（工程热物理专业论文）燃气机热泵的实验研究及电力燃气负荷季节调整.pdf

中文摘要 燃气掇热泵俸为热泵懿一魏彩式，以洼净豹天然气 莹为能滠，s 0 2 、n o ；拷 放比燃煤小得多，从而可更有效地替代燃煤锅炉降低大气污染，有利于环境保护。 燃气极骢凌压缨式热泵溉筢剥雳瞧憨系数毙吸牧式裹豹蒸汽压缀式疆环，又能够 充分利用发动机的排烟和冷却水的废热，因而相对于其他形式的热泵，其一次能 灏剩媛率蔫。 为了推广这项技术，作者参与了改进燃气机热泵试验台，进行相关试验，研 究燃气飒热泵的运行特设。综合试验的结果标裴，燃气枫热泵是项高效节能技 术，其一次能源利用率p e r 在试验条件下平均为1 4 2 。随着转速的降低，系统 的供热憾能系数c o p 和测冷性能系数e e r 虽有下降，傻下降不多，且在很大范 豳内保持不变。这说明燃气机热浆部分负荷特性好，可以很好的实现变遮调节。 当燃气热泵对建筑物避行供冷供热瓣，燃气热泵戆负麓要与建筑物的空调受 荷相匹配，建筑物的空调负荷最随全年的气候条件变化的。根据燃气热泵的负 翡特蛙，对建筑物实例遴行分攒，进藤述可以找出燃气消耗量与建筑物窆调负 荷之间的关系。 另夕 ，宙于泡驱动窒淫夔大基捷嗣，谗多城泰夏季蠢瑷电力供应紧张润题， 而夏季天然气供应却相对过剩，因此燃气热泵的使用既有利于填平电力方面的季 节峰谷蓑，毽鬃凌了燃气冬夏季节瞧产供不平鬟，起羞剡峰平谷戆 乍震。 关键词：燃气热象；实验秘究；建筑物负萄；挎9 峰平谷 a b s t r a c t a saf o r mo f h e a t p u m p ，g a se n g i n e d r i v e nh e a tp u m p ( g e h p ) u s e c l e a nn a t u r a l g a sa si n p u te n e r g y f o rb e i n gl e t t i n gl e s ss 0 2 a n dn o xt h a nb u r n tc o a l ，g e h pc o u l d r e p l a c ec o a lb o i l e re f f e c t i v e l y i tc a nd e p r e s st h ep o l l u t i o no fa t m o s p h e r ea n db e n e f i t t h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n i tn o to n l yu s e st h ev a p o u rc o m p r e s s i v er e c y c l ew h i c h h a sah i g h e r 0 pf c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ) t h a na b s o r bo n e , b u ta l s ou s e st h e w a s t eh e a to fg a se n g i n e s oi th a sah i g hp e r ( p r i m a r ye n e r g yr a t i o ) r e l a t i v et o o t h e rf o r mo f h e a t p u m p s 。 i no r d e rt os p r e a d i n gt h i st e c h n o l o g y , t h ea u t h o rt a k ep a r ti nt h ei m p r o v e m e n to f g e h p e x p e r i m e n t a t i o n 。t h e nd o i n g t h ec o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t t or e s e a r c ht h e r u n n i n g c h a r a c t e ro ft h eg e h p t h er e s u l t ss h o w st h a tt h eg a se n g i n ed r i v e nh e a tp u m pi sa 瓣g he f f i c i e n c ye n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g y , i t sa v e r a g ep e r ( p r i m a r ye n e r g yr a t i o 、i s 1 4 2u n d e r t h ec o n d i t i o no f e x p e r i m e n t a l o n gw i t ht h ed e c r e a s eo f t h e e n g i n e ss p e e d c o pa n de e ra l s oh a v es o m ed e c r e a s e b u tt h e yr e d u c eaf e w ，a n d h o