空氣源燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

空氣源燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究1引言

燃?xì)鉄岜?GasEngineDrivenHeatPump，以下簡(jiǎn)稱GEHP)是以燃?xì)鈾C(jī)作為動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵。燃?xì)鉄岜檬且环N很有前途的裝置，除了供應(yīng)熱水外，還能用于采暖和制冷。日本等一些國(guó)家已經(jīng)研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃?xì)鉄岜肹1]。隨著天然氣等清潔能源在我國(guó)的廣泛使用，燃?xì)鉄岜米鳛橐豁?xiàng)高效節(jié)能的重要末端設(shè)備將得到廣闊的應(yīng)用。

空氣作為低溫?zé)嵩矗梢匀≈槐M，用之不竭，到處都有，可無(wú)償取得。而且空氣源熱泵裝置的安裝和使用也都比較方便。但是空氣參數(shù)隨地域和季節(jié)、晝夜均有很大變化，這對(duì)熱泵機(jī)組的容量和性能系數(shù)影響較大。

本文對(duì)燃?xì)鉄岜眠M(jìn)行了熱力學(xué)第一定律分析、火用分析和能級(jí)分析，并對(duì)空氣源供熱/制冷型燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

2燃?xì)鉄岜玫墓ぷ髟?/p>

燃?xì)鉄岜玫墓ぷ髟硎牵喊讶細(xì)?包括天然氣、液化石油氣、煤制氣或沼氣等)送入內(nèi)燃機(jī)，由內(nèi)燃機(jī)把燃?xì)馊紵筢尫诺臒崮苻D(zhuǎn)化成動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的逆向熱力學(xué)循環(huán)，達(dá)到把低溫位熱能輸送到高溫位供給使用的目的。

燃?xì)馊紵笏a(chǎn)生的高溫位熱能，只有一部分通過(guò)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其余則以廢熱(包括排煙熱、氣缸冷卻水及機(jī)油帶走的熱量)的形式排入環(huán)境。對(duì)于在供熱模式下運(yùn)行的熱泵，正好可將這些廢熱加以回收利用，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的制熱性能。

圖1燃?xì)鉄岜霉崮Ｊ降墓ぷ髟硎疽鈭D

空氣源燃?xì)鉄岜玫闹饕褪接锌諝?空氣和空氣/水。圖1為燃?xì)鉄岜霉崮Ｊ降墓ぷ髟硎疽鈭D。如圖所示，待加熱流體在冷凝器中升溫后，再依次通過(guò)燃?xì)鈾C(jī)的冷卻水回收器和排氣回收器，達(dá)到一定溫度后送至用戶使用。

3燃?xì)鉄岜玫臒崃W(xué)分析

3.1第一定律分析

熱泵系統(tǒng)的能量指標(biāo)通常用制熱系數(shù)COP和一次能源利用率PER(PrimaryEnergyRatio)來(lái)衡量。燃?xì)鉄岜迷诠釙r(shí)的COP可用下式表示：

式中：Qc──冷凝放熱，kw；

Qr──被加熱流體從燃?xì)鈾C(jī)廢熱中得到的熱能，kw；

N──供給熱泵系統(tǒng)的機(jī)械能，kw。

COP雖然可表達(dá)熱泵的制熱性能，但不能反映熱泵原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化效率等因素，因而不能全面反映熱泵系統(tǒng)的能源利用效率。所以我們常采用一次能源利用率PER的指標(biāo)來(lái)比較不同設(shè)備的性能。燃?xì)鉄岜玫囊淮文茉蠢寐蔖ERGEHP可用下式表示：

3.3燃?xì)鉄岜玫哪芗?jí)分析

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的輸入為燃料，外界空氣的熱量，所以輸入的能級(jí)Ωin為：

那么輸入和輸出的能級(jí)差ΔΩ=Ωin-Ωuse=0.07。這表明燃?xì)鉄岜玫哪芰坷眠^(guò)程是比較合理的。

從燃?xì)鉄岜玫臒崃W(xué)第一定律、火用分析和能級(jí)分析中，我們可以知道燃?xì)鉄岜镁哂懈叩臒崃W(xué)完善性，能量利用過(guò)程也比較合理。

4空氣源燃?xì)鉄岜萌萘康拇_定

隨著環(huán)境空氣溫度的變化，熱泵的供熱量往往與建筑物的供熱負(fù)荷相矛盾。即大多數(shù)時(shí)間內(nèi)均存在供需的不平衡現(xiàn)象，如圖4所示。

