空气源燃气热泵空调系统的应用研究

空气源燃气热泵空调系统的应用研究1引言燃气热泵(GasEngineDrivenHeatPump，以下简称GEHP)是以燃气机作为动力来驱动的压缩式热泵。燃气热泵是一种很有前途的装置，除了供应热水外，还能用于采暖和制冷。日本等一些国家已经研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃气热泵[1]。随着天然气等清洁能源在我国的广泛使用，燃气热泵作为一项高效节能的重要末端设备将得到广阔的应用。空气作为低温热源，可以取之不尽，用之不竭，到处都有，可无偿取得。而且空气源热泵装置的安装和使用也都比较方便。但是空气参数随地域和季节、昼夜均有很大变化，这对热泵机组的容量和性能系数影响较大。本文对燃气热泵进行了热力学第一定律分析、火用分析和能级分析，并对空气源供热/制冷型燃气热泵空调系统在我国的应用进行了探讨。2燃气热泵的工作原理燃气热泵的工作原理是：把燃气(包括天然气、液化石油气、煤制气或沼气等)送入内燃机，由内燃机把燃气燃烧后释放的热能转化成动力来驱动热泵系统的压缩机，从而实现热泵系统的逆向热力学循环，达到把低温位热能输送到高温位供给使用的目的。燃气燃烧后所产生的高温位热能，只有一部分通过内燃机转化为机械能，其余则以废热(包括排烟热、气缸冷却水及机油带走的热量)的形式排入环境。对于在供热模式下运行的热泵，正好可将这些废热加以回收利用，从而进一步提高系统的制热性能。图1燃气热泵供热模式的工作原理示意图空气源燃气热泵的主要型式有空气/空气和空气/水。图1为燃气热泵供热模式的工作原理示意图。如图所示，待加热流体在冷凝器中升温后，再依次通过燃气机的冷却水回收器和排气回收器，达到一定温度后送至用户使用。3燃气热泵的热力学分析3.1第一定律分析热泵系统的能量指标通常用制热系数COP和一次能源利用率PER(PrimaryEnergyRatio)来衡量。燃气热泵在供热时的COP可用下式表示：式中：Qc──冷凝放热，kw；Qr──被加热流体从燃气机废热中得到的热能，kw；N──供给热泵系统的机械能，kw。COP虽然可表达热泵的制热性能，但不能反映热泵原动机转化效率等因素，因而不能全面反映热泵系统的能源利用效率。所以我们常采用一次能源利用率PER的指标来比较不同设备的性能。燃气热泵的一次能源利用率PERGEHP可用下式表示：式中：Q1──输入燃气机的热量，kJ/s。引入燃气机废热回收率a的概念。a被定义为所回收的燃气机废热量与燃气机总废热量之比。按照此定义：所以式(2)又可以写为：式中：hg──燃气机的发动机效率；COPHP──不考虑废热回收的热泵系统的性能系数。一般可取a=0.6，hg=0.30。如取电力生产和输配总效率为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]。则如图2所示，供热模式下这几种装置中燃气热泵在供热时一次能源利用率最高。在供热模式下运行的燃气热泵，其系统的火用效率ξsys如下：式中：Ec──被加热流体从冷凝器得到的火用，kw；Er──被加热流体从燃气机热泵废热得到的火用，kw；Ef──输入燃气机的燃料火用，kw；Ea,in──环境空气供给系统的火用，kw；Ew,in──待加热流体带入的火用，kw。设GEHP的供热温度为65℃，冷凝器出口温度为60℃，蒸发器空气入口温度为7℃，输入燃气机的燃料为5kJ/s，燃气机排烟温度为500℃，冷却水温为95℃，环境温度T0=293.15K，热泵工质为R134a。燃气热泵的系统及各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取电厂的火用效率为0.34，输配电火用效率为0.94，则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。3.3燃气热泵的能级分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Ωin为：那么输入和输出的能级差ΔΩ=Ωin-Ωuse=0.07。这表明燃气热泵的能量利用过程是比较合理的。从燃气热泵的热力学第一定律、火用分析和能级分析中，我们可以知道燃气热泵具有高的热力学完善性，能量利用过程也比较合理。4空气源燃气热泵容量的确定随着环境空气温度的变化，热泵的供热量往往与建筑物的供热负荷相矛盾。即大多数时间内均存在供需的不平衡现象，如图4所示。建筑物的耗热量在建筑物内温度一定时，与环境温度t0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t0成曲线CD。曲线CD与直线AB相交于O点。在此温度下，热泵的供热量等于建筑物的耗热量，此温度称为平衡点，记为ta。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建筑物的耗热量，供热有富裕。当环境温度低于平衡温度时，曲线CD低于直线AB，表现为供热量不足，不足部分由辅助加热设备提供。平衡温度ta取决于室内外的温差、建筑物本身的传热特性和热泵的容量。如当建筑物保温性能较好，直线AB向左移，成为直线A′B′。它与曲线CD交于O1′，使平衡点温度左移。若热泵容量降低，曲线CD成为C′D′，它与直线AB交于O2′，使平衡点温度右移。一般在热泵设计时，应选定该工程的经济合理的平衡点以便配置热泵主机的额定容量，如果所选取的t0与当地最低环境温度(通常指冬季采暖设计温度)相等，虽能保证最低温度时能满意地供热。但在其他室外温度时，供热量富裕而造成浪费，很不经济，所以要将平衡点温度取得高于室外冬季采暖设计温度，以保证压缩机选配的容量不致过大，并在大部分时间能在较高的效率下运转。这样不仅初投资可以节省，运行费用也较节约。