燃?xì)鈾C(jī)熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

燃?xì)鈾C(jī)熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

0暖通空調(diào)系統(tǒng)的供熱節(jié)能技術(shù)在過去幾十年中，單次能源的消耗顯著增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在消耗的能量中，40%用于建筑采暖；38%左右用于工業(yè)；其余用于交通，照明等用途。而建筑物采暖中的能量又有85%用于房間的采暖。一方面是夏季空調(diào)用電量大，另一方面是冬季采暖能耗高，有關(guān)研究認(rèn)為，2000～2015年是建筑發(fā)展鼎盛時(shí)期的中后期，預(yù)測(cè)到2015年民用建筑保有量的一半是2000年以后新建的。隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的改善，建筑能耗占全社會(huì)總能耗的比例還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。但能源的來源卻受到相應(yīng)的限制，因此能源將出現(xiàn)短缺，必須采取相應(yīng)的對(duì)策，其中有：(1)采用新的能源（例如太陽能、風(fēng)能等）；(2)加強(qiáng)房屋的隔熱設(shè)施，減少房屋所散失的采暖熱量；(3)回收通風(fēng)裝置排風(fēng)和房屋排水所帶走的熱量；(4)應(yīng)用一次能源發(fā)電時(shí)所排放的熱量；(5)通過熱泵應(yīng)用環(huán)境熱量。房間采暖熱量一般只需較低的溫度，這種熱量可以借助于熱泵來供應(yīng)，只要消耗少量的高品位能，便可以得到足以滿足房間采暖所需求的溫度。目前，在暖通空調(diào)系統(tǒng)中主要用熱泵來提供100℃以下的低溫用能，作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的熱源或冷熱源。因此，在滿足房間采暖耗熱方面，熱泵可以作出重要的貢獻(xiàn)。1燃?xì)鉄岜玫陌l(fā)展過程見圖2熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置，它可以表示為如圖1所示的節(jié)能裝置，即由動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)組成的熱泵機(jī)組，利用高位能來推動(dòng)動(dòng)力機(jī)，然后再由動(dòng)力機(jī)來驅(qū)動(dòng)工作機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。它的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給加熱的對(duì)象。其工作原理與制冷機(jī)相同，都是按熱機(jī)的逆循環(huán)工作的，所不同的只是工作溫度范圍不同，如圖2所示，圖中Ta是環(huán)境溫度，To是低溫物體的溫度，Th是高溫物體的溫度。(1)表示熱泵裝置，它從環(huán)境中吸取熱量傳遞給高溫物體，以實(shí)現(xiàn)供熱；(2)表示制冷機(jī)，它從低溫物體吸取熱量傳遞給環(huán)境中去，達(dá)到制冷的目的；(3)表示供冷供熱聯(lián)合循環(huán)機(jī)，它從低溫物體吸熱，實(shí)現(xiàn)制冷，同時(shí)又把熱量傳遞給被加熱的對(duì)象，達(dá)到供熱目的。所謂燃?xì)鉄岜茫℅asEngineDrivenHeatPump，簡(jiǎn)稱GHP），是把燃?xì)猓ò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)熱力系統(tǒng)的逆向熱力學(xué)循環(huán)，把低溫位熱能輸送到高溫位以供使用。作為燃?xì)鉄岜?，它具有如下特點(diǎn)(1)污染物排放量低，有利環(huán)保。燃?xì)馐且环N較為清潔的能源，燃燒產(chǎn)物中的有害污染物遠(yuǎn)少于燃煤產(chǎn)生的有害物；(2)負(fù)荷易于調(diào)節(jié)、配置靈活，可以緩解夏季城市電力供應(yīng)不足，而燃?xì)夤?yīng)卻相對(duì)過剩的結(jié)構(gòu)性矛盾；(3)一次能源利用率高，節(jié)能。燃?xì)鈾C(jī)的廢氣熱量和燃?xì)鈾C(jī)缸體散熱量均可以通過換熱器傳給熱泵的工質(zhì)或載冷劑。這部分熱量冬天可以通過室內(nèi)輔助加熱器向室內(nèi)供熱，夏季則可用來制備熱水。因此，GHP通過回收缸體散熱量和廢氣余熱，可明顯提高一次能源利用系數(shù)PER。據(jù)文獻(xiàn)介紹，在歐洲的氣候條件下，燃?xì)鉄岜帽热細(xì)忮仩t能耗降低60%左右。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的效率約為30%，這就是說燃料所含的能量中，大約30%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)；其余70%左右的能量幾乎都成為廢熱。這部分廢熱可以在采暖裝置中加以利用，因此以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵的采暖系數(shù)可以高達(dá)100%。英國(guó)早在20世紀(jì)40年代就應(yīng)用過燃?xì)鈾C(jī)熱泵來供熱和制冷；德國(guó)很早研制成功了3種不同型式的壓縮式熱泵，并進(jìn)行了測(cè)試；法國(guó)1980～1982年試驗(yàn)了3臺(tái)空氣/水裝置的燃?xì)鈾C(jī)熱泵；日本主要開展小型家用燃?xì)鈾C(jī)熱泵研究，并于1987年最早實(shí)現(xiàn)GHP的商業(yè)化；美國(guó)也于1994年推出了燃?xì)鈾C(jī)熱泵，到1995年其總裝機(jī)容量，占據(jù)了燃?xì)庵评湓O(shè)備的10%。