空气源燃气热泵空调系统的应用研究

1、空气源燃气热泵空调系统的应用研究引言燃气热泵 （Gas Engine Driven Heat Pump, 以下简称 GEHP） 是以燃气机作为动力来驱动的紧缩式热泵。燃气热泵是一种很有出路的装置，除了供应热水外，还能用于采暧和制 冷。日本等一些国度曾经研制成功了用于住宅采暧和供冷的燃气热泵。随着自然气等清洁动力在我国的普遍运用，燃气热泵作为一项高效节能的重要末端设备将失掉宽广的运用。空气作为高温热源，可以取之不尽，用之不竭，四处都有，可无偿取得。而且空气源热泵装苣的装宜和运用也都比拟方便。但是空气参数随地域和时节、昼夜均有很大变化，这对 热泵机组的容量和功用系数影响较大。本文对燃气热泵停止了热

2、力学第一泄律剖析、火用剖析和能级剖析，并对空气源供热 / 制冷型燃气热泵空调系统在我国的运用停止了讨论。燃气热泵的任务原理燃气热泵的任务原理是：把燃气（包括自然气、液化石油气、煤制气或沼气等）送入内燃机，由内燃机把燃气熄灭后释放的热能转化成动力来驱动热泵系统的紧缩机，从而完成热泵 系统的逆向热力学循环，到达把高温位热能保送到高温位供应运用的目的。燃气熄火后所发生的高温位热能，只要一局部经过内燃机转化为机械能，苴他那么以废热（包括排烟热、气缸冷却水及机油带泄的热量）的方式排入环境。关于在供热形式下运转的 热泵，正好可将这些废热加以回收应用，从而进一步提高系统的制热功用。冷却水回收器、1广三一冷凝

3、器一7燃气输入2彳意气机节?京阀压缩机 ?蒸发器厂_1 空气热源高温流体回收器(至用 户)图1燃气热泵供热形式的任务原理表示图空气源燃气热泵的主要型式有空气/空气和空气/水。图1为燃气热泵供热形式的任务原理表示图。如下图，待加热流体在冷凝器中升温后，再依次经过燃气机的冷却水回收器和排气回收器，到达一立温度后送至用户运用。3燃气热泵的热力学剖析第一宦律剖析热泵系统的能量目的通常用制热系数 COP和一次动力应用率PER(Primary EnergyRatio)来权衡。燃气热泵在供热时的 COP可用下式表示：Qc + QrCOPgsh?=(1)式中：Qc 冷凝放热，kw ;Q. 一被加热流体从燃气机

4、废热中失掉的热能，kw :N供应热泵系统的机械能，kwocop虽然可表达热泵的制热功用，但不能反映热泵原动机转化效率等要素，因此不能片而反映热泵系统的动力应用效率。所以我们常采用一次动力应用率 PER的目的来比拟不同 设备的功用。燃 气热泵的一次动力应用率PERgehp可用下式表示：PERGEHPCl式中：Qi 5入燃气机的热量，kJ/Sc引入燃气机废热回收率a的概念。a被左义为所回收的燃气机废热量与燃气机总废热量 之比。依照此左义:所以式（2）又可以写为：PERGE观=丑X。上D应十0X（1 一五）式中：hg一燃气机的发起机效率;COP hp 一不思索废热回收的热泵系统的功用系数。普通可取a

5、=0.6, hg=0.30e如取电力消费和输配总效率为 33%,电动热泵COP等于3.4，燃气热泵的COP为3.6,燃煤锅炉效率70%,燃气锅炉效率85%,电锅炉效率98% 2。那么如图2所示，供热形式下这几种装置中燃气热泵在供热时一次动力应用率最高OE2几种供迩装置的1次能涯利用率比较在供热形式下运转的燃气热泵，具系统的火用效率Esys如下：式中：Ec被加热流体从冷凝器失掉的火用，kw ；Er彼加热流体从燃气机热泵废热失掉的火用，kw ；Ef入燃气机的火料火用，kw ；Ea.in -环境空气供应系统的火用，kW :Ewjn待加热流体带入的火用，kw.设GEHP的供热温度为65 C,冷凝器出口