由于空气源热泵的制热系数是随室外温度的变化而变化，所以只考虑某一特定工况的制热系数是不够的。这时可用季节性能系数SEER(SeasonalEergyEfficiencyRatio)和HSPF(HeatingSeasonalPerformanceFactor)来评价热泵。其中HSPF取决于供热设计负荷和热泵提供的热量之比(供热负荷系数)，当地室外温度分布频率和热泵本身的运行性能。一般认为，热泵容量按供热负荷系数1.7左右设计是比较可行和经济的。一般来说，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，依据当地气温计算出所需的辅助加热量及制热季节性能系数HSPF。5应用分析我国的气候特征普遍表现为冬季长而无严寒。每个区域内低于-11.7℃的采暖天数，除哈尔滨地区(小于60天)外，都不超过45天。其中黄河流域低于18℃的天数约为220天，低于5℃的天数约为124天，而低于-9℃的天气只有9天。长江流域低于18℃的天数约为187天，低于5℃的天数约为60天，而低于-3℃的天气只有3天[3]。表2为供热/制冷型空调冷热负荷和地区关系[4]。从表中可以看出，我国东北地区，冬季严寒，夏无酷暑，作为室外温度函数的冷热负荷相差较大。若考虑全年空调，热泵设计为供热型，则它的热容量对冷容量显得太大；而按空调型的热泵设计在冬季供热其热容量显得太小。所以，为使热泵冷热负荷匹配良好，必须在冬季设辅助热源，以在低温环境时补充制热量的不足。由于燃气锅炉在环保方面有明显优点，且体积小，司炉工作环境好。另外其一次能源利用率也较燃煤锅炉高，所以可以采用燃气锅炉作为辅助加热系统。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热泵进行供热和制冷。由于燃气热泵可以较好的实现变速调节负荷，其部分负荷特性较好，在50%~70%负荷范围具有较高一次能源利用率。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，且国家规定不采暖。但是这部分区域冬季虽然温度不太低，但是湿度较大，冬季比较阴冷。随着人们对舒适性的要求提高，仍然有采暖需求。这时采用燃气热泵应按空调型设计。在华南地区则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使用电力，所以夏季是空调用电高峰期，造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。而在夏季却是燃气消费低谷，所以发展燃气热泵具有缓解电力紧张、调节燃气季节平衡和提高天然气需求总量等优势。6东北地区的机组运行在东北地区，冬季需设燃气锅炉进行辅助加热。当环境温度低于平衡点温度时，机组的运行方式有两种。一是并联运行，即燃气锅炉开始运行，而热泵仍然提供一部分热量；二是交替运行，即热泵完全停下，所需热量全部由锅炉装置供给。假设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Q1，供给热泵系统的机械能为N。那么系统的供热性能系数HSPF为：由图2可知供热时，燃气热泵的一次能源利用率为1.5，远高于燃气锅炉的0.85。所以并联运行比交替运行的能源利用高。但是考虑运行成本和初投资，虽然燃气热泵的运行成本较低[2]，但燃气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。另外在低温环境下对热泵机组的使用有损害。所以综合考虑，本文认为东北地区，冬季采暖系统应采取交替运行方式。7结论空气源燃气热泵空调的应用应考虑热泵容量的确定和冷热负荷的匹配问题。在东北地区，冷热负荷相差较大，在外界温度较低时，必须设燃气锅炉作为辅助热源。虽然燃气热泵有较高能源利用率，但是综合考虑，建议采取交替运行方式。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泵进行供热和制冷，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计。在华南地区发展燃气热泵具有缓解电力紧张、调节燃气季节平衡和提高天然气需求总量等优势。热力学分析还表明，燃气热泵具有高的热力学完善性，其能量利用过程也比较合理。随着“西气东输”等工程的进行，天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得到广泛的重视和应用。参考文献1GHP便览[M]．东京：株式会社石油化学出版社，19942杨昭，赵义，李丽新，等．五种供热空调系统的技术经济分析及建议[J]．制冷学报(总86期)，2000，(4)：43~483徐邦裕，陆亚俊，马最良．热泵[M]．北京：中国建筑工业出版社，19884吕灿仁，马一太，高顺庆，等．供热/制冷型热泵对京津地区公用建筑冷热供应的节能研究[J]．能源，1984，(1)：17~18．5谢英柏，马一太，杨昭，等．燃气机热泵的热电冷三联供系统分析[J]．工程热物理学报，2002，23(3)：283~2856马一太，谢英柏，杨昭．燃气机热泵在我国的应用前景[J]．流体机械，2002，39(1)：55-587谢英柏．燃气机热泵总能系统的理论分析与试验研究：[博士学位论文]．保定：华北电力大学，20038范存养，龙惟定．空气热源热泵的应用与发展[J]．暖通空调，1994，24(6)：20~249杨东华．火用分析和能级分析[M]．北京：科学出版社，198610[联邦德国]赫贝特．尤特曼著，耿惠彬译．热泵(第三卷)燃气机和柴油机热泵在建筑物中的应用[M]．北京：机械工业出版社，198911蒋能照主编．空调用热泵技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，1999