燃气制冷原理

燃气机制冷空调系统研究摘要： 燃气机制冷空调机组是以燃气为能源，燃气内燃机直接驱动压缩机进行制冷/热的循环，同时回收内燃机的余热作为溴化锂机组的热源或直接用作供热（水）。该机组可提供建筑物的空调用冷/热量，也可同时提供建筑物的空调用冷量和生活用热水（或供热）。本文介绍了新开发的燃气机驱动制冷空调机组样机系统及测试结果，并利用一次能源利用率比较、分析了该系统与常规制冷空调系统的能源利用率。计算结果表明燃气机驱动的压缩吸收复合制冷机组的一次能源利用率是常规电制冷机组的1.39倍；燃气机驱动的冷热联供机组的一次能源利用率为常规电制冷+锅炉供热系统一次能源利用率的1.67倍。 关键词： 燃气机 冷水机组 冷热联供 一次能源利用率1 引言天然气是化石能源（煤炭、石油和天然气）中最清洁的能源，是当今社会优先选择利用的能源。随着我国环境保护政策的加强和一系列天然气工程基础设施建设的完成，天然气用量在我国的能源结构中所占比例将得到提高，以燃气为能源的设备也将有一个发展的机遇。本文主要介绍了燃气机制冷空调机组的特点、样机系统的构成与测试结果，在此基础上用一次能源利用率分析比较了样机与常规冷热分供系统的能源利用率。2 燃气机制冷空调系统的特点燃气机制冷空调机组就是以燃气（天然气、城市煤气等）为燃料，由发动机直接驱动压缩机实现制冷/热循环，同时回收、利用发动机的余热。与常规电力驱动的制冷空调机组相比不需要使用高品位的电能，而使用清洁的气体燃料。由于燃气机制冷空调机组使用的能源和驱动方式与常规电制冷空调机组不同，其具有一系列优点：1）有利于环境保护。天然气是清洁的燃料，与燃煤相比污染物排放量大大下降（SO2减少100%，NOx减少80%以上，CO2减少60%左右，TSP减少95%）。常规电力驱动的制冷空调机组使用的能源为电力，而我国以火力（燃煤）发电为主，燃煤是酸雨、温室效应的重要来源。燃气机制冷空调机组可直接使用天然气，使利用制冷空调机组带来的污染物排放量大幅度下降。2）有利于电网和燃气管网的调峰。随着生活水平的提高，制冷空调耗电量越来越多。在我国的经济发达地区空调能耗占建筑能耗40%以上，而空调使用的时间特点使得夏季电网的“峰谷”差增大。燃气机空调机组以燃气为能源，可降低夏季空调的耗电量，从而降低电网的“峰谷”差。燃气机空调机组减少电网“峰谷”差的同时可使用夏季过剩的燃气，提高夏季燃气用量。3）实现机组的高效运行，提高能源利用率。由于燃气机的转速可进行连续调节，而效率几乎不变，从而保证机组在低负荷下的高效运行。制冷空调机组在实际运行时，80%以上的时间处于部分负荷运行状态。所以与常规电力驱动的制冷空调机组相比，在部分负荷运行时具有更高的效率。燃气机的效率一般与现在发电和输配电效率相近（30%左右），而燃气机制冷空调系统中燃气机的余热被回收利用，从而提高了能源利用率。图1比较了常规电动热泵与燃气机热泵的能源利用率，燃气机热泵供热的一次能源消耗比常规电动热泵低47%。 (a)燃气机热泵 (b)电动热泵图1 燃气机驱动的热泵与常规电动热泵能耗比较3 燃气机制冷空调系统燃气机制冷空调机组是由燃气机直接驱动的制冷空调机组（图2）。与常规电动机组相比，以燃气机代替电动机，用燃气代替电力。系统主要包括三部分：燃气供应与排烟系统；余热回收与利用系统；蒸汽压缩制冷系统。图2 燃气机制冷空调机组系统图 燃气机制冷机组的蒸汽压缩制冷部分与常规电力驱动的制冷系统基本相同，只是压缩机为由燃气机直接驱动。