燃氣機熱泵廢熱利用方式的比較

燃氣機熱泵廢熱利用方式的分析比較摘要：介紹了燃氣機驅(qū)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(jié)構(gòu)型式、控制手段、設(shè)備安裝、結(jié)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(guān)鍵字：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(yīng)用受到了越來越廣泛的關(guān)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(diào)設(shè)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(diào)業(yè)的應(yīng)用主要有以下三種方式：（1）燃氣機驅(qū)動的壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)；（2）以天然氣為燃料的直燃型吸收式熱泵空調(diào)機組；（3）其它型式的聯(lián)供系統(tǒng)或復合式空調(diào)系統(tǒng)。其中，燃氣機驅(qū)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(diào)節(jié)、配置靈活等優(yōu)點，在一些發(fā)達國家已經(jīng)受到了廣泛的應(yīng)用，而在國內(nèi)，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(nèi)燃氣機熱泵的設(shè)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(zhuǎn)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(cè)制冷劑，（2）廢熱供給室內(nèi)送風。（1）廢熱供給低壓側(cè)制冷劑這種燃氣機熱泵的室外機和室內(nèi)機的連接管為兩根，即所謂的兩管制燃氣機熱泵。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(cè)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。圖2兩管制燃氣熱泵供熱logP-h圖圖中，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(cè)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(yīng)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(nèi)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.缸體熱回收器圖3四管制燃氣熱泵系統(tǒng)流程及主要設(shè)備這種燃氣機熱泵的室外機和室內(nèi)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(nèi)空氣經(jīng)過室內(nèi)冷凝器加熱以后，再次經(jīng)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(nèi)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。圖4四管制燃氣熱泵供熱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(shè)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(cè)翅片管換熱器的位置作交換，目的是使得制冷劑在室內(nèi)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(shè)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。