建筑物的耗熱量在建筑物內(nèi)溫度一定時(shí)，與環(huán)境溫度t0成直線AB。熱泵制熱量在維持室內(nèi)冷凝溫度不變時(shí)，與環(huán)境溫度t0成曲線CD。曲線CD與直線AB相交于O點(diǎn)。在此溫度下，熱泵的供熱量等于建筑物的耗熱量，此溫度稱為平衡點(diǎn)，記為ta。

當(dāng)環(huán)境溫度高于平衡溫度時(shí)，曲線CD高于直線AB，所以熱泵的制熱量大于建筑物的耗熱量，供熱有富裕。當(dāng)環(huán)境溫度低于平衡溫度時(shí)，曲線CD低于直線AB，表現(xiàn)為供熱量不足，不足部分由輔助加熱設(shè)備提供。

平衡溫度ta取決于室內(nèi)外的溫差、建筑物本身的傳熱特性和熱泵的容量。

如當(dāng)建筑物保溫性能較好，直線AB向左移，成為直線A′B′。它與曲線CD交于O1′，使平衡點(diǎn)溫度左移。若熱泵容量降低，曲線CD成為C′D′，它與直線AB交于O2′，使平衡點(diǎn)溫度右移。

一般在熱泵設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選定該工程的經(jīng)濟(jì)合理的平衡點(diǎn)以便配置熱泵主機(jī)的額定容量，如果所選取的t0與當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度(通常指冬季采暖設(shè)計(jì)溫度)相等，雖能保證最低溫度時(shí)能滿意地供熱。但在其他室外溫度時(shí)，供熱量富裕而造成浪費(fèi)，很不經(jīng)濟(jì)，所以要將平衡點(diǎn)溫度取得高于室外冬季采暖設(shè)計(jì)溫度，以保證壓縮機(jī)選配的容量不致過(guò)大，并在大部分時(shí)間能在較高的效率下運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣不僅初投資可以節(jié)省，運(yùn)行費(fèi)用也較節(jié)約。

由于空氣源熱泵的制熱系數(shù)是隨室外溫度的變化而變化，所以只考慮某一特定工況的制熱系數(shù)是不夠的。這時(shí)可用季節(jié)性能系數(shù)SEER(SeasonalEergyEfficiencyRatio)和HSPF(HeatingSeasonalPerformanceFactor)來(lái)評(píng)價(jià)熱泵。

其中HSPF取決于供熱設(shè)計(jì)負(fù)荷和熱泵提供的熱量之比(供熱負(fù)荷系數(shù))，當(dāng)?shù)厥彝鉁囟确植碱l率和熱泵本身的運(yùn)行性能。一般認(rèn)為，熱泵容量按供熱負(fù)荷系數(shù)1.7左右設(shè)計(jì)是比較可行和經(jīng)濟(jì)的。

一般來(lái)說(shuō)，熱泵機(jī)組容量的選擇，目前通常以夏季制冷量的容量(SEER)為依據(jù)，再推出平衡溫度，依據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁赜?jì)算出所需的輔助加熱量及制熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF。

5應(yīng)用分析

我國(guó)的氣候特征普遍表現(xiàn)為冬季長(zhǎng)而無(wú)嚴(yán)寒。每個(gè)區(qū)域內(nèi)低于-11.7℃的采暖天數(shù)，除哈爾濱地區(qū)(小于60天)外，都不超過(guò)45天。其中黃河流域低于18℃的天數(shù)約為220天，低于5℃的天數(shù)約為124天，而低于-9℃的天氣只有9天。長(zhǎng)江流域低于18℃的天數(shù)約為187天，低于5℃的天數(shù)約為60天，而低于

從表中可以看出，我國(guó)東北地區(qū)，冬季嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，作為室外溫度函數(shù)的冷熱負(fù)荷相差較大。若考慮全年空調(diào)，熱泵設(shè)計(jì)為供熱型，則它的熱容量對(duì)冷容量顯得太大；而按空調(diào)型的熱泵設(shè)計(jì)在冬季供熱其熱容量顯得太小。所以，為使熱泵冷熱負(fù)荷匹配良好，必須在冬季設(shè)輔助熱源，以在低溫環(huán)境時(shí)補(bǔ)充制熱量的不足。由于燃?xì)忮仩t在環(huán)保方面有明顯優(yōu)點(diǎn)，且體積小，司爐工作環(huán)境好。另外其一次能源利用率也較燃煤鍋爐高，所以可以采用燃?xì)忮仩t作為輔助加熱系統(tǒng)。

在黃河流域供熱/制冷負(fù)荷基本平衡，這時(shí)可以直接采用燃?xì)鉄岜眠M(jìn)行供熱和制冷。由于燃?xì)鉄岜每梢暂^好的實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)負(fù)荷，其部分負(fù)荷特性較好，在50%~70%負(fù)荷范圍具有較高一次能源利用率。所以在黃河流域燃?xì)鉄岜每稍O(shè)計(jì)為供熱型。