6、温度为60C,蒸发器空气入口温度为7C,输入燃气机 的堰料为5kJ/s,燃气机排烟温度为500 C,冷却水温为95 C,环境温度T0=293 ? 15K,热泵工质 为R134乳 燃气热泵的系统及冬部件的火用效率如表 1所示。表1燃气热泵的系统及各部件的火用效率部件燃气机热泵冷却水排气火用效率0.30. 580.810.240.34取电厂的火用效率为0.34,输配电火用效率为0.94,那么燃气热泵与电动热泵、锅炉 的系统火用 效率如图3所示。从图中可以看出燃气热泵的火用效率最高。困3几稗供热装置的火用效率比枝3.3燃气热泵的能级剖析燃气热泵系统的输入为燃料，外界空气的热量，所以输入的能级Qin为

7、:=0.265 + 0.6 +1.495+3.9 +用尸的能级为那么输入和输入的能级差 H=QkQ e=0 ? 070这说明燃气热泵的能量应用进程是比 拟合理的。从燃气热泵的热力学第一泄律、火用剖析和能级剖析中，我们可以知道燃气热泵具有高的热力学完善性，能量应用进程也比拟合理。4空气源燃气热泵容量确实定随着环境空气温度的变化，热泵的供热量往往与修建物的供热负荷相矛盾。即大少数时间内均存 在供需的不平彳奥T现象，如图4所示to匕1卜匕飞因4空气源热泵供啜的采统特性修建物的耗热量在修建物内温度一定时，与环境温度 to成直线AB。热泵制热量在维持 室内冷凝 温度不变时，与环境温度tO成曲线CD。曲线

8、CD与直线AB相交于0点。任此 温度下，热泵的供 热量等于修建物的耗热量，此温度称为平衡点，记为乜。当环境温度高于平衡温度时，曲线 CD高于直线AB,所以热泵的制热量大于修建物的 耗热量，供 热有富有。当环境温度低于平衡温度时，曲线 CD低于直线AB,表现为供热疑 缺乏，缺乏局部由辅佐 加热设备提供。平衡温度ta取决于室内外的温差、修建物自身的传热特性和热泵的容量。如当修建物保温功用较好，直线 AB向左移，成为直线AzBzo它与曲线CD交于OF,使平衡点温 度左移。假左热泵容量降低，曲线 CD成为CTT,它与直线AB交于。2 ；使 平衡点温度右移。普通在热泵设汁时，应选定该工程的经济合理的平衡

9、点以便配置热泵主机的额外容量，假设所选取的to与外地最低环境温度(通常指复季采暧设计温度)相等，虽能保证最高温度时能满意地供热。但在其他室外温度时，供热量富有而形成糜费，很不经济，所以要将平衡点温度取得高于室外夏季采暧设讣温度，以保证紧缩机选配的容量不致过大，并在大局部时间能在较高的效率下运转。这样不只初投资可以肖省，运转费用也较浪费。由于空气源热泵的制热系数是随室外温度的变化而变化，所以只思索某一特左工况的制热系数是和 HSPF(Heating不够的。这时可用时节功用系数 SEER(Seasonal Eergy Efficiency Ratio)来评价热泵Seasonal Performan

10、ce Factor)MEER空i周季节的忌削冷璧 空调于节热泵砒耗的总能厘?)(9)FiSPF -洪悠季节的肆制悠 1铺勖思制迪璧洪热浮节热泵泊耗的总能崖+ 于节耦助胆热吊耗总能麴英中HSPF取决于供热设讣负荷和热泵提供的热量之比（供热负荷系数），外地室外温度散布频率和热泵自身的运转功用。普通以为，热泵容量按供热负荷系数1.7左右设计是比 拟可行和经济的。普通来说，热泵机组容量的选择，目前通常以夏季制冷量的容量（SEER）为依据，再推 出平衡温度，依据外地气温计算出所需的辅彳交1口热量及制热时P功用系数HSPF。5运用剖析我国的气候特征普遍表现为夏季长而无严寒。每个区域内低于-11.7 4c的

11、采暧天数，除 哈尔滨地域（小于60天）外，都不超越45天。其中黄河流域低于18 C的天数约为220天，低于5 C的天数约为124天，而低于-9 C的天气只要9天。长江流域低于18 C的天数约为187天，低于5 C的天数约为60天，而低于-3 C的天气只要3天。表2为供热/制冷型空调冷热负荷和地域关系。表2供热/制冷型空调冷热负荷和地区关系地区代表城币热泵工况乜供热/制冷燃气热泵出 力冷热负 荷比值血热）采履通凤天数夏季COPe/COP冬夏东北16-2922274.572. 0952.180.35920050萤河 谎域天逮1622304.1332.941.40.875155105长江 流域上湾1

