燃氣機熱泵廢熱利用方式的分析比較

介紹了燃氣機驅動風冷熱泵冬季供熱時發(fā)動機廢熱利用的兩種典型方式，從結構型式、控制手段、設備安裝、結霜等方面分析比較了兩種廢熱利用方式的特點,并以一次能源利用率作為廢熱利用效果的比較指標，分析計算了兩種廢熱利用效果。

　　關鍵詞：燃氣機 風冷熱泵 廢熱利用 一次能源利用率 1 前言
　　隨著“西氣東送”重大工程的順利進行，天然氣的應用受到了越來越廣泛的關注。在社會總能耗中，建筑業(yè)的能耗占相當大的比重，而制冷空調設備又是建筑能耗的主體。因此，合理分配部分天然氣能源到建筑行業(yè)，是天然氣得到合理利用的一個重要手段。

　　天然氣在制冷空調業(yè)的應用主要有以下三種方式：（1）燃氣機驅動的壓縮式熱泵空調系統(tǒng)；（2）以天然氣為燃料的直燃型吸收式熱泵空調機組；（3）其它型式的聯(lián)供系統(tǒng)或復合式空調系統(tǒng)。其中，燃氣機驅動的壓縮式風冷熱泵（以下簡稱燃氣機熱泵）具有高效、節(jié)能、一次能源利用率高、污染物排放量低、負荷易于調節(jié)、配置靈活等優(yōu)點，在一些發(fā)達國家已經受到了廣泛的應用，而在國內，這種燃氣機熱泵尚處在研制階段。本文對國外常見的兩種燃氣機熱泵的廢熱利用方式進行介紹，并進行定性和定量的比較分析，旨在對國內燃氣機熱泵的設計提供一些參考。
　
　　2 國外燃氣機風冷熱泵常見的兩種廢熱利用的方式
　　一般情況下，燃氣發(fā)動機僅僅將燃料中30％左右的能量的轉換成機械功[1]，而其余的70％的能量均以廢熱的形式排放到大氣環(huán)境中。因此對　　燃氣機熱泵來說，供熱時必須對廢熱加以有效利用。對于國外常見的中小型空氣－空氣燃氣機熱泵[2-7]來說，發(fā)動機廢熱的利用主要有兩種方式：　　　　　　　　　（1）廢熱供給低壓側制冷劑，（2）廢熱供給室內送風。

　　（1） 廢熱供給低壓側制冷劑

　　這種燃氣機熱泵的室外機和室內機的連接管為兩根，即所謂的兩管制燃氣機熱泵。典型的一個流程的主要設備如圖1所示。


　　1.發(fā)動機 2.壓縮機 3.四通閥 4.室內翅片管換熱器 5.膨脹閥6.室外翅片管蒸發(fā)器 7.翅片管散熱器 8.板式換熱器 9.廢氣熱回收器 10.缸體熱回收器
　　 兩管制燃氣熱泵系統(tǒng)流程及主要設備

　　在熱泵供熱時，冷卻水通過缸體熱回收器10間接回收發(fā)動機缸體的廢熱后，再通過和廢氣熱回收器9來吸收廢氣中的廢熱。溫度較高的冷卻水進入板式換熱器8。然后再回到缸體熱回收器10完成了冷卻水循環(huán)。制冷情況下，冷卻水通過翅片管換熱器7進行散熱，以保證發(fā)動機的正常運行。

　　在這種廢熱利用方式中，廢熱通過板式換熱器（或套管式換熱器）8釋放給低溫側制冷劑。這種燃氣熱泵系統(tǒng)的制冷劑logP-h圖同常規(guī)熱泵系統(tǒng)相比較如圖2所示。


　　兩管制燃氣熱泵供熱logP-h圖

　　循環(huán)1-2-3-4-1為燃氣熱泵的循環(huán)過程，1’-2’-3-4’-1’為常規(guī)電動熱泵的循環(huán)過程。由于制冷劑在蒸發(fā)過程中一部分的熱量由換熱器8來提供，因此，室外側風冷翅片管蒸發(fā)器的熱負荷比常規(guī)的熱泵系統(tǒng)小得多。在室外翅片管換熱器換熱面積同常規(guī)熱泵相同的情況下，熱泵供熱時的蒸發(fā)溫度可以得到提高，熱泵的供熱性能系數(shù)相應的得到了提高。

