太陽能燃氣熱泵供暖系統及余熱回收分析

李晶

摘 要：對太陽能燃氣熱泵供暖系統及余熱回收性能進行了研究。建立了系統的仿真模型，對套缸冷卻系統和排煙余熱回收器進行了模擬計算。分析了套缸冷卻水流量的變化規律、確定了排煙余熱回收比（排煙余熱中回收的熱量占排煙余熱總熱量的比例、熱回收循環水流經套缸冷卻器及排煙余熱回收器后的溫升情況，最后以沈陽地區某建筑為例，對系統余熱回收的經濟性進行了分析。

關鍵詞：太陽能；供暖系統；余熱回收

1 主要部件的選型設計

文章選取的基準建筑為沈陽市某小區內的一棟住宅樓，自一層到十一層均為一梯三戶，共3個單元。建筑面積為7730.91m2，高度為33.2m，每戶由不同的功能分區組成。建筑物全年最大熱負荷為212kW，全年總熱負荷為642082.07kW·h。根據負荷狀況對太陽能燃氣熱泵系統的設備進行計算選型，并建立系統的仿真模型。

1.1 燃氣熱泵機組的選型設計

因為沈陽地區屬于嚴寒地區，冬季熱負荷要比夏季冷負荷大得多，通常要根據基準建筑的全年熱負荷，選取燃氣熱泵機組的型號。由于太陽能在供熱過程中的不穩定性，如果想要能夠滿足末端的供熱、供冷的要求，應該考慮在最不利情況下即無太陽輻射情況下選取燃氣熱泵機組，保證系統的供暖效果。

建筑物的設計熱負荷為212kW，由于燃氣熱泵機組帶有余熱回收裝置，初步估計余熱回收量至少相當于熱泵制熱量的25%。所以根據燃氣熱泵制熱量加上余熱回收量大于建筑物最大熱負荷來選擇熱泵機組型號。本系統選用藍德空調公司生產的燃氣熱泵機組。

1.2 燃氣熱泵機組的選型設計

因為沈陽地區屬于嚴寒地區，冬季熱負荷要比夏季冷負荷大得多，通常要根據基準建筑的全年熱負荷，選取燃氣熱泵機組的型號。由于太陽能在供熱過程中的不穩定性，如果想要能夠滿足末端的供熱、供冷的要求，應該考慮在最不利情況下即無太陽輻射情況下選取燃氣熱泵機組，保證系統的供暖效果。

1.3 排煙余熱回收器的選型設計

本系統所用的排煙余熱回收器選擇翅片管式換熱器，因為該換熱器具有良好的傳熱性能、耐溫性能、耐熱沖擊性能及耐腐蝕能力，易于清理塵垢，壓降較低等特點。

文章選取的燃氣發動機額定功率為40kW測得排煙熱量損失在30kW上下，假定排煙余熱回收率為70%。進入排煙余熱回收器的熱回收循環水溫度在40—50℃之間，排煙溫度在5000C左右，空氣或煙氣的強制對流系數h取20W（m2·K）。

2 模擬結果分析

2.1 套缸冷卻器的換熱量

發動機冷卻系統的冷卻水能夠及時地將發動機汽缸壁冷卻是保證發動機良好運行的前提。研究中，文章將氣缸壁溫度設定為110℃，在不同的轉數下，當冷卻水溫度為65-95℃時，發動機冷卻系統帶走的熱量進行觀測。同一轉數下，隨著冷卻水溫度的升高，冷卻水帶走的熱量略顯減少趨勢；同一冷卻水溫度時，隨著發動機的轉數增加，冷卻水帶走的熱量增加，發動機轉數每增加100r/min，則通過冷卻水帶走的熱量增加2.1kW。

2.2 排煙余熱回收比的確定

隨著余熱回收比增加，能源利用損失率增加，這是因為隨著余熱回收比變大，引起的系統背壓越大，從而影響了發動機的排氣，發動機排氣時，若上一個循環的廢氣遺留很多時，氣缸內的燃燒就很難達到完全，影響發動機的性能。余熱回收比從0.4增加到0.9時，能源利用損失率己經從4.5%上升到27.2%。