燃气机的余热包括燃气机的缸套冷却水余热和排烟余热两部分。燃气机正常工作时缸套水温为8599，发动机排烟温度为500560，余热回收时循环水可采用并联（循环水分别进入缸套换热器和烟气换热器）或串联（图2，循环水首先经过缸套水热交换器，再流经烟气热交换器）。回收的热量可用于生活热水或供热，也可用做溴冷机制冷用热量。4 样机性能测试在对样机进行试运行和相关检查后，依据有关标准我们对样机进行了性能测试。根据余热利用情况，测试分两种：1）余热被直接利用；2）余热被用作溴冷机的热源。测试过程中冷、热水的温度由热电阻（Pt100，精度为0.1）温度计测量，冷、热水的流量用电磁流量计测量（精度为0.1%），燃气的消耗量用Q型涡轮气体流量计（精度为1.0%）测量。测试时制冷循环的冷却水进出口温度分别为30和35，冷水进出口温度分别为12和7。样机的制冷/热量有下式计算： 式中 Q为冷/热量，kW；c为水的比热，kW/(kg. )；m为水流量，kg/s；T为水的温度，；下标in和out分别代表水的进出口。样机测试过程中消耗的燃气能量由下式计算： 式中 Qf为机组能耗，kW；G为燃气耗量，Nm3/h；Qdw为燃气的低位发热量，kJ/Nm3。样机回收的余热直接用作热水或供热的热源时（即燃气机驱动的冷热联供机组），机组的制冷量为470.23kW，余热量为147.68kW，燃料耗量为313.78kW。样机回收的余热用作溴冷机的热源（即燃气机驱动的压缩吸收复合机组），机组的制冷量为595.48kW，燃料耗量为318.85kW。5 机组的能源利用率分析对使用不同一次能源的供冷/热系统，通常意义上的性能系数（COP）缺乏可比性。使用不同一次能源或提供多用途能量的系统，一般可用一次能源利用率来表示系统的能源利用效率。一次能源利用率定义为系统的总输出能量与系统的一次能源消耗量。表1为燃气机制冷空调系统和常规供冷/热系统的一次能源利用率的计算结果。燃气机机组的计算以测试结果为依据，常规机组的一次能源利用率的计算参照市场上通用机组的参数：发电和输配电的效率为30%，燃气锅炉的供热效率为85%，电制冷机组的COP为4.5。表1 一次能源利用率计算结果 系统供冷系统供冷/热燃气机机组电制冷机组燃气机机组电制冷+锅炉供热PER1.871.351.971.18表1表明燃气机制冷空调机组两种工作工况下的能源利用率均比常规的供冷/热机组高。对供冷系统而言，燃气机机组的一次能源利用率是常规电制冷机组的1.39倍；而对冷热联供系统，燃气机机组的一次能源利用率为常规电制冷+锅炉供热系统一次能源利用率的1.67倍。可见燃气机制冷空调机组可大幅度提高能源利用率，节省运行费用。6 存在的问题燃气机制冷空调机组与常规电制冷机组相比在能源的有效利用等方面具有一系列优点，但也存在一些问题需解决。由于燃气机本身和其排气噪音的影响，使得燃气机制冷空调机组的噪音比常规制冷空调机组的噪音大；机组的外形尺寸大；系统的控制系统比较复杂，需有燃气机调节和压缩机协调控制技术；维护保养也比电制冷机组复杂。目前燃气机空调机组的研究主要就集中在以上几个方面。7 结束语燃气机制冷空调机组的样机测试结果表明，燃气机制冷空调系统由于充分利用了发动机的余热，系统的一次能源利用率大幅度提高，与常规制冷/热机组相比一次能源节省率在38%以上。由于燃气机制冷空调机组的燃气机的转速连续可调，从而实现机组负荷的连续可调，并确保机组在部分负荷下高效运行。燃气机制冷空调机组利用清洁的燃气作