　　（2） 廢熱供給送風

　　廢熱供給送風的燃氣機熱泵系統(tǒng)典型的流程如圖3所示。


　　1.發(fā)動機 2.壓縮機 3.四通閥 4.室內翅片管換熱器 5.翅片管換熱器 6.膨脹閥 7.室外蒸發(fā)器 8.翅片管散熱器 9.廢氣熱回收器 10.缸體熱回收器
　　四管制燃氣熱泵系統(tǒng)流程及主要設備

　　這種燃氣機熱泵的室外機和室內機的連接為四根管，所以稱之為四管制燃氣機熱泵。同第（1）種型式相比，這種廢熱利用的方式對熱泵系統(tǒng)本身的循環(huán)影響相對比較小。廢熱利用的方式也非常簡單，即室內空氣經過室內冷凝器加熱以后，再次經過翅片管換熱器5進行加熱，以提高送風的溫度，增加熱泵的供熱能力。

　　這種廢熱利用方式對熱泵循環(huán)本身的影響較小是相對而言的。實際上，當室內供熱量保持不變的情況下，燃氣熱泵循環(huán)的冷凝溫度可以降低，此時，熱泵循環(huán)的logP-h圖如圖4所示。燃氣熱泵的循環(huán)為1-2-3-4-1，常規(guī)電動熱泵的循環(huán)為1-2’-3’-4-1。由于熱泵冷凝溫度的降低，熱泵的供熱性能系數(shù)也得到了提高。


　　四管制燃氣熱泵供熱logP-h圖

　　燃氣機熱泵的廢熱利用除以上兩種較為典型的方式以外，還有其它多種方式：如有的燃氣機熱泵設計時將廢氣直接加熱壓縮機出口的制冷劑蒸汽，提高壓縮機出口蒸汽的狀態(tài)點，來提高系統(tǒng)的供熱量；也有的燃氣熱泵將第（1）種方式中的板式換熱器與室外側翅片管換熱器的位置作交換，目的是使得制冷劑在室內換熱器出口處實現(xiàn)更大程度的過冷，提高供熱量，然后通過板式換熱器重新將制冷劑加熱；也有的燃氣機熱泵廢熱僅用來加熱室外空氣。這些燃氣熱泵的設計不是非常普遍，能量利用率也不高，因此，在這里不作一一分析和討論。

　　3 兩種典型風冷燃氣機熱泵的分析比較
　　以上兩種典型的燃氣機熱泵在實際中都有著廣泛的應用。這里，對上述兩種典型風冷壓縮式燃氣熱泵從結構本身、控制、除霜及其廢熱利用效果進行分析與比較。

　　從結構型式上講，第（1）種燃氣機熱泵，即兩管制燃氣機熱泵，廢熱直接作用于熱泵系統(tǒng)的循環(huán)工質，室外機的結構相對復雜，而第（2）種四管制燃氣機熱泵室內機相對較復雜，而且四管制燃氣機熱泵的廢熱需要送入室內，因此廢熱利用率相對較低。兩管制燃氣熱泵有一個很重要的優(yōu)點就是室內機同常規(guī)的電動熱泵完全相同。因此，如果要對原有的電動熱泵空調系統(tǒng)進行改造，采用燃氣機熱泵的話，室內機部分無需改動，節(jié)約了設備投資和安裝的費用。對于有多個室內機（一拖多）或室內管路較為復雜的情況，這種型式的燃氣熱泵更為有利。

　　從系統(tǒng)控制的角度上講，兩管制燃氣機熱泵的缺點是控制系統(tǒng)較為復雜。由于熱泵供熱時，室外機內的蒸發(fā)器有兩個，這兩個設備的控制如何控制，以使得熱泵能發(fā)揮最大的供熱能力，這需要根據室外氣候條件進行機組的實驗和理論的分析。文獻[3]的實驗指出，當室外溫度低于一定值以后，關閉室外風機時系統(tǒng)的供熱量要高于打開室外風機時的供熱量。其原因可以作如下定性分析。

　　當室外風機關閉時，廢熱是熱泵的唯一熱源，因此，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力基本不受室外溫度的影響，在圖上蒸發(fā)壓力隨著室外溫度變化的曲線較為平坦。蒸發(fā)壓力的曲線必然與制冷劑飽和壓力曲線相交于某一點（圖中以A表示）。當室外溫度低于A點時，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度要高于室外的環(huán)境溫度，此時，若打開風機，熱量就會從室外翅片管中散失掉。因此對于兩管制燃氣機熱泵，要考慮在低溫下熱泵的工作性能及其相應的控制手段。而對于四管制燃氣熱泵，同常規(guī)電動熱泵相比，僅僅是在室內機附近再增加一個換熱器，他對系統(tǒng)的循環(huán)影響不大，因此，控制手段仍可沿用常規(guī)電動熱泵。


