上海某办公楼空调系统毕业设计含计算书5

燃气机热泵空调系统之能源节约摘要：燃气机热泵空调系统(GEHPAC)的主要功能是保持房间温度和控制房间的湿度。在夏季，燃气发动机中的废热水可以加热空气，而在冬季，废热水以加热和加湿空气。电加热的降低和取代能够最大程度的节能。因此，本文目标是通过使用燃气机余热提高空调系统的能源效率。用次级换热器，喷水室，混合气的数学模型研究了GEHPAC。明确的，我们研究了各种因素的影响，包括夏季和冬季室外空气温度和湿度。研究结果表明，GEHPAC能比电热泵节省更多的能源。GEHPAC在部分负荷模式中运行的更佳漂亮。冬季的PERX高于夏季。夏季的最大PERX值超过1.6，而冬季的PERX超过1.9。与普通GHEP相比，能够控制房间湿度的GEHP可用在更多的地方。引言电力热泵空调系统（EEHPAC）包括，一个电力热泵（EEHP），一个换热器，一个电加热器，一个喷雾室和一些辅助设备，如风机，水泵等。电加热器的热量抵消一些EEHP的冷却能力。带有转轮除湿的复合空调系统[1,2]可以单独去除潜热负荷，因此可以节省能源。但它比一般的AC系统更昂贵。由燃气机热泵[3-6]是一种新型热泵系统。GEHP的一个好处是减少酷冷和酷热季节时的电力消耗。另外GEHP的两个突出的优点是：（1）能够回收供热模式下发动机缸套和排烟释放的废热（2）通过调节供气量很容易控制压缩机转速[4，5]。因此GHEP有不同于EEHP的性能，尤其是在供热模式时。当GEHP运行时，发动机的运行会产生大量废热。许多研究人士[7-13]研究过GEHP，他们大部分的注意力都投入到了系统的整体能源效率和单位经济方面通过场测试。这些调查中极少数是关于GEHP系统建模，更少有研究关注于一部分关注于把燃气发动机余热应用于空调系统。王[14]和张[15]用它来驱动吸附式制冷。但是，该系统是复杂和昂贵。本文中提出的GEHP中，废热用来调节一年四季房间内的空气湿度。在冬季废热可以用来加热空调室，而且在寒冷的冬季余热还可以除霜。显然，跟普通的GEHP比起来本文的GEHP可以用在更广泛的区域。系统描述图1显示了一个回风系统GEHPAC的工作流程。图2显示的一次回风系统EEHPAC的工作流程。GEHPAC系统的核心是由燃气发动机驱动的压缩式热泵。用发动机费热可以给第二交换器的热水和喷水室加热。新风在进入主换热器之前与回风混合。然后混合气体进入房间之前被主热交换器、第二热交换器和喷房处理。在夏天，这个过程是冷却/除湿和加热。在冬季，这个过程是加热和加湿/加热。要注意，在夏季，为了满足温度的要求除湿之后需要再热，这个是由室内温度和相对湿度设定值来确定的。这种情况下，GEHPAC在冷却盘管后面安装第二个换热器能够提供一些再热能量。与EEHPAC相比，这种方法通过取消电加热器减少能源消耗。最后一个装置就是喷水室，它可以提供水增加空气湿度，冬季通过它能够达到空气湿度要求。为了利用废热，第二热交换器和喷水室与发动机连接在一起。它们的主要功能是保持房间的温度和控制房间的湿度。因此，GEHPAC的能源消耗要比EEHPAC要少。在炎热而且潮湿的夏季，混合空气通过电加热器由露点温度加热到送风温度。在寒冷的冬季，EEHP不能给空调室提供足够的热量时电加热器可作为辅助加热器。这两种模式是浪费电能的，因此他们不能做到节约能源。在干燥的冬季，如果需要给房间加湿，空调系统需要设有加湿器，而加湿器有消耗电能的或消耗其他能源的。此外，第二热交换器的热量是由燃气发动机产生的余热提供，而不是电加热器。从燃气发动起产生的费热还可以利用在喷水室，从而达到给混合空气加热和加湿目的。因此燃气发动机的费热可以用来调节室内温度和湿度，也就是说GEHPAC可以节省能源。此外，它的也很简单。