燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過程的計(jì)算與

燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過程的計(jì)算與分析摘要：本文對驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對燃?xì)鈾C(jī)熱泵建立了一個(gè)計(jì)算模型。通過計(jì)算,分析了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱對燃?xì)鉄岜霉┡^程的影響，著重分析了部分負(fù)荷下燃?xì)鈾C(jī)熱泵的供暖過程的特點(diǎn)。以上海地區(qū)的氣候條件和能源價(jià)格為基礎(chǔ)，對燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖的能耗和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析比較。關(guān)鍵字：燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱能耗計(jì)算模型1引言天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組（GasEngine-DrivenHeatPump，以下簡稱燃?xì)鈾C(jī)熱泵）已經(jīng)在日本、美國和歐洲等國家得到了廣泛的應(yīng)用，然而在我國，這類熱泵尚未開始推廣應(yīng)用。隨著西氣東輸工程的順利進(jìn)行，以及電力峰谷差日益嚴(yán)重，以天然氣作為制冷空調(diào)設(shè)備能源的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的應(yīng)用開始受到重視。由于燃?xì)鈾C(jī)熱泵冬季供暖時(shí)引入了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套和廢氣的余熱，因此，在供暖模式下燃?xì)鈾C(jī)熱泵與普通的電驅(qū)動(dòng)熱泵有較大的區(qū)別。本文對一臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并運(yùn)用能量守恒的原理建立了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算的模型。通過計(jì)算，分析了燃?xì)鈾C(jī)熱泵冬季供暖過程的特點(diǎn)及運(yùn)行能耗。2燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過程的計(jì)算模型該燃?xì)鈾C(jī)熱泵屬空氣－水熱泵機(jī)組，可進(jìn)行供暖和制冷循環(huán)。進(jìn)行供暖循環(huán)時(shí)，三通閥1和2均切換到余熱回收的位置，熱水吸收板式換熱器熱量后繼續(xù)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，然后將熱量輸送到熱用戶。由于燃?xì)鈾C(jī)的余熱對熱泵的供熱影響較大，因此本文主要討論燃?xì)鈾C(jī)熱泵的供暖循環(huán)。2.1發(fā)動(dòng)機(jī)余熱計(jì)算模型由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程比較復(fù)雜，很難用純粹的數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱計(jì)算模型。一些文獻(xiàn)[1,2]提供了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的計(jì)算公式，但這些計(jì)算公式的通用性較差，僅適合于某一型式的發(fā)動(dòng)機(jī)。本文采用實(shí)驗(yàn)的辦法得到實(shí)際應(yīng)用的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)模型中所需的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱數(shù)據(jù)。通過測出有關(guān)物理量，可以間接地計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱量。穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)同發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)便確定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在某一工作狀態(tài)，然后測出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量，冷卻水進(jìn)出口溫度，廢氣排氣溫度，天然氣流量，過量空氣系數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱數(shù)據(jù)。圖2~5為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過換算后得到的結(jié)果。圖3廢氣流量隨轉(zhuǎn)速和扭矩的變化關(guān)系圖4廢氣排氣溫度隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系圖5缸體冷卻水流量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體的余熱量、廢氣流量和排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速和扭矩的增加而增加。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，因此冷卻水的流量僅同轉(zhuǎn)速有關(guān)。對上述結(jié)果通過曲面插值和線性擬合的辦法可以得到其它非測試狀態(tài)點(diǎn)下的物理量，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)余熱計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。2.2熱泵系統(tǒng)計(jì)算模型熱泵系統(tǒng)的熱力模型主要考慮壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器三大部件的能量平衡關(guān)系，節(jié)流過程認(rèn)為是絕熱過程。若忽略系統(tǒng)的熱損失，那么壓縮機(jī)的排熱量、冷凝器的換熱量和熱水的吸熱量應(yīng)該相等，同樣壓縮機(jī)的產(chǎn)冷量、蒸發(fā)器的換熱量和室外空氣的放熱量也應(yīng)該相等。2.3模型的求解在燃?xì)鈾C(jī)熱泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量已知的情況下，聯(lián)立上述所有方程便可以對模型進(jìn)行求解。該模型有兩種求解方式：（1）如給定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么可以得到該轉(zhuǎn)速下燃?xì)鈾C(jī)供熱能力；（2）如給定系統(tǒng)要求的供熱能力，那么可以計(jì)算出要求的供熱能力下燃?xì)鈾C(jī)熱泵轉(zhuǎn)速。然后相應(yīng)地可以得到燃?xì)鈾C(jī)熱泵能耗、余熱等其它量。由于風(fēng)機(jī)水泵的能耗占系統(tǒng)能耗的比重相對較小，且固定不變，因此計(jì)算中不涉及這部分能耗。3燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過程計(jì)算與分析3.1供暖季節(jié)的熱負(fù)荷的計(jì)算撞本文的目恭的主要是唉對燃?xì)鈾C(jī)忍熱泵在整閥個(gè)供暖季庭節(jié)的工作包性能進(jìn)行啄計(jì)算和分摧析，因此悲必須首先建確定建筑高的熱負(fù)荷屠。為便于窗計(jì)算，假區(qū)設(shè)某建筑翻的熱負(fù)荷港僅僅由室肥內(nèi)外溫差牛引起，那偶么在已知夕室內(nèi)設(shè)計(jì)櫻溫度歪t(yī)姜n漢和室外設(shè)短計(jì)溫度轎t片ou盞t件，墊d快以及設(shè)計(jì)舉負(fù)荷些Q鴨d蛾的情況下誼，可以計(jì)析算出任意例室外溫度智t嚴(yán)out針下該建筑榆的熱負(fù)荷撕Q迎x花3.2誓點(diǎn)燃?xì)鈾C(jī)熱紀(jì)泵供暖過響程特點(diǎn)畏燃?xì)鈾C(jī)熱撈泵一個(gè)突蝕出的優(yōu)點(diǎn)炸是就是燃下氣機(jī)有良錦好的調(diào)速需性能，即景當(dāng)負(fù)荷變弟動(dòng)時(shí)，可卡以通過調(diào)賽節(jié)燃?xì)鈾C(jī)蓄的供氣量吵來調(diào)節(jié)燃海氣機(jī)熱泵零的轉(zhuǎn)速，塞以實(shí)現(xiàn)部較分負(fù)荷下隱燃?xì)鈾C(jī)熱騙泵供熱能預(yù)力的調(diào)節(jié)盾。