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，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動進行高效供熱和制冷是當前亟待解決的科學問題之一。與傳統(tǒng)供暖方式相比，熱泵技術通過吸收環(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節(jié)燃氣消耗量來進行轉速調節(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)動機內循環(huán)水進行熱交換，從而使得發(fā)動機內循環(huán)水的溫度穩(wěn)定在一定的范圍內，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)主要設備如表1所示。

表1 燃氣機熱泵系統(tǒng)主要設備

2 結果與討論

2.1 燃氣發(fā)動機轉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，可以方便地調節(jié)燃氣發(fā)動機的轉速。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)動機轉速也發(fā)生了變化，通過皮帶輪傳動，帶動壓縮機的轉數(shù)也發(fā)生了相應的變化，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)動機轉速的增加而增加。當發(fā)動機轉速由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，轉換成對應的環(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。