燃氣機熱泵過渡季節(jié)供生活熱水性能分析

張 卓 然

(天津城建大學(xué)，天津 300384)

0 引言

目前我國急需解決環(huán)境污染嚴重和化石能源短缺這兩大問題。在華北地區(qū)實施推廣“煤改氣”的清潔能源利用政策的背景下，使用天然氣作為能源驅(qū)動進行高效供熱和制冷是當前亟待解決的科學(xué)問題之一。與傳統(tǒng)供暖方式相比，熱泵技術(shù)通過吸收環(huán)境中低品位熱能，并將這些熱能提升至高品位熱能來進行供暖，在一定程度上達到了節(jié)能減排的目的[1]。熱泵系統(tǒng)中，制冷劑的流動方向受到四通換向閥的控制，進而實現(xiàn)制冷、供熱模式之間的切換[2]。根據(jù)驅(qū)動壓縮機的方式不同，熱泵可以分為電熱泵和燃氣機熱泵。燃氣機熱泵是以燃氣為一次能源，通過燃氣發(fā)動機工作來驅(qū)動壓縮機做功的新型熱泵系統(tǒng)。與電熱泵相比，燃氣機熱泵具有以下三個明顯的優(yōu)勢：1)可將發(fā)動機缸套和煙氣余熱回收，并用于室外換熱器的融霜，這將避免傳統(tǒng)電熱泵逆循環(huán)除霜困難的缺點；2)發(fā)動機可以直接通過調(diào)節(jié)燃氣消耗量來進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)在部分負荷下的變頻節(jié)能運行；3)在夏季可回收發(fā)動機余熱制取生活熱水，提高系統(tǒng)COP和PER，提高系統(tǒng)的節(jié)能能力[3-5]。

1 實驗裝置

如圖1所示，燃氣熱泵制熱系統(tǒng)循環(huán)原理(R134a為制冷劑)為：制冷劑通過蒸發(fā)器14與空氣進行熱交換，從空氣中取熱后由低溫低壓的液態(tài)經(jīng)等壓吸熱過程變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)。然后來自蒸發(fā)器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑進入壓縮機2，壓縮機在燃氣發(fā)動機1的帶動下對制冷劑做功，使制冷劑由低溫低壓的氣態(tài)經(jīng)過壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)，這一過程通常被看作是等熵壓縮過程。來自壓縮機的高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過油分離器5，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑中的潤滑油分離出來，并通過回油管將潤滑油輸入到壓縮機中，氣態(tài)制冷劑則通過制冷劑氣相管通過四通換向閥6，然后進入冷凝器7。在冷凝器中，來自制熱儲罐23的水帶走高溫高壓的氣態(tài)制冷劑的液化潛熱量，制冷劑則由高溫高壓的氣態(tài)，變?yōu)楦邏阂簯B(tài)，這一過程通常被看作是等壓放熱過程。從冷凝器流出的液態(tài)制冷劑進入貯液器9，貯液器起到穩(wěn)定制冷劑流量的作用，然后依次通過過濾器10，干燥器，電磁閥11以及視液鏡12，進入電子膨脹閥13，經(jīng)過電子膨脹閥的節(jié)流膨脹，制冷劑由高壓的液態(tài)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)。低溫低壓的液態(tài)的制冷劑再進入蒸發(fā)器，繼續(xù)通過蒸發(fā)器14與空氣換熱，吸收空氣的熱，進入下一個熱力循環(huán)過程。

在燃氣熱泵機組正常運行進行制熱時，有大量余熱被排放到環(huán)境中，一次能源并沒有得到充分利用，所以應(yīng)考慮機組的余熱回收，充分利用發(fā)動機耗散的這部分熱量，用于加熱居民生活用水。該燃氣熱泵機組的余熱回收系統(tǒng)，主要包括發(fā)動機缸套水余熱的回收、發(fā)動機煙氣余熱的回收兩大部分。在利用余熱的同時吸收了發(fā)動機內(nèi)循環(huán)水的熱量，還可以有效降低發(fā)動機機體的溫度，保證了發(fā)動機正常運行所需要的溫度。在發(fā)動機煙氣中也有大量的余熱隨著煙氣排放在環(huán)境中，我們也可以回收利用煙氣中的熱，從而使得一次能源的利用更加充分。