命名A传热面积（m2）B耗油(m3s1)Cw水的比热(kJkg1K1)Cpa空气体积不便时的比热(kJkg1K1)Cpr废气体积不便时的比热(kJkg1K1)d(l)室内空气湿度(gkg1)dw(l)补充水分质量(gkg1)Fz传热面积(m2)Gw水流量(kgs1)Ga空气消耗量(kgs1)G气流量(kgs1)hc混合空气的焓(kJkg1)ho新空气的焓(kJkg1)hL露点空气的焓(kJkg1)K导热系数(Wm1K1)Kz总传热系数(Wm1K1)K1,K2,K3和K4比例因子LHV天燃气低热值(kW)PERxGEHPAC初级能源Q热通量(kW)Qb天燃气总热量(kW)Qe有效轴功率(kW)Qr燃气发动机余热(kW)Qs热损失(kW)Qw汽油发动机内冷却水余热(kW)QcGEHP冷却能力(kW)QhGEHP加热能力(kW)T(l)室内空气温度(8C)Tw(l)室内水温(8C)Tpa发动机进气温度(8C)Tpr废气出口温度(8C)T3室外温度(8C)T4室内温度(8C)T2水冷发动机出口温度(8C)T1水冷发动机进口温度(8C)W压缩机轴电源(kW)Dtm对数平均温差(8C)v发动机转速(rpm)关于理论模型的计算讨论为了简单的比较和分析GEHPAC和EEHPAC的能源消耗，建立了一些数学模型。房间的传输负载如下：其中Q为热通量，A为传热面积，K为导热系数，T3是室外温度，和T4是室内温度。第二换热器中空气和水之间的热交换的描述如下：KZ是总传热系数，DTM是对数平均温差和Fz是传热面积。空气和水在喷水室内能量交换方程可以写成其中T（L）是会议厅内的空气温度，D（L）是会议厅内的空气湿度，DW（L）是补充水分量，TW（L）是在室的水温，，K1，K2，K3和K4是比例因子[16]。发动机的总燃料耗量，可以由下列公式计算[17]：其中B是燃料好靓，QB是从天然气的总热量，LHV是天然气低热值，在单位时间内的燃料热值可以通过计算在低热值来计算。[17]。其中v是发动机的转速，W是压缩机的轴功率。换热器回收余热[18]模型可以用天然气发动机的能量平衡来描述：QE是有效的轴功率，QR是从燃气发动机排气回收的余热，QS是热损失，QW是从燃气发动机冷却水回收的余热。从发动机的冷却水回收的热量是GW是水的流速，CW是水冷发动机的比热，T2是水冷发动机的出口温度，T1是水冷发动机的进气温度。发动机废气热值是其中GA是空气消耗量，Cpa是空气体积不变时比热值，CPR是定容热废气，TPA是发动机进气口的空气温度，TPR是废气出口温度。加热时发动机的转速和负载会因系统热负荷的变化而变化。因此，轴工作，冷却水和废气的热量将发生变化，但处在一定给定时间间隔时可以把他们视为常数。GEHP的冷却能力和加热能力：其中QC是GEHPAC的冷却能力，G是空气流速，HC是混合空气的焓，hc是送风焓，QH是GEHPAC的供热能力，HL是空气露点焓。系统中的制冷剂是R134a。核心GEHP的数学模型为图号[6]。PER[6]显示GEHP性能：PER=有用的能量/初级能源（13）同样，PERX、GEHPAC的初级能源率的定义为：PERx=空气中的热和潜热/热水中的热量（14）EEHP的性能：COPex=空气中的热量和潜热/压缩机和再热器的电能（15）EEHPAC的初级能源率：PERex=空气中的热和潜热/EEHPAC的初级消耗能源（16）结果与讨论本文对天津的一所配有GEHPAC的办事处进行了研究。办公面积为150平方米。在夏季，冷负荷和湿负荷为20千瓦和12公斤/h,而新空气的流量为900立方米/小时。在冬季，热负荷和湿负荷为15千瓦和-8公斤/小时，而新空气的流量为500立方米/小时。天然气发动机为一缸，四个行程，其速度可以调整在1000和4000转之间。在设计条件下，GEHPAC和EEHPAC能量消耗量为表1和表2所示。在夏季，制冷剂在GEHPAC质量通量比EEHPAC少。性能参数与EEHPAC相同。但是第二热交换器的加热是利用余热而不是电热，因此使压缩机节约能源41.7%，且使GEHP节能57.3%。在冬季，在GEHP制冷剂的质量流量减少44.4％。压缩机的性能系数可提高27.5%。压缩机和GEHPAC可节约能源52.1%和65.1%。Figs.3和4是用来比较夏天室外空气干球温度和相对湿度的百分比。热交换室和室外空气的冷负荷受室外空气干球温度的影响。由于室外空气干球温度上升，热交换室的冷负荷和GEHP的冷却能力也相应上升，因此空气流速变大在热值也上升。