雨3叫余兩種典型風冷抬燃氣機熱泵的莫分析比較娃以上兩種典型笑的燃氣機熱泵腦在實際中都有尾著廣泛的應(yīng)用走。這里，對上僚述兩種典型風填冷壓縮式燃氣喝熱泵從結(jié)構(gòu)本抽身、控制、除消霜及其廢熱利蠶用效果進行分眼析與比較。您從結(jié)構(gòu)型式上輔講，第香（魂1勞）種燃氣機熱朵泵，即兩管制哀燃氣機熱泵，森廢熱直接作用貍于熱泵系統(tǒng)的膊循環(huán)工質(zhì)，室域外機的結(jié)構(gòu)相踢對復雜，而第香（誘2迅）種四管制燃爸氣棄機熱泵室內(nèi)機押相對較復雜，暮而且四管制燃睬氣機熱泵的廢剖熱需要送入室紐內(nèi)，因此廢熱笑利用率相對較摧低。兩管制燃盤氣熱泵有一個霜很重要的優(yōu)點描就是室內(nèi)機同獻常規(guī)的電動熱錦泵完全相同。跟因此，如果要產(chǎn)對原有的電動悉熱泵空調(diào)系統(tǒng)車進行改造，采縣用燃氣機熱泵腐的話，室內(nèi)機碑部分無需改動壞，節(jié)約了設(shè)備適投資和安裝的攤費用。對于有甩多個室內(nèi)機（策一拖多）或室跌內(nèi)管路較為復庸雜的情況，這詞種型式的燃氣似熱泵更為有利獅。脈從系統(tǒng)控制的奇角度上講，兩務(wù)管制燃氣機熱圍泵的缺點是控崗制系統(tǒng)較為復斤雜。由于熱泵軋供熱時，室外慣機內(nèi)的蒸發(fā)器肢有兩個，這兩劇個設(shè)備的控制尊如何控制，以扶使得熱泵能發(fā)津揮最大的供熱充能力，這需要譜根據(jù)室外氣候偉條件進行機組隸的實驗和理論堆的分析。文獻亂[3]確的實驗指出，栽當室外溫度低精于一定值以后揪，關(guān)閉室外風誕機時系統(tǒng)的供杰熱量要高于打淡開室外風機時芝的供熱量。其揪原因可以作如卡下定性分析。上如倘圖纏5痛所示，當室外揉風機關(guān)閉時，足廢熱是熱泵的碰唯一熱源，因余此，系統(tǒng)的蒸艘發(fā)壓力基本不夜受室外溫度的富影響，在圖上破蒸發(fā)壓力隨著羨室外溫度變化提的曲線較為平慌坦。蒸發(fā)壓力榜的曲線必然與筑制冷劑飽和壓限力曲線相交于陜某一點（圖中抽以斥A科表示）。當室央外溫度低檢于拉A茅點時，系統(tǒng)的尤蒸發(fā)溫度要高請于室外的環(huán)境資溫度，此時，萍若打開風機，翼熱量就會從室撿外翅片管中散途失掉。因此對違于兩管制燃氣噸機熱泵，要考陜慮在低溫下熱會泵的工作性能舞及其相應(yīng)的控租制手段。而對承于四管制燃氣德熱泵，同常規(guī)縮電動熱泵相比損，僅僅是在室廚內(nèi)機附近再增市加一個換熱器班，他對系統(tǒng)的殊循環(huán)影響不大模，因此，控制視手段仍可沿用鄙常規(guī)電動熱泵敢?？瘓D瘡5插風機啟停模式冒下系統(tǒng)的蒸發(fā)內(nèi)壓力變化申風冷熱泵的一掏個突出的特點悼是熱泵在溫度纏較低的環(huán)境下漲工作時需要對隔室外蒸發(fā)器進心行除霜。風冷鑰熱泵的結(jié)霜對殘系統(tǒng)性能的影硬響非常大，許促多研究者對風驕冷熱泵的除霜椅進行了很多的喊研究工作，采偵取了許多辦法豬。在兩管制燃斃氣機熱泵中，盜由于廢熱承擔中了一部分系統(tǒng)金蒸發(fā)所需的熱思量，因此，熱配泵的結(jié)霜在很吼大程度上有遼了改善汗[3]蠢。因此，兩管閱制燃氣機熱泵肆適用于的寒冷目地區(qū)。對于四堂管制燃氣機熱沾泵，系統(tǒng)的除步霜可以依靠常伸規(guī)的方法來解舅決，如熱氣旁敢通、電加熱等杜辦法。墓燃氣機熱泵同枝常規(guī)的電動熱鍬泵相比較，其日優(yōu)點主要體現(xiàn)項在系統(tǒng)的一次浪能源利用率上逆，因此對燃氣友機熱泵的廢熱漲利用效果也以籠整個系統(tǒng)的一栗次能源利用率困作為分析比較護的指標。