燃气机热泵供暖过程的计算与

燃气机热泵供暖过程的计算与分析摘要：本文对驱动燃气机热泵的发动机余热产生规律进行了实验研究，并对燃气机热泵建立了一个计算模型。通过计算,分析了发动机余热对燃气热泵供暖过程的影响，着重分析了部分负荷下燃气机热泵的供暖过程的特点。以上海地区的气候条件和能源价格为基础，对燃气机热泵供暖的能耗和运行费用进行了分析比较。关键字：燃气机热泵余热能耗计算模型1引言天然气发动机驱动的热泵机组（GasEngine-DrivenHeatPump，以下简称燃气机热泵）已经在日本、美国和欧洲等国家得到了广泛的应用，然而在我国，这类热泵尚未开始推广应用。随着西气东输工程的顺利进行，以及电力峰谷差日益严重，以天然气作为制冷空调设备能源的燃气机热泵的应用开始受到重视。由于燃气机热泵冬季供暖时引入了天然气发动机的缸套和废气的余热，因此，在供暖模式下燃气机热泵与普通的电驱动热泵有较大的区别。本文对一台天然气发动机的余热产生规律进行了实验研究，并运用能量守恒的原理建立了燃气机热泵系统的稳态计算的模型。通过计算，分析了燃气机热泵冬季供暖过程的特点及运行能耗。2燃气机热泵供暖过程的计算模型该燃气机热泵属空气－水热泵机组，可进行供暖和制冷循环。进行供暖循环时，三通阀1和2均切换到余热回收的位置，热水吸收板式换热器热量后继续吸收发动机余热，然后将热量输送到热用户。由于燃气机的余热对热泵的供热影响较大，因此本文主要讨论燃气机热泵的供暖循环。2.1发动机余热计算模型由于发动机工作过程比较复杂，很难用纯粹的数学关系推导出发动机的余热计算模型。一些文献[1,2]提供了发动机余热的计算公式，但这些计算公式的通用性较差，仅适合于某一型式的发动机。本文采用实验的办法得到实际应用的燃气机热泵系统模型中所需的发动机余热数据。通过测出有关物理量，可以间接地计算出发动机的余热量。稳态工况下，发动机的工作状态同发动机的转速和转矩有关。当发动机的转速和转矩一定时，发动机的工作状态便确定。实验时，将发动机稳定在某一工作状态，然后测出发动机冷却水流量，冷却水进出口温度，废气排气温度，天然气流量，过量空气系数等数据。根据这些数据可以计算得到发动机的余热数据。图2~5为实验数据经过换算后得到的结果。图3废气流量随转速和扭矩的变化关系图4废气排气温度随转速和转矩的变化关系图5缸体冷却水流量和转速的关系从实验结果可知，发动机的缸体的余热量、废气流量和排气温度随着转速和扭矩的增加而增加。由于发动机冷却水循环泵由发动机带动，因此冷却水的流量仅同转速有关。对上述结果通过曲面插值和线性拟合的办法可以得到其它非测试状态点下的物理量，从而得到发动机余热计算所需的数据。2.2热泵系统计算模型热泵系统的热力模型主要考虑压缩机、蒸发器、冷凝器三大部件的能量平衡关系，节流过程认为是绝热过程。若忽略系统的热损失，那么压缩机的排热量、冷凝器的换热量和热水的吸热量应该相等，同样压缩机的产冷量、蒸发器的换热量和室外空气的放热量也应该相等。2.3模型的求解在燃气机热泵的结构参数确定，风机风量和水泵流量已知的情况下，联立上述所有方程便可以对模型进行求解。该模型有两种求解方式：（1）如给定发动机的转速，那么可以得到该转速下燃气机供热能力；（2）如给定系统要求的供热能力，那么可以计算出要求的供热能力下燃气机热泵转速。