新空气的温度上升导致主换热器的制冷量也增加。再加热的能量越多，交流系统中的冷量越多，而且GEHP节省的能源也越多。结果表明，GEHPAC可以节省60.5％的能源。Figs.1.一次回风GEHPAC热交换室内负载的变化导致室外空气湿度上升，空气流速增加，再加热值上升。结果表明，GEHPAC可以节省73%以上的能源。Figs.2和3还表明，室外空气湿度给GEHP的节能性能带来的影响要大于室外空气干球温度的影响。当GEHP运行在潮湿的地方，它可以节约更多的能源。Figs.2.一次回风EEHPAC表1.夏季能量消耗分析参数结果GEHPACEEHPAC蒸发温度/C2.12.1冷负荷/kW33.533.5热负荷/kW13.513.5压缩机初级能源消耗/kW158.75系统主要能源消耗/kW20.58.75制冷剂质量流量/kg/s1.11.1EER3.23.2PERx0.611.29制冷剂质量流量跌幅/%0COP上升率/%0压缩机的初级节省能源/%41.7系统的初级节省能源/%57.3表2.冬季能量消耗分析参数结果GEHPACEEHPAC冷凝温度/C5040冷负荷/kW159.7热负荷/kW5.310.5压缩机初级能源消耗/kW11.75.6系统的初级能源消耗/kW16.055.6制冷剂质量流量/kg/s0.90.5COP45.1PERx0.81.9制冷剂质量流量跌幅/%44.4COP上升率/%27.5压缩机初级节省能源/%52.1系统初级节省能源/%65.1Figs.5和6表明，在冬季，室外空气干球温度和相对湿度的节能比例在发生变化。喷射室的热负荷与新空气参数会受到室外空气干球温度的影响。随着室外空气干球温度上升，空气流速和再加热值也同时上升。新空气温度下降，提高了主换热器的供热能力。此外，当室外空气干球温度是在-15到5℃的时候EEHPAC的室外热交换器会结霜。而GEHPAC在冬季从不结霜。冻土地区的节能比例要高于其他地区。当室外相对湿度达到65以上%，EEHPAC的热交换器会结霜，而GEHPAC不会。因此，在这种地区的节能量要远大于其他地区。计算结果表明，GEHPAC的最大节能率超过70%。Fids.7所示的是岁发动机转速变化的PERx值。随着发动机转速降低，PERx的GEHPAC上升。在这种负荷模式下发动机运行很完美。在这种完美的模式下，很容易调节房间的负荷。PERx值是冬季高于夏季。在夏季最大PERx值在1.6以上，而在冬季超过1.9。在这种系统模式下能源将被更完美的利用，这种系统在寒冷地区利用率将最佳。Fids.3.夏季节能百分比随室外空气干球温度的变化Fids.4.夏季节能百分比随相对湿度的变化Fids.5.冬季节能百分比随室外空气干球温度的变化Fids.6.冬季节能百分比随相对湿度的变化Fids.7.随发动机转速变化的PERx值结论数学模型包括第二换热器模型、喷水室模型、混合气模型、GEHP模型、天然气燃料发动机和余热回收换热器模型，用于研究GEHPAC系统。定义了空调的一次能源利用率(PERx)来评价其性能。分析结果表明，燃气机热泵比电力热泵可以节省更多的能源。在夏季，GEHP的初级能源节省率为60.5%。随室外空气干球温度上升和相对湿度上升，节能比例也上升。在冬季，GEHP的初级能源节省率为70%。在冻土地区的节能率高于其他地区。相对湿度在冻土地区时，比在其他地区时GEHPAC能节省更多能能量。随着发动机的转速降低，GEHPAC的PERx也上升。在部分负荷模式下，GEHPAC在运行的更好。冬季的PERx值高于夏季。夏季PERx最大值在1.6以上，在冬季最大值在1.9以上。与普通的GEHP相比，能控制房间的湿度GEHP能用在更多的区域。AcknowledgementsThisprojectissupportedbytheHi-techResearchandDevelopmentProgramofChina(2007AA05Z200),andbyNSFC(50376048),ScienceandTechnologySustainingProjectofTianjinCity(07ZCGYSF02600,07ZCGYSF01500).