l d i n gf o ra l o n ga r e a t l l i ss h o w s t h a tt h eg e h ph a sag o o dp e r f o r m a n c eo fl o a d a n dt h es p e e d c o u l db ea d j u s t e d e a s i l yt or e a c h t h en e e do f l o a d w _ l l o nu s i n gt h eg e h pt op r o v i d eh e a ta n dc o l d 协a nc o n s t r u c t i o n t h el o a do f t h e g e 船m u s tf i tf o rt h ec o n s t r u c f i o n sa i r - c o n d i t i o nn e e d e dl o a d n l en e e d e dl o a do f t h e 锄c o n s t r u c t i o ni s c h a n g i n gw i t ht h ew h o l ey e a rc l i m a t e a f t e ra n a l y s i n gt h e s a m p l eo fc o n s t r u c t i o n ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eg a sc o n s u m i n ga m o u n ta n dt h e c o n s t r u c f i o n sa i r - c o n d i t i o ni o a dc a l lb ef o u n db a s e do nt h ec h a r a c t e ro f g e h p i na d d i t i o n , d u et ot h eu s eo f a l a r g en m n b e r o f a i r - c o n d i t i o nd r i v e nb ye l e c t r i c i t y , s o m ec i t i e sa r es h o r to f e l e c t r i cp o w e ri ns u m m e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h en a t u m lg a si s o v e r m u c hi ns u n l m e r s ot h eu s eo fg e h pc a nf i l lt h et r o u g ha n dc u tt h ep e a ko ft h e e l e c t r i c i t ya n d r e s o l v et h ei m b a l a n c eo f t h en a t u r a lg a s sp r o d u c i n ga n du s i n g 。 k e y w o r d s ：g e h p ，e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ，c o n s t r u c t i o n sl o a d ，f i l lt r o u g hc u tp e a k i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 磺究成豢，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基星盘璺或其他教育机构的学位或证 书面使髑过的材料。与我一同工作的同惑对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：香乞型旨 签字日期：细，二年f 上，月i f 日 学位论文版权使震授权书 本学位论文作者完全了解基鎏基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鎏态茎可以将学袋论文戆全部或郝分内容编入有关数据瘁进雩亍捡 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 窝国家蠢关部f 1 菠捉构送交论文弱复印传帮磁纛。 ( 保密的学位论文在解密尉适用本授权说明) 一虢摊琦名：秽 签字日期：必口年p 月步问签字r 期；吐年 i 王髓| 刍r 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 1 1 天然气的广泛使用 豫护骂境、节约2 滚秘可持续性发展是人类李土会发燕的隶恒主题，能源是现 代社会生活的基础，现代文明是建立在对能源和物质的大量消耗之上的。 上个毽纪以采，叁予李会生产力逐逮发震稳人嚣急联增长，缴赛l 灞漕费量 大幅度增长，近3 5 年来世界能源消费量翻了一静，1 9 9 4 年世界人均能源消费达 l + 7 5 1 0 4 k w 。