然后相应地可以得到燃气机热泵能耗、余热等其它量。由于风机水泵的能耗占系统能耗的比重相对较小，且固定不变，因此计算中不涉及这部分能耗。3燃气机热泵供暖过程计算与分析3.1供暖季节的热负荷的计算撞本文的目恭的主要是唉对燃气机忍热泵在整阀个供暖季庭节的工作包性能进行啄计算和分摧析，因此悲必须首先建确定建筑高的热负荷屠。为便于窗计算，假区设某建筑翻的热负荷港仅仅由室肥内外温差牛引起，那偶么在已知夕室内设计樱温度歪t姜n汉和室外设短计温度轿t片ou盏t件，垫d快以及设计举负荷些Q鸭d蛾的情况下谊，可以计析算出任意例室外温度智t严out针下该建筑榆的热负荷撕Q迎x花3.2誓点燃气机热纪泵供暖过响程特点畏燃气机热捞泵一个突蚀出的优点炸是就是燃下气机有良锦好的调速需性能，即景当负荷变弟动时，可卡以通过调赛节燃气机蓄的供气量吵来调节燃海气机热泵零的转速，塞以实现部较分负荷下隐燃气机热骗泵供热能预力的调节盾。需要指戴出的是，煮燃气机热脉泵的速度呈调节是有誓限制的，咳并不能任惭意调节，旨这与发动供机和压缩徐机的工作谣特性有关野。丧图扮6院为实验得巷到的发动猜机速摘度炒-蓝转矩特性绢曲线，即兼发动机的幻外特性曲恒线，和计谨算得到压车缩机的速突度顿-寇转矩特性们曲线。图晚中实线表裤示发动机叹在不同转君速下能提谅供的最大这转矩，而赴虚线表示爹负荷变动折时压缩机糊正常工作批需要的转凉矩。从图答中看出，朱当发动机镰转速低蹲于淡1200取r/mi非n店时，发动员机的最大态转矩已不阳足于提供赵压缩机所运需的室转矩，此袖时燃气机周热泵已无煌法正常工胞作。因此红，实际运颤用中，发铲动机存在缠一个最小晌稳定转速阔，燃气机佩热泵通过叨转速进行说能量调节慎时，转速屡不能低于膨这一最小体稳定转速鸭。根据这迟一情况，催为保证机宇组的稳定猜性，本文鼻计算中最帽小稳定转恢速淡取唇1400耐r/mi霸n驱，而低于剧这一转速研时采用压贫缩机卸缸折的办法进并行压缩机泛能量调节峰。龟图宏6豆棒发动机和可压缩机的乎速按度游-舍转矩特性赛图稼7价表示不同爬室外温度顷下的燃气烧机热泵热醋负荷、供详热量、发悄动机的余影热量、系版统一次能蹈耗的变化恳关系。限图让8算表示一次畅能利用率金的变化规完律，其中躬一次能源练利用率践PER锈的定义为赶系统实际岛所获得的月热量与系俊统消耗一搭次能的比斯值桑夏（皱1率9努）上式中策，域mi躁n但（巾Q野x嘱,Q草tota脸l鞭）表示当煤系统供热陈量大于热泰负荷时，果以热负荷僻作为实际会获得的热们量，而供胡热量小于代热负荷时符，以系统厨供热量作谎为实际获竞得的热量伏。从疾图具7味和嘉图睡8肺中可以看播出：亮（温1瓶）蔬蒜燃气机热粥泵供热量泡中，发动韵机的废热辅占相当大鼓的份额（策约占总供旺热量习的浆1/伸3惨）。因此高，即使在胀温度很低损的情况下术，燃气机滨热泵仍能般满足供热宝要求，不柜会出现供丰热量不足膜的情况。并废热量的披大小同发友动机的负哀荷和工作魂状态很有收关系。备图性8榆栋燃气机热邀泵的一次品能利用率阿（柳2拔）衫凝由于发动俯机存在最阵小稳定转震速问题，怀燃气机热想泵在室外址温度高掌于骂2稀℃朗时出现了浓供热量和嘱热负荷不必能匹配的晋现象。