在長(zhǎng)江流域制冷負(fù)荷高于供熱負(fù)荷，且國(guó)家規(guī)定不采暖。但是這部分區(qū)域冬季雖然溫度不太低，但是濕度較大，冬季比較陰冷。隨著人們對(duì)舒適性的要求提高，仍然有采暖需求。這時(shí)采用燃?xì)鉄岜脩?yīng)按空調(diào)型設(shè)計(jì)。

在華南地區(qū)則制冷負(fù)荷遠(yuǎn)高于供熱負(fù)荷，且制冷天數(shù)較長(zhǎng)。由于目前我國(guó)的房間空調(diào)器大多使用電力，所以夏季是空調(diào)用電高峰期，造成夏季短期集中高負(fù)荷，使城市電網(wǎng)不堪重負(fù)，出現(xiàn)拉閘限電現(xiàn)象。而在夏季卻是燃?xì)庀M(fèi)低谷，所以發(fā)展燃?xì)鉄岜镁哂芯徑怆娏o張、調(diào)節(jié)燃?xì)饧竟?jié)平衡和提高天然氣需求總量等優(yōu)勢(shì)。

6東北地區(qū)的機(jī)組運(yùn)行

在東北地區(qū)，冬季需設(shè)燃?xì)忮仩t進(jìn)行輔助加熱。當(dāng)環(huán)境溫度低于平衡點(diǎn)溫度時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行方式有兩種。一是并聯(lián)運(yùn)行，即燃?xì)忮仩t開始運(yùn)行，而熱泵仍然提供一部分熱量；二是交替運(yùn)行，即熱泵完全停下，所需熱量全部由鍋爐裝置供給。

假設(shè)燃?xì)忮仩t的輸入總能量為Q2，效率為hb，燃?xì)鉄岜玫妮斎肟偰芰繛镼1，供給熱泵系統(tǒng)的機(jī)械能為N。那么系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)HSPF為：

由圖2可知供熱時(shí)，燃?xì)鉄岜玫囊淮文茉蠢寐蕿?.5，遠(yuǎn)高于燃?xì)忮仩t的0.85。所以并聯(lián)運(yùn)行比交替運(yùn)行的能源利用高。但是考慮運(yùn)行成本和初投資，雖然燃?xì)鉄岜玫倪\(yùn)行成本較低[2]，但燃?xì)鉄岜玫某跬顿Y比燃?xì)忮仩t要高出近7倍，且設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較高。另外在低溫環(huán)境下對(duì)熱泵機(jī)組的使用有損害。所以綜合考慮，本文認(rèn)為東北地區(qū)，冬季采暖系統(tǒng)應(yīng)采取交替運(yùn)行方式。

7結(jié)論

空氣源燃?xì)鉄岜每照{(diào)的應(yīng)用應(yīng)考慮熱泵容量的確定和冷熱負(fù)荷的匹配問(wèn)題。在東北地區(qū)，冷熱負(fù)荷相差較大，在外界溫度較低時(shí)，必須設(shè)燃?xì)忮仩t作為輔助熱源。雖然燃?xì)鉄岜糜休^高能源利用率，但是綜合考慮，建議采取交替運(yùn)行方式。在黃河流域供熱/制冷負(fù)荷基本平衡，這時(shí)可以直接采用燃?xì)鈾C(jī)熱泵進(jìn)行供熱和制冷，并按供熱型設(shè)計(jì)。在長(zhǎng)江流域制冷負(fù)荷高于供熱負(fù)荷，這時(shí)采用燃?xì)鉄岜脩?yīng)按空調(diào)型設(shè)計(jì)。在華南地區(qū)發(fā)展燃?xì)鉄岜镁哂芯徑怆娏o張、調(diào)節(jié)燃?xì)饧竟?jié)平衡和提高天然氣需求總量等優(yōu)勢(shì)。

熱力學(xué)分析還表明，燃?xì)鉄岜镁哂懈叩臒崃W(xué)完善性，其能量利用過(guò)程也比較合理。隨著“西氣東輸”等工程的進(jìn)行，天然氣在我國(guó)的消耗比重將逐漸加大。燃?xì)鉄岜米鳛橐环N高效節(jié)能的末端設(shè)備必將在我國(guó)得到廣泛的重視和應(yīng)用。

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7謝英柏．燃?xì)鈾C(jī)熱泵總能系統(tǒng)的理論分析與試驗(yàn)研究：[博士學(xué)位論文]．保定：華北電力大學(xué)，2