瓣羲全球2 源消糕已超过1 0 0 z i 睫蠡准爨，1 9 9 4 年一次女源渗费 达1 1 3 2 亿吨标准煤，并继续以每年2 的速度增长，到2 0 2 5 年仝球能耗又将翻 番，这其中缝大部分熊量来鑫予纯石矿穆燃蛰。基大熬隧源瀵耗迫使人类开发 切易于开发的能源，士也球上能源资源与日俱减，世界备国的燃料动力供应与需 求量之秘矛嚣越激越突避。扶慧髂瑟畜，强兹整势能源最然不存在辖竭润题，但 廉价能源时代已经结束。能源消耗的增加伴随着废弃物排放的增加，导致环境污 染日盏严重，影螭了人类的可持续发展，困此本矬纪垮怒人类重视生态磷境，清 洁利用化石燃料的时代。 远几年，嫠赛各国卡分重裰天然气黪开发蕊弱羽，其嚣豹之一是蛰饯蘧量 f 1 趋减少的石油，二是改善环境。天然气是一种无色、比空气轻、含碳爨低、发 热量毫酸烷烃混合物，天然气经分褰和麟菝螽，蘩本不含菝羁羹媳有害杂矮，掰 以天然气作为燃料利用与矿物燃料煤或油相比，是一种优质高效的洁净能源，被 人们穆为“绿色燃料”，经济评价和环攥评馀据。现在天然气己成为第三大支柱 能源，在能源结构组成中的比例幽原来的1 0 增加2 3 5 ，世界工业对天然气需 求在今矮三十年将要达到顶峰。 迄今，全世界天然气已探明的储量为4 0 4 万亿立方米，其中1 4 6 万亿立方米 皱认为具有经济开采羧馕。 _ | ；l 予天然气热氇毫，舅子玎发、掇塞经济侩魏等特点， 敞世界天然气消赞量逐年增加。统计表明：从1 9 9 2 年到1 9 9 6 年的五年中，全世 器在天然气领域的投资以年均1 2 豹速度增长，篱于对焉漕开发投资豹增蝗。据 国际天然气联盟1 9 9 7 年1 0 月的一项调查，1 9 9 5 年全世界的天然气消耗量为 2 1 2 0 0 亿立方米，到2 0 3 0 年，世界天然气的年消凝量预计缝增加一倍，达到4 1 0 0 0 亿立方米，并预测在2 0 1 0 2 0 2 0 年问天然气在能源结构中的比例将达到3 5 4 0 ，天然气将成为第一糍源。出于多数国家没有此能源，近年来天然气豳际贸 翁发展迅速，今后二卜年天然气的世界市场前景将是很好的。 第一章绪论 在我国范围来看，放消费构成的结构霹妥霹，我鬣是极少数以媒为主要能源誊鑫 成的国家，我国的能源消费构成如表1 1 所示。 表1 l 我国的能源消费总量及构成 赣潆湾费惑量 占髭巍潸费巷爨妨芘羹镑 年份 磋粝糍鹚 甄煤联浊天然气水电 1 9 9 31 1 5 9 9 37 4 71 8 21 95 2 1 9 9 41 2 2 7 3 77 5 。01 7 41 95 ，7 1 9 9 51 3 1 1 7 67 4 61 7 51 86 1 1 9 9 61 3 8 9 4 87 4 ，71 8 ，01 85 ，5 1 9 9 71 3 8 1 7 37 1 52 0 41 76 2 1 9 9 81 3 6 0 0 07 1 61 9 82 16 ，5 簌辩来源：秘家统计娲、强家垮攥舄。 潆懿开发和聪耀与其继麓源穗篦更毒荔弓| 超环境闫憨。蓝溺表赞，我豳嚣蘸 排入大气的7 0 烟尘和9 0 的二氧化硫均来自煤的燃烧。大气污染给中国经济 带来严鬟豹损失。1 9 9 5 年中国投羧雨遥戏匏经济臻失按港薅徐撩诗冀达翅l1 0 0 亿元，相当于当年国民生产总值的2 。掘世界银行统计，目前空气和水污染所 造成豹经滂损失每年大约占我毯豳内生产总毽粒3 8 ，已严蓑藏耱剩淡鏊豹 可持续教展战略。 我圈予1 9 9 8 年2 蠢改变了对天然气懿政策，开始在躐市供疆、汽车程蔻漂 生产领域大力推广这种清洁能源。为推动天然气在我国的广泛使用，国家还进行 了一系秘豹部署。提密了“瑶气东羲”、“l l 气紊下”、“海气上簿”帮“l n g 登 陆”及中俄油气大通道等天然气开发利用的战略构思。天然气的使用可以说是当 瓣鑫冬热点，因为它是拯转污染东平魏最臻蕤瓣方法。天然气静搜瘸还具畜转按效 率高，环境代价低，投资省和建设周期短等优势，积极丌发利用天然气资源已成 为全整器戆源工遂弱主簧潮流。在我鼙推广天然气还毙爨送天然气 逵量丰富麴西 北部地区的经济发展，加快西部建设，并把有限的铁路运力从煤炭运输中解放出 袋。 但悬目前我国天然气消费构成1 i 合理。表1 2 为世界各地天然气消费构成。 第一帑绪论 表1 - - 21 9 9 5 年世界天然气消费麴成( ) ”1 发宅工监彳宅i 歌料露民及寄娩 嚣欢1 72 444 5 北美 1 33 443 9 容歇1 64 51 3 2 6 非洲4 24 549 中东3 25 495 东南亚3 84 41 08 髓界 2 64 352 6 中国1 51 6 85 0 ，8 1 7 。4 麸衰中哥戮器密我嚣天然气纯工霉袋占有楣警毙铡。戮为天然气割合筏氨是 稳定发展我国农业的重要保证，但是我国天然气制合成氨的转换率仅2 0 左右， 遮羝于 楚奏7 7 翡末乎。嚣我黧戆屠民耀气帮一直是一个薄弱强节，1 9 9 7 年生 活用气为2 1 2 2 x 1 0 8 m 3 ，占总消费量的1 0 8 6 ，与世界平均水平相比有一定差距。 作为民用戆天然气溺费主要稻子低滚热翡采疆和燕承，丽天然气是一荦孛宝奏 的清洁燃料，如用天然气代替煤求烧锅炉供热，是一种效能不高的用能方式。因 韭乏葳毒持续发震麴褒点滋发，开发技术遥溪翁戬天然气为能源豹终端产赫，显褥 十分重要。 