致谢本项目得到国家国家高技术研究发展计划(2007AA05Z200),和国际自然科学基金项目(50376048),天津市科技发展项目(07ZCGYSF02600,07ZCGYSF01500)的支持。References[1]J.R.Howell,J.L.Peterson,Preliminaryperformanceevaluationofahybridvaporcompression/liquiddesiccantairconditioningsystem,ASMEPaper86-WA/Sol.9,Anaheim,Calif,1986.[2]B.K.Parsons,A.A.Pesaran,D.Bharathan,Improvinggas-firedheatpumpcapacityandperformancebyaddingadesiccantdehumidificationsubsystem,ASHRAETransactions95(1989)835–844.[3]FurioCascetta,MaurizioSasso,SergioSibilio,Ametrologicalanalysisoftheinsituevaluationoftheperformanceofagasengine-drivenheatpump,Measurement16(1995)209–217.[4]M.D.d’Accadia,SurveyonGHPtechnology,ProceedingsoftheASMEAdvancedEnergySystemsDivision1(1998)313–323.[5]D.D.Colosimo,Introductiontoengine-drivenheatpumps—Concepts,approach,andeconomics,ASHRAETransactions93(Pt.2)(1987)987–996.[6]S.G.Zhang,Simulationandoptimummatchingstudyongasenginedrivenheatpumps,Ph.D.Thesis,TianjinUniversity,Tianjin,2003.[7]G.Nowakowski,G.Merten,J.Brogan,Fieldperformanceofa3-tonnaturalgasengine-drivenheatingandcoolingsystem,ASHRAETransactions(Pt.2)(1995)1382–1388.[8]J.L.WolfeVinton,R.P.Getman,Gasenginedrivenheatpumpperformanceinasouthernclimate,ASHRAETransactions101(Pt.2)(1995)1389–1395.[9]R.R.Zhang,X.S.Lu,S.Z.Li,Analysisontheheatingperformanceofagasenginedrivenairtowaterheatpumpbasedonasteady-statemodel,EnergyConversionandManagement46(2005)1714–1730.[10]Y.L.Li,X.S.Zhang,L.Cai,Anovelparallel-typehybrid-powergasengine-drivenheatpumpsystem,InternationalJournalofRefrigeration30(2007)1134–1142.[11]L.A.Shuze,W.G.Zhang,R.R.Zhang,Cascadefuzzycontrolforgasenginedrivenheatpump,EnergyConversionandManagement46(2005)1757–1766.[12]Z.W.Liana,S.R.Parkb,W.uangc,Conceptionofcombinationofgas-engine-drivenhe