speed on recovery waste heat of GEHP

圖10 燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)COP的影響Fig.10 Effect of engine speed on COP of GEHP

圖11 燃氣機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)PER的影響Fig.11 Effect of engine speed on PER of GEHP

圖7是燃氣機轉(zhuǎn)速分別為1300、1600和1900 r·min?1時，系統(tǒng)總供熱量的變化曲線。從圖中可以看出，當冷凝器進水溫度為30℃左右，燃氣機轉(zhuǎn)速由1300 r·min?1增加到1600 r·min?1和1900 r·min?1時，總供熱量分別增加了13.9%和23.9%，主要原因是燃氣機轉(zhuǎn)速的提高（壓縮機轉(zhuǎn)速的提高），使系統(tǒng)的制冷劑流量增多，因此系統(tǒng)的制熱量增加。

圖8和圖9是燃氣機轉(zhuǎn)速分別為1300、1600和1900 r·min?1時，燃氣機的一次能耗和余熱回收的變化曲線。從圖中可以看出，當冷凝器進水溫度為30℃左右，燃氣機轉(zhuǎn)速由1300 r·min?1增加到1600 r·min?1和1900 r·min?1時，一次能耗增加了16.0%和31.2%，余熱回收增加了15.7%和31.4%。燃氣機一次能耗隨著燃氣機轉(zhuǎn)速的增加而增加，主要原因是隨著燃氣機轉(zhuǎn)速的增大，壓縮機輸氣量增大，壓縮機輸入功率增加，從而使燃氣機一次能源消耗增加，并且系統(tǒng)回收的燃氣機余熱增加。

圖10和圖11是系統(tǒng)的COP1、COP2和PER隨燃氣機轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，COP和PER都隨著燃氣機轉(zhuǎn)速的增加而減少，主要原因是當燃氣機轉(zhuǎn)速由1300 r·min?1增加到1600 r·min?1和1900 r·min?1時，一次能耗增加的比例超過供熱量增加的比例，因此系統(tǒng)PER和COP隨著燃氣機轉(zhuǎn)速的升高而降低。

4 結(jié) 論

（1）燃氣機熱泵系統(tǒng)回收的煙氣余熱和缸套余熱占系統(tǒng)總供熱量的40%左右，可以有效提高燃氣機熱泵的性能系數(shù)。

（2）在實驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃氣機熱泵系統(tǒng)總供熱量隨著燃氣機轉(zhuǎn)速、冷凝器進水流量的增加而增加，隨著進水溫度的升高而降低；而COP和PER隨著燃氣機轉(zhuǎn)速和冷凝器進水溫度的升高而降低。

（3）在考慮余熱回收的情況下，燃氣機熱泵的一次能源利用率為1.15～1.47，同常規(guī)供熱系統(tǒng)（鍋爐和電動熱泵）相比，具有較高的能源利用效率，因此推廣使用燃氣機熱泵對節(jié)能減排具有重要意義。

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Theoretical and experimental study on heating performance of gas engine-driven heat pump

WANG Mingtao1,2, LIU Huanwei2, ZHANG Baihao2
(1School of Energy and Power Engineering,Ludong University,Yantai264025,Shandong,China;2School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China)

The gas engine-driven heat pump (GEHP) system is an efficient energy saving and environmentfriendly heating system which consumes natural gas as fuel in a gas engine. The present work aimed at evaluating the performance of a gas engine-driven heat pump for heating. In order to achieve this objective, a test facility was developed and experiments were performed over a wide range of engine rotary speed (1300—1900 r·min?1). The relationships of engine rotary speed, condenser water inlet temperature, condenser water flow and system performance [heating capacity, system coefficient of performance (COP) and primary energy ratio (PER)] were studied based on theoretical analysis and experimental data. The results showed that the heating capacity of GEHP increased with increasing engine rotary speed and condenser water flow rate, but decreased with the increase of condenser water inlet temperature. The COP and PER of the GEHP decreased with increasing engine rotary speed and condenser water inlet temperature. The effect of the engine rotary speed and condenser water inlet temperature on the system performance was more significant than that of condenser water flow rate. The waste heat recovered from the gas engine accounted for about 40% of the total heating capacity, and the PER of the GEHP was between 1.15—1.47 under experimental condition.

Dr. WANG Mingtao, wmtldu@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150391

TK 123

：A

：0438—1157（2015）10—3834—07

2015-03-27收到初稿，2015-05-17收到修改稿。

聯(lián)系人及

：王明濤（1983—），男，博士，講師。

山東省自然科學基金項目（ZR2014EEP026）；魯東大學科研基金項目（27860301）。

Received date: 2015-03-27.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2014EEP026) and the Scientific Research Foundation of Ludong University (27860301).