隨著余熱回收比的增大，壓力損失也逐漸增大，在余熱回收比為0.7-0.9之間曲線急劇上升，壓力急劇增大，對于發動機的使用壽命有著很大的影響，在實際運行中應盡量避免。余熱回收器的壓力嚴重影響發動機的工作，因此需將排煙換熱器的余熱回收比控制在0.7內，此時排煙回收器的壓力損失在190.27kPa以下。

綜合考慮能源利用率、能源利用損失率以及發動機壓力損失的影響，文章確定最佳排煙余熱回收比為70%。

2.3 熱回收循環水的溫度變化

由于發動機冷卻水溫度不能過高和過低，汽缸壁溫度設定為1100C，并對熱回收循環水是否流經套缸冷卻器的水溫進行對比計算，結果表明熱回收循環水經熱泵冷凝器未經套缸冷卻器時的溫度為450C，經冷凝器再經套缸冷卻器與發動機冷卻水換熱后的溫度變化，熱回收循環水與套缸冷卻器換熱后可升溫2-5℃，升溫后溫度約為47-50℃。熱回收循環水升溫后再流經排煙換熱器繼續回收熱量。

余熱回收比為0.7時，熱回收循環水流經排煙余熱回收器后的水溫變化。可以看出，熱回收循環水與煙氣余熱回收器換熱后，溫度由47-50℃提升到49-52℃，熱回收循環水溫度可提高2℃左右。同時，隨著發動機轉數增加，熱回收循環水的溫度也在增加。采暖期可分為采暖初期、中期和末期，實際運行中可以通過調節發動機轉數來實現熱回收循環水溫度的變化，達到節能的效果。

3 余熱回收的經濟性分析

3.1 初投資估算

3.1.1 余熱回收型燃氣熱泵供暖系統

型號為GHP-C0138D，制熱輸入功率為38.9kW的余熱回收型燃氣熱泵機組，造價為38.7萬元；余熱回收器的成本約為55000元，余熱回收系統的管道及閥門價格為14300元，附加件價格為12000元，余熱回收設備共計8.13萬元。余熱回收型燃氣熱泵總造價約為46.83萬元。

3.1.2 非余熱回收型燃氣熱泵供暖系統

若沒有余熱回收利用系統，則根據基礎建筑最大熱負荷，應選擇制熱輸入功率為53kW的燃氣熱泵機組，非余熱回收型燃氣熱泵系統的熱泵機組的造價約為41.05萬元。

3.2 供暖運行費用

3.2.1 余熱回收型燃氣熱泵供暖系統

型號為GHP-C0138D，制熱輸入功率為38.9kW的余熱回收型燃氣熱泵機組的標準氣耗量為13.3786m3/h。余熱回收型燃氣熱泵系統的年運行費用約為。

3.2.2 非余熱回收型燃氣熱泵供暖系統

制熱輸入功率為53kW非余熱回收型燃氣熱泵機組的天然氣氣耗量M為17.6679m3/h，雖然初投資費用比非余熱回收型燃氣熱泵多出5.78萬元，但是余熱回收型燃氣熱泵年運行費用比非余熱回收型燃氣熱泵節省2.66萬元，若系統運行25年后，余熱回收型燃氣熱泵系統總費用比非余熱回收型燃氣熱泵系統節約60.72萬。

4 結語

（1）綜合考慮能源利用率、能源利用損失率以及發動機壓力損失的影響，確定系統的最佳排煙余熱回收比為0.7；（2）雖然余熱回收型燃氣熱泵機組的初投資比非余熱回收型燃氣熱泵要大，但是若系統長時間運行，則余熱回收型燃氣熱泵可明顯地節省經濟費用。

參考文獻

[1] 張榮榮，李書澤，林文勝.燃氣機熱泵供暖過程的計算與分析.江西建材，2015（03）：350.

[2] 張永貴.熱泵供暖系統技術經濟評價[J].煤氣與熱力，2013（06）.