空氣源燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究報(bào)告

1、空氣源燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究1弓I言燃?xì)鉄岜肎asEngineDrivenHeatPump,以下簡稱GEHP是以燃?xì)鈾C(jī)作為動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵.燃?xì)鉄岜檬且环N很有前途的裝置,除了供給熱水外,還能用于采暖和制冷.日本等一些國家已經(jīng)研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃?xì)鉄岜?.隨著天然氣等清潔能源在我國的廣泛使用,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?可以取之不盡,用之不竭,到處都有,可無償取得.而且空氣源熱泵裝置的安裝和使用也都比擬方便.但是空氣參數(shù)隨地域和季節(jié)、晝夜均有很大變化,這對熱泵機(jī)組的容量和性能系數(shù)影響較大.本文對燃?xì)鉄岜眠M(jìn)行了熱力學(xué)第一定律分析、

2、火用分析和能級(jí)分析,并對空氣源供熱/制冷型燃?xì)鉄岜每照{(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用進(jìn)行了探討.2燃?xì)鉄岜玫墓ぷ髟砣細(xì)鉄岜玫墓ぷ髟硎牵喊讶細(xì)獍ㄌ烊粴?、液化石油氣、煤制氣或沼氣等送入?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),到達(dá)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,只有一局部通過內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,其余那么以廢熱包括排煙熱、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)一步提升系統(tǒng)的制熱性能.稔卻水待加熱流體空氣熱源高溫流體回收器至用戶圖1燃?xì)鉄岜霉?/p>

3、熱模式的工作原理示意圖空氣源燃?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.如下圖,待加熱流體在冷凝器中升溫后,再依次通過燃?xì)鈾C(jī)的冷卻水回收器和排氣回收器,到達(dá)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PERPrimaryEnergyRatio來衡量.燃?xì)鉄岜迷诠釙r(shí)的COP可用下式表示:Qa+&rTT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.PER的指標(biāo)來比擬不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

4、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:廠口Dp里其P萬2式中：Qi輸入燃?xì)鈾C(jī)的熱量,kJ/s.引入燃?xì)鈾C(jī)廢熱回收率a的概念.a被定義為所回收的燃?xì)鈾C(jī)廢熱量與燃?xì)鈾C(jī)總廢熱量之比.根據(jù)此定義：所以式2又可以寫為:PER&富HP=/.瑾+&乂1一7gC4)式中：hg燃?xì)鈾C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率；COPHP不考慮廢熱回收的熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù).般可取a=0.6,hg=0.30.如取電力生產(chǎn)和輸配總效率為33%,電動(dòng)熱泵COP等于3.4,燃?xì)鉄岜玫腃OP為3.6,燃煤鍋爐效率70%,燃?xì)忮仩t效率85%,電鍋爐效率98

5、%2.那么如圖2所示,供熱模式下這幾種裝置中燃?xì)鉄岜迷诠釙r(shí)一次能源利用率最WjOE2幾種供相裝置的一次能源利用率比穎在供熱模式下運(yùn)行的燃?xì)鉄岜?其系統(tǒng)的火用效率七sys如下:式中：Ec被加熱流體從冷凝器得到的火用,kw;Er被加熱流體從燃?xì)鈾C(jī)熱泵廢熱得到的火用,kw;Ef輸入燃?xì)鈾C(jī)白燃料火用,kw;Ea,in環(huán)境空氣供給系統(tǒng)的火用,kW；Ew,in待加熱流體帶入的火用,kw.設(shè)GEHP的供熱溫度為65C,冷凝器出口溫度為60C,蒸發(fā)器空氣入口溫度為7,輸入燃?xì)鈾C(jī)的燃料為5kJ/s,燃?xì)鈾C(jī)排煙溫度為500C,冷卻水溫為95C,環(huán)境溫度T0=293.15K,熱泵工質(zhì)為R134a.燃?xì)鉄岜玫南到y(tǒng)及

6、各部件的火用效率如表1所示.表1燃?xì)鉄岜玫南到y(tǒng)及各部件的火用效率取電廠的火用效率為0.34,輸配電火用效率為0.94,那么燃?xì)鉄岜门c電動(dòng)熱泵、鍋爐的系統(tǒng)火用效率如圖3所示.從圖中可以看出燃?xì)鉄岜玫幕鹩眯首罡?Qin為:3.3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)4制+牛+豆優(yōu)法5+0.6+1.49a+=5+3.9+18.01(6)-A-釜1=.9cn用戶的能融為：那么輸入和輸出的能級(jí)差A(yù)Q=in-Quse=0.07.這說明燃?xì)鉄岜玫哪芰坷眠^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,能量利用過程也比擬合理.4

7、空氣源燃?xì)鉄岜萌萘看_實(shí)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.Q4室外溫度為Q時(shí)twltj3匕%圖可生氣源熱抵供暖的系統(tǒng)特性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)為供熱量缺乏,缺乏局部由