需要指戴出的是，煮燃?xì)鈾C(jī)熱脈泵的速度呈調(diào)節(jié)是有誓限制的，咳并不能任慚意調(diào)節(jié)，旨這與發(fā)動(dòng)供機(jī)和壓縮徐機(jī)的工作謠特性有關(guān)野。喪圖扮6院為實(shí)驗(yàn)得巷到的發(fā)動(dòng)猜機(jī)速摘度炒-藍(lán)轉(zhuǎn)矩特性絹曲線，即兼發(fā)動(dòng)機(jī)的幻外特性曲恒線，和計(jì)謹(jǐn)算得到壓車縮機(jī)的速突度頓-寇轉(zhuǎn)矩特性們曲線。圖晚中實(shí)線表褲示發(fā)動(dòng)機(jī)嘆在不同轉(zhuǎn)君速下能提諒供的最大這轉(zhuǎn)矩，而赴虛線表示爹負(fù)荷變動(dòng)折時(shí)壓縮機(jī)糊正常工作批需要的轉(zhuǎn)涼矩。從圖答中看出，朱當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)鐮轉(zhuǎn)速低蹲于淡1200取r/mi非n店時(shí)，發(fā)動(dòng)員機(jī)的最大態(tài)轉(zhuǎn)矩已不陽足于提供趙壓縮機(jī)所運(yùn)需的室轉(zhuǎn)矩，此袖時(shí)燃?xì)鈾C(jī)周熱泵已無煌法正常工胞作。因此紅，實(shí)際運(yùn)顫用中，發(fā)鏟動(dòng)機(jī)存在纏一個(gè)最小晌穩(wěn)定轉(zhuǎn)速闊，燃?xì)鈾C(jī)佩熱泵通過叨轉(zhuǎn)速進(jìn)行說能量調(diào)節(jié)慎時(shí)，轉(zhuǎn)速屢不能低于膨這一最小體穩(wěn)定轉(zhuǎn)速鴨。根據(jù)這遲一情況，催為保證機(jī)宇組的穩(wěn)定猜性，本文鼻計(jì)算中最帽小穩(wěn)定轉(zhuǎn)恢速淡取唇1400耐r/mi霸n驅(qū)，而低于劇這一轉(zhuǎn)速研時(shí)采用壓貧縮機(jī)卸缸折的辦法進(jìn)并行壓縮機(jī)泛能量調(diào)節(jié)峰。龜圖宏6豆棒發(fā)動(dòng)機(jī)和可壓縮機(jī)的乎速按度游-舍轉(zhuǎn)矩特性賽圖稼7價(jià)表示不同爬室外溫度頃下的燃?xì)鉄龣C(jī)熱泵熱醋負(fù)荷、供詳熱量、發(fā)悄動(dòng)機(jī)的余影熱量、系版統(tǒng)一次能蹈耗的變化懇關(guān)系。限圖讓8算表示一次暢能利用率金的變化規(guī)完律，其中躬一次能源練利用率踐PER銹的定義為趕系統(tǒng)實(shí)際島所獲得的月熱量與系俊統(tǒng)消耗一搭次能的比斯值桑夏（皺1率9努）上式中策，域mi躁n但（巾Q野x囑,Q草tota臉l鞭）表示當(dāng)煤系統(tǒng)供熱陳量大于熱泰負(fù)荷時(shí)，果以熱負(fù)荷僻作為實(shí)際會(huì)獲得的熱們量，而供胡熱量小于代熱負(fù)荷時(shí)符，以系統(tǒng)廚供熱量作謊為實(shí)際獲競得的熱量伏。從疾圖具7味和嘉圖睡8肺中可以看播出：亮（溫1瓶）蔬蒜燃?xì)鈾C(jī)熱粥泵供熱量泡中，發(fā)動(dòng)韻機(jī)的廢熱輔占相當(dāng)大鼓的份額（策約占總供旺熱量習(xí)的漿1/伸3慘）。因此高，即使在脹溫度很低損的情況下術(shù)，燃?xì)鈾C(jī)濱熱泵仍能般滿足供熱寶要求，不柜會(huì)出現(xiàn)供豐熱量不足膜的情況。并廢熱量的披大小同發(fā)友動(dòng)機(jī)的負(fù)哀荷和工作魂?duì)顟B(tài)很有收關(guān)系。備圖性8榆棟燃?xì)鈾C(jī)熱邀泵的一次品能利用率阿（柳2拔）衫凝由于發(fā)動(dòng)俯機(jī)存在最陣小穩(wěn)定轉(zhuǎn)震速問題，懷燃?xì)鈾C(jī)熱想泵在室外址溫度高掌于罵2稀℃朗時(shí)出現(xiàn)了濃供熱量和囑熱負(fù)荷不必能匹配的晉現(xiàn)象。這黃時(shí)，發(fā)動(dòng)節(jié)機(jī)已無法可通過轉(zhuǎn)速槍來調(diào)節(jié)系酷統(tǒng)的供熱而量。計(jì)算筋表明，熱躁負(fù)荷率較乳高時(shí)，燃毛氣機(jī)熱泵享具備較好芳的負(fù)荷調(diào)陣節(jié)特性，劫供熱量和屬熱負(fù)荷能娃較好匹配朋，系統(tǒng)也們有較高的胃一次能利假用率。但李隨著負(fù)荷債率的降低閘，發(fā)動(dòng)機(jī)猜轉(zhuǎn)速被限援制在最小從轉(zhuǎn)速下運(yùn)蝶行，系統(tǒng)舌的一部分撿供熱量被碧浪費(fèi)，一洗次能利用熊率降低。替（濫3圖）遵肚在負(fù)荷率躬較低時(shí)，貍采用的壓姓縮機(jī)卸缸四的辦法進(jìn)劈行能量調(diào)師節(jié)對燃?xì)庑訖C(jī)熱泵能軌耗的改善仇不明顯。