我國(guó)的燃?xì)鈾C(jī)熱泵研究開始于20世紀(jì)80年代，但實(shí)際應(yīng)用很少。2輔助加熱與熱泵一次能源消耗得多的場(chǎng)合，采取節(jié)能措施后的效果顯著。采用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵，首先從周圍環(huán)境吸取熱量并提高其溫度。其次采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和排氣熱量進(jìn)行輔助加熱。這兩部分熱量的溫度比熱泵冷凝溫度高，所以輔助加熱相當(dāng)可觀。如果建筑物本身就需要空調(diào)，則采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵就特別有利。燃?xì)馊紵笏a(chǎn)生的高溫位熱能，只有一部分通過內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其余則以廢熱（包括排氣、冷卻水及機(jī)油帶走的熱量）的形式排入環(huán)境，廢氣的溫度，要比熱泵冷凝器出口溫度高得多。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。2.1．2.2微生物指標(biāo)熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP雖然可以表示熱泵的制熱性能，但并不能反映熱泵原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化效率，因而不能全面反映熱泵系統(tǒng)的能源利用效率。所以常采用一次能源利用率PER(PrimaryEnergyRatio）指標(biāo)來比較不同設(shè)備的性能，定義為PER=供熱量/一次能源=(Q1+Qab)/QB，其中Q1為熱泵冷凝器的放熱量，Qab為熱泵燃?xì)鈾C(jī)缸體冷卻水吸熱量和通過廢氣換熱器回收的熱量之和，QB為燃?xì)鈾C(jī)消耗的一次能量，Q1、Qab和QB的大小與燃?xì)鈾C(jī)性能參數(shù)有關(guān)，需通過求解缸內(nèi)工作過程數(shù)理方程得到。研究表明，在熱泵相同供熱系數(shù)下，GHP裝置的PER值高于電動(dòng)熱泵、電加熱供熱及鍋爐供熱等形式的PER值?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家燃?xì)鉄岜靡呀?jīng)受到了廣泛的應(yīng)用。2.2用氣泵連接熱水的應(yīng)用在由燃?xì)饣虿裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)熱泵供熱時(shí)，最簡(jiǎn)單的方式是只供給熱水，此時(shí)熱水的加熱回路如圖4所示。2.3高溫水混合燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)置蓄熱器時(shí)，由于廢熱用于制備高溫?zé)崴虼诵顭崞鞯娜莘e可以減少。圖5示出了兩種水回路的循環(huán)。在低溫水量不足時(shí)，可引出高溫水混合后使用。同時(shí)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)具有高溫水和低溫水回路時(shí)的另一種循環(huán)方式，如圖6所示。在該循環(huán)中，同樣可以實(shí)現(xiàn)由冷凝器供給的低溫?zé)崴腿氩膳芈?。但是由熱泵冷凝器和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱交換器串聯(lián)。加熱的高溫?zé)崴畡t主要送往蓄熱器和日用熱水加熱器，鍋爐在這里是保障高溫?zé)崴淖饔谩?.4驅(qū)動(dòng)熱泵制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)只有在例外的情況下，才用內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，以制冷機(jī)作熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)的情況更少見。這是因?yàn)榻ㄖ锏淖畲笮枥淞?，總是比最大需熱量小得多。此外，?nèi)燃機(jī)的廢熱，還要通過冷卻塔或遠(yuǎn)置的熱交換器排放，因此增大了冷卻面積。但是與此情況相反，如果有一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵，則在夏天也可以使該熱泵作制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖7中所示，就是其一種可能的方案。如果在作制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其散發(fā)的熱量還可加以利用，雖然制冷系數(shù)并不高，但仍能達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)性。3燃?xì)?、低熱值利用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵具有明顯的節(jié)能效果，有比較高的能源利用系數(shù)，這主要是由于充分利用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣，氣缸冷卻水套等廢熱而形成。在額定功率下一般可回收30%～69%的熱量。內(nèi)燃機(jī)熱泵與鍋爐相比，其運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，但初投資則較高，而且還存在其它不足的地方：一是噪音，二是系