　　風機啟停模式下系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力變化

　　風冷熱泵的一個突出的特點是熱泵在溫度較低的環(huán)境下工作時需要對室外蒸發(fā)器進行除霜。風冷熱泵的結霜對系統(tǒng)性能的影響非常大，許多研究者對風冷熱泵的除霜進行了很多的研究工作，采取了許多辦法。在兩管制燃氣機熱泵中，由于廢熱承擔了一部分系統(tǒng)蒸發(fā)所需的熱量，因此，熱泵的結霜在很大程度上有了改善[3]。因此，兩管制燃氣機熱泵適用于的寒冷地區(qū)。對于四管制燃氣機熱泵，系統(tǒng)的除霜可以依靠常規(guī)的方法來解決，如熱氣旁通、電加熱等辦法。

　　燃氣機熱泵同常規(guī)的電動熱泵相比較，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的一次能源利用率上，因此對燃氣機熱泵的廢熱利用效果也以整個系統(tǒng)的一次能源利用率作為分析比較的指標。除一次能源利用率這個重要參數(shù)以外，為方便計算分析，定義另外幾個燃氣熱泵的參數(shù)：

　　(1) 發(fā)動機機械效率ηe 指發(fā)動機將一次能源轉換成機械功的比值，則一次能源中總廢熱量為；

　　(2) 廢熱回收率ηr 盡管一次能源中有70%是廢熱，但并不是所有這些廢熱能夠被利用，由于煙氣排放、缸體向環(huán)境散熱等情況，能回收到的廢熱量只是其中的一部分，ηr指回收到的廢熱量與一次能源中總廢熱量的比值

　　(3) 廢熱利用率ηu 在廢熱的實際利用中，由于管路散熱，換熱過程中熱量損失等原因，會損失一部分熱量，ηu指實際利用的廢熱量與回收到的廢熱量的比值

　　其中，W ——機械功（kW）；

　　Qp ——一次能源的能量（kW）；

　　Qw ——總廢熱量（kW）；

　　Qr ——回收到的廢熱量（kW）；

　　Qu ——實際利用的廢熱量（kW）

　　下面以某開啟式壓縮機在規(guī)定的標準工況下提供的測試數(shù)據[6]，分別計算兩種燃氣機熱泵的廢熱利用效果。對于除霜工況，熱泵的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，難于進行定量計算，這里計算熱泵在標準工況（室外溫度為7℃）下的廢熱利用情況。

　　某風冷燃氣熱泵，先根據夏季的工況設計室外側翅片管蒸發(fā)器（夏季作冷凝器用），得到結構參數(shù)如表2：

　　某室外側翅片管換熱器的結構參數(shù) 蒸發(fā)器傳熱系數(shù)K 30W/m2·℃

　　蒸發(fā)器面積Ae63.07m2

　　最大風量G2.72kg/s


　　在作熱泵供熱時，若采用兩管制的型式，其發(fā)動機廢熱利用的主要目的是提高熱泵的蒸發(fā)溫度，以提高熱泵的供熱性能系數(shù)。根據表2中室外機翅片管換熱器的結構，可以通過以下翅片管蒸發(fā)器的熱平衡方程組計算出常規(guī)熱電動泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。

　　空氣的熱平衡式：

　　翅片管換熱器的熱平衡式：

　　根據壓縮機測試數(shù)據可得到產冷量的性能曲線：

　　其中： Qe ——熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)熱量（kW）； cpa ——空氣的比熱（kJ/kg·℃）； t1 ——翅片管換熱器空氣側的進口溫度（℃），指室外空氣溫度； t2 ——翅片管換熱器空氣側的出口溫 度（℃）； t0 ——系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（℃）； tc ——系統(tǒng)冷凝溫度（℃）。

　　當翅片管換熱器的性能參數(shù)、換熱器進風溫度和流量一定，且壓縮機性能曲線已知時，聯(lián)立上述三個方程，就可以解出未知量t0、t2和Qe。假設翅　　片管換熱器在系統(tǒng)制冷和制熱時傳熱系數(shù)K均為30W/m2·℃，標準工況下熱泵進風溫度為7℃，冷凝溫度為50℃，風機以最大風量運行，則電動熱泵的蒸發(fā)溫度為-2.1℃，出風溫度為2.5℃，系統(tǒng)的蒸發(fā)熱量為12.4kW。而在燃氣機熱泵中，新的蒸發(fā)溫度要比常規(guī)的電動熱泵的蒸發(fā)溫度高，且新的蒸發(fā)溫度t0’的大小必須滿足新的蒸發(fā)溫度下翅片管蒸發(fā)器和板式換熱器提供的總熱量等于新的蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)的所需的蒸發(fā)熱量。