泳從本文的奧計(jì)算結(jié)果騾來看，采肚用壓縮機(jī)艘卸缸的能趨量調(diào)節(jié)方嗓式后，一鴨定程度上笛克服了能游耗上升的依趨勢。進(jìn)池一步分析兄表明，能穴耗不能降圖低的原因激仍然是因駛為轉(zhuǎn)速被嶺穩(wěn)定在最獸低轉(zhuǎn)速下盤運(yùn)行所致院。因此在度部分負(fù)荷秧較低的情涉況下，燃籮氣機(jī)熱泵若的一次能悟源利用率經(jīng)較低。為芒使機(jī)組在臘低負(fù)荷下枕節(jié)能，采恥用叛啟復(fù)/墾?？刂品匠潦竭M(jìn)行能脊量調(diào)節(jié)仍誕然非常必穴要。泥3.3挺蠟燃?xì)鈾C(jī)熱浮泵供暖的螺季節(jié)能耗斷及運(yùn)行費(fèi)給用分析比庸較勾若考慮各回個(gè)溫度下財(cái)空調(diào)運(yùn)行輝的累積時(shí)捎間，可以伸計(jì)算出燃稱氣機(jī)熱泵每冬季運(yùn)行斷時(shí)的能耗鄙。驕圖槐9疲為根據(jù)上牙海地區(qū)空蛙調(diào)運(yùn)行期腦間室外溫毅度頻率表數(shù)[5]沉計(jì)算的燃閑氣機(jī)熱泵志在冬季各巡個(gè)溫度下光的運(yùn)行能渡耗。可以傲看出能耗豎較高的點(diǎn)沿集中在室榴外溫度威為啞5熔～意1歪0坊℃胖的區(qū)域，橋這是因?yàn)榻七@個(gè)溫度禮區(qū)域空調(diào)晴運(yùn)行小時(shí)略數(shù)很多。浸將各個(gè)溫圖度下的能遙耗值累加?jì)善饋恚深惖玫秸麄€(gè)讓供暖季節(jié)追燃?xì)鈾C(jī)熱戲泵的能耗述量。賞圖錄9聰懂各個(gè)室外霜溫度下燃嬸氣機(jī)熱泵叛的運(yùn)行能疫耗毫燃?xì)鈾C(jī)熱末泵能耗計(jì)林算的另一黨目的是考真察燃?xì)鈾C(jī)界熱泵運(yùn)行棍的經(jīng)濟(jì)性罪。影響燃畢氣機(jī)熱泵煌運(yùn)行費(fèi)用話的因素不版僅是該地塵區(qū)的氣候掀條件，更潑重要的是蘿當(dāng)?shù)氐哪芩卧磧r(jià)格因互素。收圖塵1穗0遙為目前上笑海地區(qū)能持源價(jià)格條剃件下對燃視氣機(jī)熱泵議同變頻調(diào)坐節(jié)方式的百電驅(qū)動(dòng)熱羞泵運(yùn)行費(fèi)動(dòng)用比較分混析。從比兩較結(jié)果可顆以看出，孟燃?xì)鈾C(jī)熱籮泵在低溫漆下的運(yùn)行都費(fèi)用明顯釣低于電動(dòng)侄熱泵，在酒室外溫度陶較高的情富況下燃?xì)鈭?jiān)機(jī)熱泵稍發(fā)差于電動(dòng)心熱泵，這威主要是因雹為本文中捏采用的燃錢氣機(jī)在部勵(lì)分負(fù)荷較欣低時(shí)調(diào)節(jié)捷性能較差籍所致。對璃于整個(gè)供炸暖季節(jié)，隨燃?xì)鈾C(jī)熱常泵的運(yùn)行先費(fèi)用要比鐮電動(dòng)熱泵真的運(yùn)行費(fèi)元用節(jié)滿約吸16.忌8纖％。4結(jié)論續(xù)（陳1顯）通過天逐然氣發(fā)動(dòng)體機(jī)余熱實(shí)熔驗(yàn)以及整騎個(gè)系統(tǒng)的繁計(jì)算分析頭可知，發(fā)尊動(dòng)機(jī)余熱堪在燃?xì)鈾C(jī)恭熱泵系統(tǒng)拿供熱量中戒占相當(dāng)大侍的份額。報(bào)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)余熱使得雙燃?xì)鈾C(jī)熱付泵在低溫通下有良好哭的供熱能面力，且余廳熱對系統(tǒng)器供熱性能連有較大的河影響。嗎（繞2常）盡管燃得氣發(fā)動(dòng)機(jī)泉具備調(diào)速益機(jī)構(gòu)，但因要維持發(fā)伯動(dòng)機(jī)的穩(wěn)舍定性，發(fā)露動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)棕速不能太棚低。這一陶特點(diǎn)限制槽了燃?xì)鈾C(jī)悲熱泵的部濾分負(fù)荷性數(shù)能的發(fā)揮縫，要獲得板好的部分尺負(fù)荷特性浪，發(fā)動(dòng)機(jī)繪需要有較擔(dān)低的最低黎穩(wěn)定轉(zhuǎn)速濫。對于最篇低轉(zhuǎn)速較林高的燃?xì)怄?zhèn)機(jī)熱泵，色為使機(jī)組勉節(jié)能，壓掏縮機(jī)的橫啟艙/能停控制方迷式仍然十幣分必要。撿（嗚3蒸）計(jì)算表泊明，燃?xì)馓C(jī)熱泵的禿運(yùn)行經(jīng)濟(jì)她性在不同辛的室外條她件下各不諒相同，總光的來說，疑在上海地幅區(qū)氣候和園能源價(jià)格祥條件下，切燃?xì)鈾C(jī)熱獻(xiàn)泵同電動(dòng)恨熱泵相比易仍然具有珍較好的經(jīng)性濟(jì)