这黄时，发动节机已无法可通过转速枪来调节系酷统的供热而量。计算筋表明，热躁负荷率较乳高时，燃毛气机热泵享具备较好芳的负荷调阵节特性，劫供热量和属热负荷能娃较好匹配朋，系统也们有较高的胃一次能利假用率。但李随着负荷债率的降低闸，发动机猜转速被限援制在最小从转速下运蝶行，系统舌的一部分捡供热量被碧浪费，一洗次能利用熊率降低。替（滥3图）遵肚在负荷率躬较低时，狸采用的压姓缩机卸缸四的办法进劈行能量调师节对燃气杏机热泵能轨耗的改善仇不明显。泳从本文的奥计算结果骡来看，采肚用压缩机艘卸缸的能趋量调节方嗓式后，一鸭定程度上笛克服了能游耗上升的依趋势。进池一步分析兄表明，能穴耗不能降图低的原因激仍然是因驶为转速被岭稳定在最兽低转速下盘运行所致院。因此在度部分负荷秧较低的情涉况下，燃箩气机热泵若的一次能悟源利用率经较低。为芒使机组在腊低负荷下枕节能，采耻用叛启复/垦停控制方沉式进行能脊量调节仍诞然非常必穴要。泥3.3挺蜡燃气机热浮泵供暖的螺季节能耗断及运行费给用分析比庸较勾若考虑各回个温度下财空调运行辉的累积时捎间，可以伸计算出燃称气机热泵每冬季运行断时的能耗鄙。骄图槐9疲为根据上牙海地区空蛙调运行期脑间室外温毅度频率表数[5]沉计算的燃闲气机热泵志在冬季各巡个温度下光的运行能渡耗。可以傲看出能耗竖较高的点沿集中在室榴外温度威为哑5熔～意1歪0坊℃胖的区域，桥这是因为狡这个温度礼区域空调晴运行小时略数很多。浸将各个温图度下的能遥耗值累加娇起来，可类得到整个让供暖季节追燃气机热戏泵的能耗述量。赏图录9聪懂各个室外霜温度下燃婶气机热泵叛的运行能疫耗毫燃气机热末泵能耗计林算的另一党目的是考真察燃气机界热泵运行棍的经济性罪。影响燃毕气机热泵煌运行费用话的因素不版仅是该地尘区的气候掀条件，更泼重要的是萝当地的能宋源价格因互素。收图尘1穗0遥为目前上笑海地区能持源价格条剃件下对燃视气机热泵议同变频调坐节方式的百电驱动热羞泵运行费动用比较分混析。从比两较结果可颗以看出，孟燃气机热箩泵在低温漆下的运行都费用明显钓低于电动侄热泵，在酒室外温度陶较高的情富况下燃气坚机热泵稍发差于电动心热泵，这威主要是因雹为本文中捏采用的燃钱气机在部励分负荷较欣低时调节捷性能较差籍所致。对璃于整个供炸暖季节，随燃气机热常泵的运行先费用要比镰电动热泵真的运行费元用节满约吸16.忌8纤％。4结论续（陈1显）通过天逐然气发动体机余热实熔验以及整骑个系统的繁计算分析头可知，发尊动机余热堪在燃气机恭热泵系统拿供热量中戒占相当大侍的份额。报发动机的驱余热使得双燃气机热付泵在低温通下有良好哭的供热能面力，且余厅热对系统器供热性能连有较大的河影响。吗（绕2常）尽管燃得气发动机泉具备调速益机构，但因要维持发伯动机的稳舍定性，发露动机的转棕速不能太棚低。这一陶特点限制槽了燃气机悲热泵的部滤分负荷性数能的发挥缝，要获得板好的部分尺负荷特性浪，发动机绘需要有较担低的最低黎稳定转速滥。对于最篇低转速较林高的燃气镇机热泵，色为使机组勉节能，压掏缩机的横启舱/能停控制方迷式仍然十币分必要。捡（呜3蒸）计算表泊明，燃气泰机热泵的秃运行经济她性在不同辛的室外条她件下各不谅相同，总光的来说，疑在上海地幅区气候和园能源价格祥条件下，切燃气机热献泵同电动恨热泵相比易仍然具有珍较好的经性济