1 1 2 燃气梳热泵的发展 一、热裂戆发震 热泵是一种从低温热源汲取热量，并在消耗商品味能量的情况下，提高上述 热量湛凄，驮嚣褥羝湛热滚热量连润转变为蒸笼豹压缩功，一起露为高瀑蠢建热 爨输出的装置1 。制冷机实际上也是一种热泵，只是它的工作目的在于获得并保 持一定数 簸基环壤。 1 8 2 4 年卡诺首先提出了热泵的理论基础。1 8 5 0 年丌尔文也指出冷冻泼置能 够餍醴秘热，至2 0 鳘纪3 0 年 弋中麓交臻了热泵的示范装髯。二次大陵后热泵终 为商品开始出现于市场，然而初期的热泵生产增长较为迟缓。从能艟的利用而言， 热象傻稳费少量强秘豹、藏品味魏量静我偷，霹将空气、壤秘承等等中戆废热 升级至适于采暖的温度，它是十分有效的。但与当时即有的采暖方法相比，热泵 瓣投资费蠲毫，按拳上不鼗熬且可靠性菱。 慰予蘸泵豹浮 分，在蔡魏蠲途土善它缆否获褥经济效益，必簇考感裂出予镬 用不同燃料而产生的不同的效率，以及包括投资和维修费用在内的全部费用。通 辫 主嚣，一个装囊要取代其毡装箨，它岿须是为人嚣j 辑了缎戆，并显徐臻低廉。 因此，热泵的较离投资和不固定的维修费用，必颁在节约能源上得到补偿。每当 有关旋溺供应懿经济因素发生交纯蹲，裁必矮黯热象豹逡弱范圈避孳亍重鞭谬挽， 每当燃料费增加，就扩大了这一应用范围。七十年代初，所谓的“能源危机”给 热泵以藜生魏捉会，两热装本身在六十年 弋也经获了彻底改造，扶设计、生产到 安装、运行都有了显著的长进，于是热泵又以全新的面貌步入市场。美国在1 9 7 1 年生产8 2 万套，话到了1 9 7 6 年生产猛壤至弼万套，1 9 7 7 年在美国己有1 6 0 万 套热泵正在运行，而1 9 8 3 年约有4 0 0 万套热泵程运行。欧洲各图、前苏联和澳 大到亚等国家在热泵的成用、研究方面也 乍了不少工 乍。联邦德圈1 9 8 5 年专供 采暖用热泵累计总安装数达2 4 万台。 我嚣秘技工终考旱在上个世纪戆5 0 年饯翅嬲裁开始注意到热装这一繁毙技 术，如天津大学的一些学者在1 9 5 7 年便开始了热泵研究工作，6 0 年代我国研制 了第一惫热泵型滚式空调魂和承冷式热泵空调捉；毽远点十年来，热泵在我国的 发展十分缓慢，究其原因，除了经济、技术条件限制外，我国的电力供应严重不 足和煤魄玲撂比不合理怒缀重要的因素。至8 0 年代末， 擘为全嗣专业生产厂中 规模较大的上海空调机厂，年生产小型热泵空调机也只有万台左右，占当时全 濑总产量的l 2 1 3 。进入9 0 年代屡，大量灏技术、设备的0 | 进和人民生活 水平的擒高，小型热泵空调机得以迅速发展，出现于长江以南的备大商场和城市 掰民住宅。特别最近几年来我国热泵发展很快，摄统计1 9 9 6 年我潮空调设备( 指 电动冷热水机组、吸收式冷热水桃组、房间空调嚣以及单元空调机组，但不包括 避口机缎) 的总制冷能力约为2 0 0 0 万k w ，其中热泵型机组的制冷能力约占6 0 。 二、燃气机热泵的发展 英国譬在匿卡年我懿应曩过燃气援热裘寒供热耱割冷，漫明了燃气瓿热泵在 技术上是可行的。德国、r 本、艇国和法阉都已有了许多应用实例，燃气机热泵 褒工韭纯疆家已有了馥当豹发展，最近几卡年更跫发聂迅速。1 9 8 7 年，鞲搴率 先将燃气机热泵商业化，尤其是中央空调系统受到了大众的欢迎，虽然当时总的 装规容鬟只有3 5 m w ，毽爨到了1 9 9 5 年戡达到了9 1 0 m w ，增长了2 6 倍。到1 9 9 6 年，全f 1 本燃气机驱动式热泵占全部燃气制冷设备的2 9 ，总装机容量大约i g w 。 奖国也予1 9 9 4 年推出了燃气枫热裘，到1 9 9 5 年其总装枫容量占据了燃气铡泠设 备的1 0 。“虽然燃气机热泵同其它燃气制冷一供暖设备相比优势建比较明显的， 艇是它的应用驭褥大的发展却是最近几年的事，这主要归功于近期燃气枫技术的 发展保证了燃气机的运行周期更长。掘资料分析，现在燃气机的运行寿命可达 4 第一章辩论 2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 枣眩，吸美豳碧逶蔫户为铡，每年乎臻运转爨2 0 0 0 4 0 0 0 小瓣，燃 气机热泵的服务寿命就可达1 0 一2 0 年。“1 就目前商业化的程度而言，燃气机热泵 豹聚量雯产主要还集中在日本、美鏊羁法霉等发达国家，规缀褰繁范爱比较广， 般从1 0 0 k w 到3 m w 不等，主要面向公众设施，象游泳池、剧院、展览馆和住 宅小区、剐墅等露蒙。 在我固，2 0 僦纪8 0 年代才重新注意剥这一热泵发展方向。直到1 9 8 6 年，中 溺科学陵君搓餐滚金，开始对燃气提驱动热泵豹应羯基礁邋行疆究。遘入9 0 年 代后，随着改革开放的深化和发展，人民生活的不断提高以及我国的城市煤气化 鞠表榜滔气纯懿逮速发矮，都为燃气秘热袋这一躐繁髭又经茨熬耘技术剖造了良 好的物质基础，而且随着能源政策、环境保护政策、建筑节能法、城市能源结构 懿改变秘源蛰穆等懿调整，燃气辊热泵l 鼍应臻将会越来越广泛。 点、燃气机热泵的优越i 生 燃气煞泵作为熟泵的一种形式，隧洁净的天然气作为麓源，s 0 2 、n o x 丰器藏 比燃煤小得多，从而可更有效地替代燃煤锅炉降低大气污染，有利于环境保护和 西持续发展，萁濂室气体和污染褥薄旅薰运低予蒸它各秭供熬空满方式。 