8、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AB它與曲線CD交于Oi,使平衡點(diǎn)溫度左移.假設(shè)熱泵容量降低,曲線CD成為CD；它與直線AB交于.2,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to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)選配的容量不致過大,并在大局部時(shí)間能在較高的效率下運(yùn)轉(zhuǎn).這樣不僅初

9、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(SeasonalEergyEfficiencyRatioHSPF(HeatingSeasonalPerformanceFactor來評價(jià)熱泵.空調(diào)季節(jié)的總制冷量空調(diào)亨節(jié)熬茶消耗的總能量供熱季胃的息制熱量鋪助息制熱量供熱乎節(jié)熱至消耗的用能星+季節(jié)鈾助抽麹?H耗段能量其中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)是比擬可行和經(jīng)濟(jì)的.般來說,

10、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)用分析我國的氣候特征普遍表現(xiàn)為冬季長而無嚴(yán)寒.每個(gè)區(qū)域內(nèi)低于-11.7C的采暖天數(shù),除哈爾濱地區(qū)(小于60天外,都不超過45天.其中黃河流域低于18c的天數(shù)約為220天,低于5c的天數(shù)約為124天,而低于-9C的天氣只有9天.長江流域低于18C的天數(shù)約為187天,低于5c的天數(shù)約為60天,而低于-3C的天氣只有3天3.表2為供熱/制冷型空調(diào)冷熱負(fù)荷和地區(qū)關(guān)系4.表2供熱/制冷型空調(diào)冷熱負(fù)荷和地區(qū)美系地區(qū)代表城市熱泵工況C冬季莫季快心/制冷燃?xì)鉄岜贸隽?/p>

11、冷熱負(fù)布比值他/迪采暖通風(fēng)天數(shù)尸eCOPe/COF冬豆東北哈爾濱16-2922274.51r2.0952.l&0.39920050黃河流域天津16-9223041332.94L40.07515S105侔江流域上褥16-3223238743.0461.2721,676120110華南廣州1662231%0123.8691.0428,1250160從表中可以看出,我國東北地區(qū),冬季嚴(yán)寒,夏無酷暑,作為室外溫度函數(shù)的冷熱負(fù)荷相差較大.假設(shè)考慮全年空調(diào),熱泵設(shè)計(jì)為供熱型,那么它的熱容量對冷容量顯得太大；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

12、,以在低溫環(huán)境時(shí)補(bǔ)充制熱量的缺乏.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)荷根本平衡,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,其局部負(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.在長江流域制冷負(fù)荷高于供熱負(fù)荷,且國家規(guī)定不采暖.但是這局部區(qū)域冬季雖然溫度不太低,但是濕度較大,冬季比擬陰冷.隨著人們對舒適性的要求提升,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)那么制冷負(fù)荷遠(yuǎn)高

13、于供熱負(fù)荷,且制冷天數(shù)較長.由于目前我國的房間空調(diào)器大多使用電力,所以夏季是空調(diào)用電頂峰期,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,所以開展燃?xì)鉄岜镁哂芯徑怆娏o張、調(diào)節(jié)燃?xì)饧竟?jié)平衡和提升天然氣需求總量等優(yōu)勢.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,而熱泵仍然提供一局部熱量；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的車入總能量為Q2,效率為hb,燃?xì)鉄岜玫妮斎肟偰芰繛镼i,供給熱泵系統(tǒng)的機(jī)械能為No那么系統(tǒng)的供熱

14、性能系數(shù)HSPF為：力十力乂a,1父以HSPF=-98N.13+ZQziXMI10或：Z./乂郵+力3x烏jxbHSPF=.1+鼻gi|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)行本錢和初投資,雖然燃?xì)鉄岜玫倪\(yùn)行本錢較低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)考慮熱泵容量確實(shí)定和冷熱負(fù)荷的匹配問題.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

15、氣鍋爐作為輔助熱源.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)荷根本平衡,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)開展燃?xì)鉄岜镁哂芯徑怆娏o張、調(diào)節(jié)燃?xì)饧竟?jié)平衡和提升天然氣需求總量等優(yōu)勢.熱力學(xué)分析還說明,燃?xì)鉄岜镁哂懈叩臒崃W(xué)完善性,其能量利用過程也比擬合理.隨著西氣東輸?shù)裙こ痰倪M(jìn)行,天然氣在我國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)備必將在我國得到廣泛的重視和應(yīng)用.參考文獻(xiàn)1GHP便覽M.東京：株式會(huì)社石油化學(xué)出版社,19942楊昭,趙義,李麗新,等.五種供熱空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及建議J.制冷學(xué)報(bào)(總86期,2000,(4:43-483徐邦裕,陸亞俊,馬最良.熱泵M.北京：中國建筑工業(yè)出版社,19884呂燦仁,馬一太,高順慶,等.供熱/制冷型熱泵對京津地區(qū)公用建筑冷熱供給的節(jié)能研究J.能源,1984,(1:1718.5謝英柏,馬一太,楊昭,等.燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)分析J.工程熱物理學(xué)報(bào),2002,23(3:283-2856馬一太,謝英柏,楊昭.燃?xì)鈾C(jī)熱泵在我國的應(yīng)用