除一定次能源利用率籌這個重要參數(shù)營以外，為方便駝計算分析，定齒義另外幾個燃載氣熱泵的參數(shù)鍵：匪(1)羅況發(fā)動機機械效碼率跑η最e套麗指發(fā)動機將一倡次能源轉(zhuǎn)換成添機械功的比值盛，則一次能源匯中總廢熱量為靠；究(2)相筋廢熱回收缺率齡η敬r老蠻盡管一次能源學中藏有臭70淚%單是廢熱，但并稼不是所有這些玻廢熱能夠被利協(xié)用，由于煙氣棍排放、缸體向融環(huán)境散熱等情染況，能回收到哲的廢熱量只是囑其中的一部分強，灘η忌r教指回收到的廢等熱量與一次能監(jiān)源中總廢熱量勝的比值狼(3)蜓鉤廢熱利用鎮(zhèn)率夠η載u貧溜在廢熱的實際矩利用中，由于井管路散熱，換麻熱過程中熱量謎損失等原因，謙會損失一部分饅熱量施，付η虜u紛指實際利用的群廢熱量與回收承到的廢熱量的射比值鉤其中軋，熊W懲肺—剪—鞋機械功良（得k忽W備）；車Q模p仇—細—賓一次能源的能膠量歲（析k院W掙）；塵Q遠w望—管—舞總廢熱量德（腰k浩W絨）；民Q灰r斬—炎—女回收到的廢熱羊量止（克k賓W涌）幸；浙首Q撲u慢—更—珠實際利用的廢漫熱量挽（園k捧W粱）犬下面以某開啟畜式壓縮機在規(guī)挖定的標準工況臺下提供的測試它數(shù)據(jù)解[6]殖，分別計算兩份種燃氣機熱泵孤的廢熱利用效蜓果。對于除霜造工況，熱泵的煩工作狀態(tài)不穩(wěn)箏定，難于進行云定量計算，這苦里計算熱泵在湖標準工況（室著外溫度為渴7暈℃簡）下的廢熱利拼用情況。肚某風冷燃氣熱俊泵，先根據(jù)夏岸季的工況設(shè)計穗室外側(cè)翅片管股蒸發(fā)器（夏季拳作冷凝器用）蹄，得到結(jié)構(gòu)參涌數(shù)如需表蔥2夢：些表補2底辦某室外側(cè)翅片擱管換熱器的結(jié)錫構(gòu)參鞏數(shù)軋估蒸發(fā)器傳熱系斑數(shù)榨K銅30W/m風2戴·波℃久蒸發(fā)器面夸積惑A完e憑63.07m閥2南最大風徑量棗G鋸2.72kg等/s池在作熱泵供熱搭時，若采用兩沖管制的型式，排其發(fā)動機廢熱寫利用的主要目宿的是提高熱泵俗的蒸發(fā)溫度，刷以提高熱泵的香供熱性能系數(shù)絲。根據(jù)欄表從2確中室外機翅片田管換熱器的結(jié)釘構(gòu)，可以通過立以下翅片管蒸泉發(fā)器的熱平衡卸方程組計算出活常規(guī)熱電動泵徑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫職度堤當翅片管換熱齊器的性能參數(shù)每、換熱器進風增溫度和流量一申定，且壓縮機妨性能曲線已知壇時，聯(lián)立上述裹三個方程，就究可以解出未知拜量胡t齒0先、理t厲2絞和繩Q孩e樂。假設(shè)翅片管賣換熱器在系統(tǒng)艙制冷和制熱時從傳熱系健數(shù)身K牌均套為攝30W/m皆2郊·診℃惕，標準工況下扯熱泵進風溫度煮為喉7醋℃迫，冷凝溫度為傷5碼0目℃賣，風機以最大淘風量運行，則血電動熱泵的蒸爛發(fā)溫度為投-2.征1袍℃朽，出風溫度為徐2.消5葡℃念，系統(tǒng)的蒸發(fā)慎熱量嫩為晃12.4k絞W您。而在燃氣機架熱泵中，新的視蒸發(fā)溫度要比完常規(guī)的電動熱任泵的蒸發(fā)溫度燒高，且新的蒸踩發(fā)溫甩度釋t患0渣’子的大小必須滿棄足新的蒸發(fā)溫忌度下翅片管蒸欲發(fā)器和板式換畫熱器提供的總蟲熱量等于新的故蒸發(fā)溫度下系午統(tǒng)的所需的蒸凳發(fā)熱量。膽隨著蒸發(fā)溫度鄭的提高，熱泵漢系統(tǒng)可以從空懼氣和廢熱中吸椒收的熱量減少栽，而系統(tǒng)所要斬求的蒸發(fā)熱量盾隨蒸發(fā)溫度的鎮(zhèn)提高而提高。鈔所以，在實際甚運行中，兩者北必定在某個蒸陣發(fā)溫度下達到委平衡，即新的詳蒸發(fā)溫愿度匹t制0房’房。假設(shè)發(fā)動機纏機械效權(quán)率嗓η腰e繡為巡3傳0必％，廢熱回收澡效木率花η膜r暮為號6解0潮％，廢熱利用注效皮率段η暗u悅為圖9院0孔％，可以計算智出，燃氣機熱兔泵的新的蒸發(fā)智溫度平衡點在腹1.或2鬼℃傾，比原來的蒸嫁發(fā)溫度提高躲3.閉3娛℃刻，而超過乖1.蝕2樓℃況后，系統(tǒng)通過擋換熱設(shè)備從空小氣和廢熱中吸雹收的熱量將不狡能滿足系統(tǒng)在神該蒸發(fā)溫度下私所需要的蒸發(fā)輕熱量的要求。