12、622323 8743. 0461.2721.6T6120110华南厂州16622314 01?3. 8691.0428.1250180相差较大。从表中可以看出，我国西南地域，夏季严寒，夏无严冬，作为室外温度函数的冷热负荷 假定思索全年空调，热泵设计为供热型，那么它的热容量对冷容量显得太大：而 按空调型的热泵设计在夏季供热其热容量显得太小。所以，为使热泵冷热负荷婚配良好，必 需在夏季设辅佐热源，以在高温环境时补充制热量的缺乏。由于燃气锅炉在环保方而有清楚优点，且体积小，司炉任务环境好。另外英一次动力应用率也较燃煤锅炉高，所以可以采用燃气锅炉作为辅佐加热系统。在黄河流域供热 / 制冷负荷基本平衡

13、，这时可以直接采用燃气热泵停止供热和制冷。由于 燃气热泵可以较好的完成变速调理负荷，其局部负荷特性较好，在50%70% 负荷范用具有较高一次动力应用率。所以在黄河流域燃气热泵可设计为供热型。在长江流域制冷负荷高于供热负荷，且国度规则不采暧。但是这局部区域夏季虽然温度 不太低，但是湿度较大，夏季比拟阴冷。随着人们对温馨性的要求提高，依然有采暧需求。这时采用燃气热泵应按空调型设汁。在华南地域那么制冷负荷远高于供热负荷，且制冷天数较长。由于目前我国的房间空调 器大多运用电力，所以夏季是空调用电高峰期，形成夏季短期集中高负荷，使城市电网不堪重负，出现拉闸限电现象。而在复季却是燃气消费低谷，所以开展燃气

14、热泵具有缓解电力紧张、调理燃气时节平衡和提高自然气需求总量等优势。6西南地域的机组运转在西南地域，夏季需设燃气锅炉停止辅佐加热。当环境温度低于平衡点温度时 .机组的运转方式有 两种。一是并联运转，即燃气锅炉末尾运转，而热泵依然提供一局部热量：二是 交替运转，即热泵完全 停下，所需热量全部由锅炉装亶供应。假左燃气锅炉的输入总能量为 Q2,效率为hb,燃气热泵的输入总能量为 Qi,供应热泵 系统的机械 能为N。那么系统的供热功用系数 HSPF为：另。/扯+2: 2汁3+2:加XQ.砌(10)qeopg皿 y n 唇 +E 伽 X e2. i 创曲 PF =di)0.85 。所以并联运钱较低，但燃气

15、Q十Q由图2可知供热时，燃气热泵的一次动力应用率为 1? 5,远高于燃气锅炉的 转比交替运转的动力应用高。但是思索运转本钱和初投资，虽然燃气热泵的运转本 热泵的初投资比燃气锅炉要高出近 7倍，且设备维护费用较高。另内在 高温环境下对热泵机组的运用 有损害。所以综合思索.本文以为西南地域，夏季采暧系统应 采取交替运转方式。7结论空气源燃气热泵空调的运用应思索热泵容量确实左和冷热负荷的婚配效果。在西南地域，冷热负荷相差较大，任外界温度较低时，必需设燃气锅炉作为辅佐热源。虽然燃气热泵有较高动力应用率，但是综合思索，建议采取交替运转方式。在黄河流域供热 /制冷负荷基 本平衡，这时可以直接采用燃 气机热

16、泵停止供热和制冷，并按供热型设计。在长江流域制冷负荷高于供热负荷，这时采用燃气热泵应按空调型设汁。在华南地域开展燃气热泵具有缓解电力紧弓H、调理燃气时节平衡和提高自然气需求总量等优势。热力学剖析还说明，燃气热泵具有高的热力学完善性，其能量应用进程也比拟合理。随 着“西气 东输”等工程的停止，自然气在我国的消耗比重将逐渐加大。燃气热泵作为一种高效节能的末端设备必将在我国失掉普遍的注重和运用。参考文献GHP便览M.东京：株式会社石油化学出版社，1994杨昭，赵义，李丽新，等. 五种供热空调系统的技术经济剖析及建议 J . 制冷学报( 总86 期) ， 2000, (4)： 4348徐邦裕，陆亚俊，马最良. 热泵 M . 北京：中国修建工业出版社， 1988吕灿仁，马一太，高顺庆，等. 供热 / 制冷型热泵对京津地域公用修建冷热供应的石 能研讨J .动力， 1984, (1)： 171 &谢英柏，马一太，杨昭，等. 燃气机热泵的热电冷三联供系统剖析 J . 工程热物理 学报，2002, 23(3)： 283-285马一太，谢英柏，杨昭 . 燃气机热泵在我国的运用前