燃气热泵有吸收式和压缩式黼类，主疆用在大楼和区域性的冷暖房中，供采 疆、制冷帮供应热水之溺。啜较式然气袁缣辊静特点是运凌帮释少，嗓音诋。其 缺点是制冷制热系数低，为0 8 发右。在实际运行中，由于真空废难以保证，实 际平兹运行效率在0 7 戳下，造成运行袋本高。瘸缓矗真空废降低，维修困难。 设备体积庞大，造价高。 燃气辍驱动豢鳍式熬豢嚣蕤列用性麓系数毙设渡式褰翁蒸汽蕊缩式缀巧，又 能够充分利用发动机的排烟和冷却水的废热，因而相对于其他形式的热泵，其一 次能源剥用率寒。在文献硒1 中撮剿，假设：供电效率3 3 ，燃气枧本身的热效 率3 0 ，电动热泵c o p3 , 4 ，燃气机热泵c o p3 6 ，燃煤锅炉效率7 0 ，燃气锅 炉效率8 5 ，电锅炉效率9 8 ，燃气机睃热回收率6 0 l ”，可得知表1 3 所示 数据： 表l 一3 不露餐热方式的一次戆潦稠霜露蓖较 供热方式 铸妒砖锅炉炉气热泵象 n “。1 “1 一次能源利用率( ) 7 08 53 2 31 1 2 21 5 0 一次能源利率 。2 l + 45 3 ，96 0 2 炉1 1 4 比3 , ( 7 6 - 5 与燃气锅掇高f ) 与燃煤秘燃气锅炉裰比，箕瑙子供热懿篷量为燃辩麓潼豹1 + 5 燕，供热麴一 第一章绪论 次髓滚稳薅率可分嗣提麓l1 0 秘7 5 以上，极大兹= 箨约了毙源。文熬蝤还对不 问方式的采暖空调的年单位面积运行能耗及费用进行了比较，结果如表1 4 所 示： 表1 4 全年单位面积运行能耗及费用比较结果 爆妒气沪患炉毫动懋气 牵零位西欹转莛瑟黉凌 空落空调空调热泵燕泵 年革垃瑟织按供电煤耗及燃气热穗 3 l + 5 02 6 8 66 l 。4 92 1 8 81 8 。6 3 折合标准煤耗( 千克米2 年) 冬单位恧积能耗费( 元米2 年) 1 6 娌3 4 + 9 98 2 ，6 52 9 。4 22 3 9 6 年单位面积能耗费用比 1 o o2 1 85 1 61 8 41 - 5 0 在文献所描述的设备技术水平及能源价格条件下，燃气机热聚供热空调方案 懿年摹经瑟积运行麓耗费耀约为燃媒锅炉+ 窒调缒1 5 蛰，嚣毫熬锅炉+ 空灞静年 单位面积运行能耗费用最高，约为燃煤锅炉的5 倍。可见在不同的采暖空调方式 中，懋气筏热裂l 孽经 骞髅琵鞍抒。 燃气机热泵述具有以下的特点：低环境温度下制热能力强，供热温度高，与 邀羲基筑式熬泵耪毙，囊子霞毂了然气撬貔废熬，菠珙热瀣凄提褰；在一定条 孛 下可无耩运行，在寒冷环境下冲霜容易，无需象电动热泵那样要用反拖或采用电 攘热熬方法，霹巍接穰蟋毫湿撼气达到冷露熬曩豹，因甏不纛要孛瑟筷热；具有 良好的调速性能，能够通过原动机燃料供给量的改变实现热泵容量的连续调节， 搜系统容量更磐缝簿台受萤变化，提毫捌冷割热速度，满是丈戆容量变传要求， 在一定的容量变化范围内可消除戏减少开停次数，因而与一般的电动热泵相比具 窍高的季节爱效毙。 综合起来看见燃气机热泵在阁内为大有潜力可挖的新技术，在目前全球性节 糍环保嬲题只盏紧迫的彤势下，擞炔以天然气为熊源的终端产品的燃气枫热泵的 开发和利用，可以极大的提高能艟的综合利用效率，缓解用电紧张，促进环境保 护积可持续性发嶷。从困家范围来看，审办2 0 0 8 年奥运会的成功促使我豳政府 十分重视“绿色能源”及环境保护，政府也出台了相关的政策，积极扶持燃气设 鍪的普及、推广，丽燃气机热泵也必将会以其自身的优势逐步得到商业化、民用 化的发展。 2 燃气撬撼泵翡澍峰平谷 车用 燃气枫热泵 莹为一个独立的燃气消费终端，隧羞该装黉的广泛剃用，会越来 越多的连接到城市的燃6 i 管网中，而且做供暖一制冷设备州由于其自身负衙匹配 6 建襞物奎灞受蔫变纯豹特性，蓬鬻建蒺秘空调受蘩戆交纯会对蒜绘豹燃气管网求 力稳定性产生特定的影响，同时燃气机热泵的工作条件对燃气管网的供气稳定性 遵有一定豹要求。 建筑物的空调负荷是由建筑物所在的地理位置、建筑拓扑结构、墙体的材料、 器释肉我等多方甏条佟决定靛。对子一个特定懿建筑耱，对空调爨蔫豹主装影确 因素是气候在全年之中的逐时变化。燃气机热泵的负荷需要与建筑物的空调负荷 鞠匹配，强诧懋气橇热泵豹受荧瓷是在全年之中逐封交纯。通过对燃气捉热泵毫氇 组进行的实验研究标明，随着燃气机热泵负荷的变化燃气消耗量也随之变化，且 它们之溺存在善一定豹燕跑铡关系。 城市燃气用爨不断变化，气源的供应艟不可能完全按照用气嫩的变化而随时 炎佬。出于天气荨拜生活习惯的交纯，臻气游使竭_ 掌在冬受豹不乎键。嚣诧为了谦 诳按用户要求不间断地供应燃气，必须考虑燃气生产与使用的平衡问题。电力的 经焉| 霭群存在蓍产供静不平鬻，茏萁由予夏季电力空调数镬臻，逡娥夏季逛力短 期集中高负荷，使城市电网不堪藿负，出现拉闸限电现象。 爨气热泵毒以不蔹毂予电羁繇独立存在，絮纂邀力空溺帮燃气空弱以定豹 比例相组合，则既能填平电力空调的季节峰谷差，也能解决燃气冬夏季节的产供 不平餐，起到囊l 漳平谷戆 譬曩。 3 本文的主要内卷 由于天然气的广泛使用和燃气热泵在环境保护、节约能源等方面的优越性， 燃气视熬泵俸为一项高效节能技术在我因豹应雳也将越柬越多。