余熱回收水泵18將余熱回收儲罐22中的生活用水輸送到發(fā)動機熱回收板式換熱器19，在板式換熱器中與發(fā)動機內(nèi)循環(huán)水進行熱交換，從而使得發(fā)動機內(nèi)循環(huán)水的溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，保證了發(fā)動機的正常運行。從發(fā)動機熱回收板式換熱器出來的熱水繼續(xù)進入煙氣熱回收器20，在該板式換熱器中與高溫煙氣進行熱交換，從而使熱余熱回收生活熱水的溫度再次升高，最后進入余熱回收儲罐22，以供用戶作生活熱水使用。

經(jīng)過計算選型，系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示。

表1 燃氣機熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速對于制熱量的影響

燃氣熱泵與傳統(tǒng)的電動熱泵最大的區(qū)別就在于燃氣熱泵是以燃氣發(fā)動機通過直聯(lián)接或者是皮帶輪等聯(lián)接方式來帶動開啟式壓縮機做功，而傳統(tǒng)的熱泵發(fā)動機是以電動機驅(qū)動制冷壓縮機做功。通過控制燃氣燃料不同的吸入量，可以方便地調(diào)節(jié)燃氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。當燃氣燃料吸入量發(fā)生變化時，燃氣的發(fā)熱量發(fā)生了變化，燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速也發(fā)生了變化，通過皮帶輪傳動，帶動壓縮機的轉(zhuǎn)數(shù)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而影響熱泵系統(tǒng)的運行性能。

由圖2可知，系統(tǒng)總制熱量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增加。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速由1 400 rpm增加到1 800 rpm時，系統(tǒng)總制熱量可由31.76 kW增加為40.83 kW，增加9.07 kW。這是由于隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)制熱量增加，缸套余熱回收熱量以及煙氣余熱回收熱量都增加，所以系統(tǒng)總制熱量增加。

2.2 冷凝器進水溫度對于制熱量的影響

熱泵系統(tǒng)可以按照用戶需求制出熱水，儲存在熱水儲罐中供用戶使用，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，供熱回水進系統(tǒng)冷凝換熱器的溫度對熱泵系統(tǒng)的性能有重要的影響。這里主要分析討論發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 rpm，環(huán)境濕球溫度為10 ℃時，冷凝器進水溫度對系統(tǒng)的總制熱量。

由圖3可知，隨著進冷凝器進水溫度的增加，熱泵系統(tǒng)的制熱量、缸套水余熱回收熱量、煙氣余熱回收熱量以及總制熱量都沒有明顯的變化，由此可知，當進冷凝器進水溫度逐漸升高時，對熱泵系統(tǒng)的制熱量并沒有明顯影響。

2.3 環(huán)境濕球溫度對于制熱量的影響

對于熱泵機組或者是一個空調(diào)產(chǎn)品來說，環(huán)境溫度對其系統(tǒng)的性能有著一定的影響。尤其是對于風(fēng)冷式機組，環(huán)境溫度對其影響會更大。考慮到環(huán)境的相對濕度對機組性能也有影響，故在本文中根據(jù)實驗測得的干球溫度以及相對濕度，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的環(huán)境濕球溫度，以此作為變量對系統(tǒng)的性能進行分析。以下通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，主要分析進冷凝器的供熱回水溫度為50 ℃，燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 rpm時，不同環(huán)境濕球溫度對系統(tǒng)性能的影響。

由圖4可知系統(tǒng)的總制熱量隨著環(huán)境濕球溫度的升高而增大。當環(huán)境濕球溫度為8.7 ℃時，系統(tǒng)的總制熱量為30.79 kW，當環(huán)境濕球溫度增長為18.2 ℃時，系統(tǒng)的總制熱量為42.98 kW，最大幅度增長12.19 kW，增長率為39.6%。隨著環(huán)境濕球溫度的增加，總制熱量也在增加的主要是由于系統(tǒng)制熱量的明顯增加所致，余熱回收熱量也有所增加。

3 結(jié)語

1)在冷凝器進水溫度一定，環(huán)境濕球溫度不變的情況下，當燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加時，系統(tǒng)制熱量增加，缸套余熱回收熱量以及煙氣余熱回收熱量都增加，系統(tǒng)總制熱量增加。

2)在燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定，環(huán)境濕球溫度不變的情況下，隨著進冷凝器進水溫度的增加，熱泵系統(tǒng)的總制熱量沒有明顯的變化。

3)在燃氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，冷凝器進水溫度一定時，隨著環(huán)境濕球溫度的升高，系統(tǒng)的總制熱量也增大。