與如若繼續(xù)提高伶蒸發(fā)溫度，要績使系統(tǒng)正常運詳行就必須通過烘增加蒸發(fā)面積刪或提高風機風附量來實現(xiàn)了。曬知道兩管制燃框氣機熱泵的蒸煉發(fā)溫度以及原足定的冷凝溫度炊后，可以通過宣壓縮機樣本數(shù)炭據(jù)查出壓縮機眠的制冷發(fā)量緣Q渾0擱和消耗的功燈率舍P四。這樣，制熱網(wǎng)循環(huán)時兩管制象燃氣機熱泵的普一次能源利用繩率為甜若采用四管制哭燃氣機熱泵，廊一次能源利用杜率的計算比較親簡便。同常規(guī)逐電動熱泵相比描，利用廢熱增黎加了熱泵供熱谷量，其一次能套利用率為柳刷（充8愿）掛上式中探，查Q嶼h1表為熱泵本身供射熱量，根據(jù)蒸虹發(fā)溫度為棕0膜℃刷，冷凝溫度為配5續(xù)0虹℃撲時，通過樣本粒數(shù)據(jù)查出壓縮雖機的制冷量和愉消耗功率后相毀加得到帝。誦Q矩h2只為利用燃氣機機廢熱的供熱量柏，可利用的廢呈熱量為頓脊（宇9盲）洋因此，四管制妖燃氣機熱泵的爛一次能源利用嶺率為袍?。?討0父）澆分析兩種型式奏燃氣機熱泵的槽結(jié)構(gòu)型式及式映（宋4~1簡0忠）可知，兩種白系統(tǒng)的差別主料要在廢熱利用挺方式上，且一三次能源利用率斥的大小也同廢塵熱利用效喘率睜η而u惠密切相關(guān)。計齊算顯示，當其嚇它條件均相同是時，兩種型式僅的燃氣機熱泵類的賽PE品R線值分別同各自啄的瞧η塌u筆有關(guān)。脊圖艙7傘住兩種系統(tǒng)在不喜同的熱回收效蝦率區(qū)域下浮一次能源利用織率的比較洋圖再7烘表示了兩種系吳統(tǒng)一次能源利綁用率的比較關(guān)牧系。圖中的白站色區(qū)域和灰色炮區(qū)域分別代表踐了渴PER嬌four塑高跳于變PER剖two商和康PER梯two元高偵于洗PER血four旦的條件。圖中膝的計算結(jié)果看閥出，僅僅在很泳小的區(qū)域（灰誰色）內(nèi)（焦即敵η蹲u,four須很低，剃而踏η定u,two主較高的情況下重）閣，馬PER技two尼才高亡于塞PER庸four哨。這說明，只廟要四管制燃氣恭熱泵在廢熱利定用過程中的熱選量損失不是很袋大，四管制燃昆氣熱泵的一次摘能源利用率通婆常要高于兩管膨制燃氣機熱泵偷的一次能源利特用率。4結(jié)論生1離．委從機組本身來趕講，兩管制燃閥氣熱泵在結(jié)構(gòu)駛型式、控制手計段、系統(tǒng)設(shè)計上等方面比四管猾制略顯復雜，溜但從設(shè)備安裝漁、空調(diào)系統(tǒng)改釀造、系統(tǒng)結(jié)霜時性能方面講，按兩管制燃氣熱斑泵要優(yōu)于四管訪制燃氣熱泵。抹2冷．摸對廢熱利用效尾果計算可知，沖若四管制燃氣電熱泵廢熱利用陽效率不是很低屑，且熱泵用于贊結(jié)霜不是非常辦嚴重的氣候條室件下，那么四躍管制燃氣熱泵搏的廢熱利用效廈果通常要比兩汪管制燃氣熱泵獎好。5參考文獻輸[1]趕獸蔣德明，內(nèi)燃蹦機原理，北京牌：機械工業(yè)出胡版社熱，造198或8胳：蕉39-42勸[2]K.獄Tair友a巨，蜜Develo都pment發(fā)ofA2散.5RTM舌ultipl美e-Indo鴿or-Uni請tGas假Engine捎Heat盼Pum睜p海，善ASHARE況Tran獻.蝴，仍199這2虧，優(yōu)Pt芬1紙：鞏982-98竄8醒[3]T.朽Kanek沃o旋，乞M.Obit示an笨i父，也ThePe其rforma甩nceof辭AFou漢r-Ton嫁Gas-En探gine-D喘riven劇HeatP柄um抵p毯，馬ASHRAE多Tran賺.燕，鳴199填2墳，屑Pt成1民：噴989-99覽3奇[4]G.陶A.Nowa罰kowsh刷i野，尼M.Inad很a兔，滋闊arin吧g歡，噴Develo推pment息andFi謙eldTe偉sting蝴ofAH斥igh-Ef叢ficien殃cyEng側(cè)ine-Dr齊ivenG淚asHea執(zhí)tPump奇forL邁ightC慎ommerc害ialAp榮plicat壟ion很s屋，粒ASHRAE慣Tra