随着燃气稚热泵 的广泛应用，会对城市的燃气供滞和电力供需起到一定的平衡作用。 为了推广这硕技术，本文主要进行以下工俸： 1 、搭建和改进燃气孛且热袋试验台，进行棚关试验，研究燃气机热泵的运彳亍特性。 2 、根据燃气机热泵的负荷特性，对建筑物实例进行分析，找出燃气消耗量与建 筑物空调受萄之蚓的匹醚关系。 3 、对用燃气机热泵的削峰平谷作用进行分析，探讨用燃气机热泵供冷制热对电 力蟊燃气受萄弱溺整谗耀。 第二章燃气辊热鬣热力学基本分柝 2 1 l ! j c 述 第二誊燃气机热泵热力学基本分析 燃气热泵( g a sf i r e dh e a tp u m p ) 按原动力工作原理的不同，可分为把燃气奁 接转换成动力来驱动的燃气压缩式热泵和把燃气转化成简温热源作为热驱动力 的燃气啜寝式热泵。燃气压缩式热泵又可透一步橙糖驱动力的方式不同，分为态 燃式燃气热泵( 以内燃机作为动力来源) 和外燃式燃气热泵( 以燃汽轮机、透平 钒或斯褥j 棒发动税等形式作为动力来源k 本文所研究的燃气热泵指的是燃气机热泵( g a se n g i n e d r i v e nh e a tp u m p 简 称g e h p ) ，其工作原瑾定把擦气送入蠹爨橇，国内燃税穗纛气繇浇后释敬静熬 能转化成动力来驱动热裂系统的压缩机，从而实现热泵的逆向热力学循环，达到 撼低温佼热畿辕送到高滠住 共绘霞雳的蠢瓣，送入懿燃气露鞋是天然气、液讫石 油气、煤制气或沼气等多种形式。燃气机热泵的系统如图2 1 所示： 流体 热源 鹜2 1燃气橇热泵系统 燃气机热泵系统的主循环同样是出压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀魍大部 件组成。供热时，工质通过蒸发器吸取高温热源的热量，并通过冷凝器将热量在 较高温度f 传给用户。制冷时，工质通过蒸发器吸取用户的热量，并将热艇传给 低温热源。 冷帮水攥燕器 簿加热滚体 第二章燃气机热象热力学臻奉分析 熟泵可稿甭的燕源分为两大类，一类楚鸯然熬源，翔空气、水( 建下承、河 湖水、海水等) 、土壤、太阳能等，特点难温度比较低，取之不尽，用之不竭， 无偿获褥。偿是它们氆有各舀的特点，翔空气作为低温熟源，其热泵装羲静安装 和使用都比较方便，投资费用低，但是空气参数随地域和拳节、黔夜均有很大变 化，这对燕泵撬缝的容羹帮性麓系数影桶较太；舔置宙予空气熬热容量较，l 、，所 以当冬季室外温度很低时，蒸发漩度亦很低，并存在蒸发器结霜与除霜频繁，热 聚效率惫嗣下醛簿闫题。舅一类为生活或生产中秘舞 热，麓建羲物内部静蔡热、 工厂生产过程中的废热、生活废水、变电所、垃圾焚烧工厂、发电厂的排热等， 粪特熹楚煞滠滠度较毫。 本实验台为水一水热泵，由于水的比热容大，传热性能好，所以使换热设备 较魏紧凑。求湿一觳 塾毙较稳定，玖瑟壤熬泵运嚣性链爨好，一般不存在蒸发爨 结霜问题。其缺点是必须要靠近水源，或有一定的蓄水装簧。对水质也有定要 求，羧送餐路蠢换热器熬避瘩必先经过东蒺凳理，茨止霹戆出现黪瘗蚀。建瘩据 为热源时，必须全面评价供、排水系统所需的设备和泵的耗功。水源一般可分为 娥表承( 潮河承、海末等) 、建下承( 深势东、泉承、绝下热承等) 、生嚣废承彝 工业废水。另外在京、津地区蕴藏着丰富的地热资源。地热资源的开发利用对减 少城市低濠用热熬燃鞑消耗，改蕊屠民生活条件，减轻城枣交通遮输负搀帮防止 环境污染具有现实的意义。 2 2 燃气机热泵工作原理 燃气穰蒸泵系统麸热力学矮瑶囊凄来浚，实舔上是悫燃援委镬繇帮热裘遵矮 环的联龠循环，其热力循环如图2 2 所示： t 鹭2 2燃气热泵蚋联合热力疆环魁 内燃税j f 循环的具体过程如下： 第二章燃气祝热象热力学幕奉分析 l + 气落疆缩蓬程a b ： 比。 2 ，定容燃烧过程鏊c ： 行定容燃烧。 空气羧墩a 内燃季趸气基著逶行压缩，达翻一定靛压缠 在b 点嚷a 燃糕，燃料帮空气戆混台气发，圭压燃，进 3 。定题燃浇过裰e d ：燃糕帮窆气熬混合气继续燃烧，且为定压燃烧。 4 排气过程e _ 一a ：做功后的气体被排出。 热泵逆锺錾黪具薅过程如下： 1 压缩过程1 2 ：制冷荆蒸汽在压缩机中被压缩，达到定的温度和雁力 2 。冷凝过程2 3 ：利冷割蒸汽在冷凝爨中冷凝戏滚体，放出热潼； 3 节流过程3 4 ：制冷剂液体流过节流阀降温降压； 4 蒸发过程4 一l ：割冷秀g 渡体在蒸发器中蒸发域气体，吸收热攮。 2 ，3燃气机热泵系统热力学基本分析 2 3 1 燃气机热泵系统的能量平衡分析 一、燃气梳部分 燃气在燃气机的气缸中燃烧，释放燃料的化学能，造成气缸内体积的变化， 推动活塞运行输磁功。该过程由热力学第一定律分析，可以绘岛燃气穰静热流霞 示例，如图2 3 所示： 蚓2 3 燃气发动执豹热流幽示例 燃气发动机的冷却水和废气所带热量之和，平均约为5 0 。在冷却水所带的 3 0 懿热量中，大致可分戏魏下郑分： 发动机机身冷却 ( 8 3 0 ) 潺漆涵冷却( 3 7 ) 火花褰冷却 l 0 第一荦攥气器 热蔡热办学耩奉营辑 毪拯攀压空气冷帮的其楚冷帮( 2 s ) 其中在排烟换热器中，假若废气温度冷却到6 0 ，不利用的废气热可以从 l l 藏小爨5 强，莲遴一参考效黪稳爰笈动视静余热。 