　　兩管制燃氣機熱泵通過翅片管換熱器吸收的熱量為


　　而兩管制燃氣機熱泵通過板式換熱器吸收的熱量為

　　因此燃氣機熱泵中翅片管蒸發(fā)器和板式換熱器能提供的總熱量為

　　兩管制燃氣機熱泵在各個蒸發(fā)溫度下
　　換熱器能提供的熱量與系統(tǒng)要求的蒸發(fā)熱量

　　為新的蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)所要求的蒸發(fā)熱量和兩個換熱器所能提供的熱量之和的變化曲線。從圖中可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的提高，熱泵系統(tǒng)可以從空氣和廢熱中吸收的熱量減少，而系統(tǒng)所要求的蒸發(fā)熱量隨蒸發(fā)溫度的提高而提高。所以，在實際運行中，兩者必定在某個蒸發(fā)溫度下達到平衡，即新的蒸發(fā)溫度t0’。假設發(fā)動機機械效率ηe為30％，廢熱回收效率ηr為60％，廢熱利用效率ηu為90％，可以計算出，燃氣機熱泵的新的蒸發(fā)溫度平衡點在1.2℃，比原來的蒸發(fā)溫度提高3.3℃，而超過1.2℃后，系統(tǒng)通過換熱設備從空氣和廢熱中吸收的熱量將不能滿足系統(tǒng)在該蒸發(fā)溫度下所需要的蒸發(fā)熱量的要求。如若繼續(xù)提高蒸發(fā)溫度，要使系統(tǒng)正常運行就必須通過增加蒸發(fā)面積或提高風機風量來實現(xiàn)了。知道兩管制燃氣機熱泵的蒸發(fā)溫度以及原定的冷凝溫度后，可以通過壓縮機樣本數(shù)據查出壓縮機的制冷量Q0和消耗的功率P。這樣，制熱循環(huán)時兩管制燃氣機熱泵的一次能源利用率為

　　若采用四管制燃氣機熱泵，一次能源利用率的計算比較簡便。同常規(guī)電動熱泵相比，利用廢熱增加了熱泵供熱量，其一次能利用率為

　　上式中，Qh1為熱泵本身供熱量，根據蒸發(fā)溫度為0℃，冷凝溫度為50℃時，通過樣本數(shù)據查出壓縮機的制冷量和消耗功率后相加得到。Qh2為利用燃氣機廢熱的供熱量，可利用的廢熱量為

　　因此，四管制燃氣機熱泵的一次能源利用率為

　　分析兩種型式燃氣機熱泵的結構型式及式（4~10）可知，兩種系統(tǒng)的差別主要在廢熱利用方式上，且一次能源利用率的大小也同廢熱利用效率ηu密切相關。計算顯示，當其它條件均相同時，兩種型式的燃氣機熱泵的PER值分別同各自的ηu有關。


　　兩種系統(tǒng)在不同的熱回收效率區(qū)域下
　　一次能源利用率的比較

　　表示了兩種系統(tǒng)一次能源利用率的比較關系。圖中的白色區(qū)域和灰色區(qū)域分別代表了PERfour高于PERtwo和PERtwo高于PERfour的條件。圖中的計算結果看出，僅僅在很小的區(qū)域（灰色）內（即ηu,four很低，而ηu,two較高的情況下），PERtwo才高于PERfour。這說明，只要四管制燃氣熱泵在廢熱利用過程中的熱量損失不是很大，四管制燃氣熱泵的一次能源利用率通常要高于兩管制燃氣機熱泵的一次能源利用率。

　　4 結論
　　1．從機組本身來講，兩管制燃氣熱泵在結構型式、控制手段、系統(tǒng)設計等方面比四管制略顯復雜，但從設備安裝、空調系統(tǒng)改造、系統(tǒng)結霜性能方面講，兩管制燃氣熱泵要優(yōu)于四管制燃氣熱泵。

　　2．對廢熱利用效果計算可知，若四管制燃氣熱泵廢熱利用效率不是很低，且熱泵用于結霜不是非常嚴重的氣候條件下，那么四管制燃氣熱泵的廢熱利用效果通常要比兩管制燃氣熱泵好。