二、热装部分 热聚中的工磁通过蒸发器吸淑周围环境的热瀚，并将热量在较高的灞度下传 蹬热努醚装霆熬襞冷裁。热泵豁主要洼熊是：褥热量获较繇魏瀑澄嚣裂较嵩格温 度，此时高温下的有用能来自燃料，而所需的无用能则由周围环境取得；完成热 懿转移伟翅，其中压缩褪起羞辫热量麸热漂移到热拳熬侔羯。 如图2 4 所示为热聚的简化能流图示例： 寒赛燕漂戆戆嚣鬃国。礴 国2 4 热泵的筒化热流图示铡 供给采暖系统 的热流嶷 q k - = 主豫 三、整傣系统 与传统的电础机驱动相比，臌缩机幽燃气机崖接驱动，调速性能好，简且发 韵狡静袋熬还可苏进一疹稻爱，冬天髅热翳攘赢攥熬温褒，夏季翻冷霹还可提供 生活用热水。从惭使燃气热泵的供热性能系数通远高于电动热裂。文献中提 越，缓定供给发动凝1 0 0 静一次麓量，霹获稼3 3 静融功率，遮帮分功率可篾 于驱动热泵。当热泵的供热系数c o p = 3 3 时，通过热泵可得到有效供热量11 0 。 游发动懿霹麓兹疲燕量荛5 0 ，裂冒弱黝总畜慧供热量为1 6 0 。浚穗子簿热滚 分布如图2 5 所示。 第二章燃气机热采热力学基本分析 一次能量 1 0 0 图2 5 燃气热泵系统热流图示例 有用热流量 1 6 0 从图中可以看出，仅可用废热量同热泵的有效供热量之比就达0 4 5 。可见， 废热利用是燃气机热泵区别于电热泵最为显著的特征。 四、能量平衡计算 应用热力学第定律，对如图2 1 所示的燃气机热泵系统进行分析，列出 系统的热流能量平衡方程式： q $ + q 。2 q 。+ q 。g + g 。+ q “ 公式( 2 1 ) 式中q 。供应系统单位时间燃气的热量，k j s ： q e 。蒸发器从低温热源吸收的热量，k w ； q 。冷凝器传给待加热流体的热量，k w ： q 。从发动机冷却水换热器回收的热量，k w ； q 。从发动机排烟换热器回收的热量，k w ； q n 系统的能量损失，包括各部分散热、未回收的发动机冷却水热量、 发动机的不完全燃烧损失、排烟损失和传动损失等，k w 。 各热流热量的计算公式如下： 1 、供应系统燃气的热量 q = g ，；h ， 公式( 2 - 2 ) 式中g 。燃气机热泵系统的燃气消耗量，n m 3 s ： h 。燃气的低位发热值，k j n m 3 。 2 、蒸发器从低温热源中吸收的热量q 。、。 q 。= g 。c 。( 瓦，。一l 。)公式( 2 3 ) 式中g c 。流经蒸发器的热源流体流量，k g s ： 第二章燃气机热采热山学基奉分析 c 。流过蒸发器的热源流体的平均定压比热，k j ( k g ) ； t 。热源流体进蒸发器的温度，； t m 儿。热源流体出蒸发器的温度，。 3 、冷凝器传给待加热流体的热量e 。 q 。：g o ，c p 。，( l 。一一) 公式( 2 - 4 ) 式中g 。流过冷凝器的待加热流体流量，k g s ： c 。流过蒸发器的待加热流体的平均定压比热，k j ( k g ) ； t 叭n 。待加热流体出冷凝器的温度，； t 。待加热流体进冷凝器的温度，。 4 、发动机冷却水换热器回收的热量q 。 重k = g e 。c 。( 。一毛。) 公式( 2 _ 5 ) 式中g 。流过发动机冷却水换热器的待加热流体流量，k g s c ”。g _ 一流过发动机冷却水换热器的待加热流体的平均定压比热， k j ( k g 。) ； t o 。待加热流体出发动机冷却水换热器的温度，； t i n e n g 待加热流体进发动机冷却水换热器的温度，。 当然，该处发动机冷却水换热器回收的热量e 。也可以通过发动机侧的冷却 水的流量及进、出口温差进行计算。 5 、发动机排烟换热器回收的热量q 。 乏_ 。：g c 。( t o 。一瓦) 公式( 2 6 ) 式中g 。流过排烟换热器的待加热流体流量，k g s ： c 。流过排烟换热器的待加热流体的平均定压比热，k j ( 虹) ； t 。待加热流体出发动机冷却水换热器的温度，： t i ne 。待加热流体进排烟换热器的温度，。 以上蒸发器和冷凝器换热量的计算是由水侧计算的，也可出工质侧进行计 算，状态点之间的焓差表示了换热量，以图2 2 所示循环为例。 蒸发器从低温热源中吸收的热量q 。可以写为： q 。= a i 。r ( h ，一h 4 )公式( 2 7 ) 式中g 。广热泵系统的制冷剂流量，k g s ； h 1 、h 4 状态点1 和4 的焓值，k j k g 。 冷凝器中传给待加热流体的热量o 。也可以写为： q 。= g wx ( ! 一h 3 ) 公式( 2 - 8 ) 式中h 2 、h 3 状态点2 和3 的焓值，k j k g 其中状态点的焓值可以根据测量到的温度和压力的值查压焓图或者根据状 第一章燃气税燕裂热力学鼙奉_ ； 析 态方程遴符诗算。 2 3 2 燃气机热泵的性能指标 一、制热、制冷性能系数 一蔽来说，当评徐一令系统懿经济犍跫否餐台久销对它豹要求，主燕羽一拿 系数来表达。性能系数c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e )正是人们制订的用来 表示燕泵经济瞧瓣那么一个系数，定义为： p ：蔓堕堡型塑塑堇 系统花爨静钱价 根据c o p 的定义，热泵的制热性能系数可以写为： c o p ：麓筮 公式( 2 - 9 ) 式中n 一燃气瓤传递给热泵瓣功率，k w 。 热泵的制冷性能系数可以写为： # p p q 。 嚣e r = 兰! 毪 燃气枫热泵系统的制热性能系数可以写为： c 帆：星竺坠垒嬲 | 公式( 2 1 0 ) 公式( 2 1 i ) ：、一次能源利用率 c o p 重然可袭达热泵盼裁热经麓，穗不能反漱热泵骚动辊转纯效率等菌素， 因而不能全面反映热泵系统的能源利用效率。同时在热泵与其它供热设备进行比 较的时僚，镶鲡与锅炉煞热效率褶昆，c o p 遣靛乏可篦经。繇吸我翻嚣采震一 次能源利用率p e r 的指标来比较不同设备的性能，其定义为： p e r = 罴黎淼 根据p e r 豹定义，燃气辍热泵静一次漂零l 愆率p e r 可以霉为： p 勰：鱼竺鱼堡：堡! !公式( 2 。1 2 ) g 。 4 第三章热气税燕装实验系援综述 第三章燃气机热泵实骏系统综述 3 1实验目的、方法及参数的确定 3 1 1 实验目的和方法 撰气撬燕泵楚一项赢效节戆技零，它的应用基有良好靛社会效盏积经滂效 蔬。为了验证其技术可行性和定量分析其节能效果，本文谶行了燃气机热泶实验。 实验内褰为分辑发动掇的性能撂豁、热泵鬟统的挞2 和整体总性熊，并积累燃气 机热泵系统的实际运行经验，为系统的进步改遗、优化打下基础。 实验方法采用恒定循环水流攮，即调节阀门，维持两个水箱水位基本不变： 然后调整离低温热源温度，调整发动机转速，测试在不同条件下袋动机的性能指 栋、热泵系统和整体系统的总性熊指标。 3 1 2 实验参数的确定 一、发动褫冷却水温 发动机冷却水的湿度影昀着发动枫的冷却效攀、高瀑零件的热负荷、发动机 的热量分配和能鬣利用。若水温不当，会造成发动机过冷或过热运转。 发动机在水瀑低于6 5 。c 下运行叫做过冷运转。当车辆或机械尚未等冷却水 焱热就起步或作业，或者警节温器开启温度过低时，冷却水过早进入大循环，都 念引起发动机过冷运转。水温过低，柴油在燃烧黛温升较慢，滞燃期长，燃烧过 稚恶化，起动往髓不良，缸套的磨损居增。 发动机在水濑超过9 5 下运行叫做过热运转。若发动机机工作温度过高， 受# 充气系数下降，混合气燃烧不正常，引起敲缸、缫燃，造成发动祝功率下箨。 缸盖、气门、缸套、活塞和活塞环等受热零件温度过高时，热应力增大。若冷却 不良，会使气f 1 痰变形引起气门滋损，使醯盖在气f j 座之阔酶鼻部产生热爱。过 热会破坏滑动配合副的正常问隙。稀释油膜，造成活塞拉缸，活塞裙部甚至烧结 皎死。馁税涵受藩溢夯瑶遮氧纯，攀期劣亿变质，造成滤添不良，餐荔浇瓦。 本实验中，控制发动机侧冷却水套中的水温的进出口保持在( 7 0 8 0 ) ( 8 0 9 0 ) 。为了达至g 上述磊豹，本次实验改避了承粼疆路。将冷凝器出来豹承分裂 逃入冷却水换热器；i n t t i 烟换热器。在实验丌始时，先关闭冷却水换热器的回路， t t 发动，枫冷帮东舞温，当达弱s 辩，打开冷却承挟热嚣的鋈爨。运行时蓬时 般控水套换热器的进出口水温，以便随时调整阀门丌度。 二、高溢稳源溢痿的选繇 第二审燃气机热巢实验系统综述 当热泵用于建筑采暖时，其供热温度应满足建筑采暖的供热要求温度，通常 由用户的要求确定。从大的方面来分，热泵用户有两类：工业和民用。工业用热 泵不仅应用范围广且所需温度的跨度也较大。民用热泵主要用于供暖、洗澡等场 合，所需温度范围大约在5 0 7 0 。c 左右。因此本试验把高温进水温度控制在3 5 6 0 。c 。在通常情况下，热泵热水回收系统循环水的进口温度( 热泵的进口温度) 也大致在此范围内，因此所得结果将对热泵的回收利用有参考价值。 三、低温热源温度的选取 蒸发温度取决于低温热源的温度。为了全面模拟与评价以空气或水做低温热 源时燃气机热泵的供热量或制冷量及相应的供热系数和制冷系数。本文拟选水箱 温度在1 0 3 5 之间，相应的蒸发温度在一5 2 0 。c 。 四、天然气压力 天然气压力的高低和稳定性直接影响到发动机的性能。比如，当进气压力过 高时，会使发动机失去控制，造成不完全燃烧损失增大。因此参照发动机改装说 明，采用三级减压装置使进气压力稳定在表压1 0 0 2 0 0 m m h 2 0 ( 9 9 9 9 7 1 9 9 9 9 4 p a ) 范围内。当供应燃气压力很高时，减压是一个减压膨胀的节流过程， 温度会降低。为了防止天然气中含有的水蒸气在供气管道形成冰塞，本文所研究 的实验台采取供汽油方式发动，待此处温度高于6 0 。c 时，再切换成燃气运行。 3 2实验台系统概述 本实验台是由天津大学热能所搭建，实验室搬迁后作者参与了实验台的安装 和调试，并于2 0 0 2 年4 月改装为天然气汽油双燃料运行，接着进行了天然气 作为输入能源的实验。实验台的外形如图3 1 所示，实验台系统如图3 2 所示。 幽3 1 实验台外形幽 第三章燃气概热聚实验系麓练述 = 沟 圈3 2 吏骁系统醚 实验台为水一水式燃气机热泵系统，由燃气机部分、热泵部分和数掘采集部 分三部分组成。 3 2 1 燃气机部分 发动梳选焉汽油发动撬t j 3 7 6 q 改装载天然。汽潼双燃籽发动秘，浚发动 机是汽车型发动机，具有功率大、重量轻、体积小、油耗