1、引言

天然氣發(fā)動機驅(qū)動的熱泵機組(GasEngine-DrivenHeatPump，以下簡稱燃氣機熱泵)已經(jīng)在日本、美國和歐洲等國家得到了廣泛的應(yīng)用，然而在我國，這類熱泵尚未開始推廣應(yīng)用。隨著西氣東輸工程的順利進行，以及電力峰谷差日益嚴重，以天然氣作為制冷空調(diào)設(shè)備能源的燃氣機熱泵的應(yīng)用開始受到重視。由于燃氣機熱泵冬季供暖時引入了天然氣發(fā)動機的缸套和廢氣的余熱，因此，在供暖模式下燃氣機熱泵與普通的電驅(qū)動熱泵有較大的區(qū)別。本文對一臺天然氣發(fā)動機的余熱產(chǎn)生規(guī)律進行了實驗研究，并運用能量守恒的原理建立了燃氣機熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算的模型。通過計算，分析了燃氣機熱泵冬季供暖過程的特點及運行能耗。

2、燃氣機熱泵供暖過程的計算模型

本文所討論的燃氣機熱泵原理和系統(tǒng)循環(huán)過程，該燃氣機熱泵屬空氣-水熱泵機組，可進行供暖和制冷循環(huán)。進行供暖循環(huán)時，三通閥1和2均切換到余熱回收的位置，熱水吸收板式換熱器熱量后繼續(xù)吸收發(fā)動機余熱，然后將熱量輸送到熱用戶。由于燃氣機的余熱對熱泵的供熱影響較大，因此本文主要討論燃氣機熱泵的供暖循環(huán)。

2.1發(fā)動機余熱計算模型

由于發(fā)動機工作過程比較復雜，很難用純粹的數(shù)學關(guān)系推導出發(fā)動機的余熱計算模型。一些文獻提供了發(fā)動機余熱的計算公式，但這些計算公式的通用性較差，僅適合于某一型式的發(fā)動機。本文采用實驗的辦法得到實際應(yīng)用的燃氣機熱泵系統(tǒng)模型中所需的發(fā)動機余熱數(shù)據(jù)。通過測出有關(guān)物理量，可以間接地計算出發(fā)動機的余熱量。

穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動機的工作狀態(tài)同發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定時，發(fā)動機的工作狀態(tài)便確定。實驗時，將發(fā)動機穩(wěn)定在某一工 作狀態(tài)，然后測出發(fā)動機冷卻水流量，冷卻水進出口溫度，廢氣排氣溫度，天然氣流量，過量空氣系數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計算得到發(fā)動機的余熱數(shù)據(jù)。

從實驗結(jié)果可知，發(fā)動機的缸體的余熱量、廢氣流量和排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速和扭矩的增加而增加。由于發(fā)動機冷卻水循環(huán)泵由發(fā)動機帶動，因此冷卻水的流 量僅同轉(zhuǎn)速有關(guān)。對上述結(jié)果通過曲面插值和線性擬合的辦法可以得到其它非測試狀態(tài)點下的物理量，從而得到發(fā)動機余熱計算所需的數(shù)據(jù)。

2.2熱泵系統(tǒng)計算模型

熱泵系統(tǒng)的熱力模型主要考慮壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器三大部件的能量平衡關(guān)系，節(jié)流過程認為是絕熱過程。若忽略系統(tǒng)的熱損失，那么壓縮機的排熱量、冷凝器的換熱量和熱水的吸熱量應(yīng)該相等，同樣壓縮機的產(chǎn)冷量、蒸發(fā)器的換熱量和室外空氣的放熱量也應(yīng)該相等。

對壓縮機來說，可以通過制造廠家提供的樣本數(shù)據(jù)擬合得到壓縮機的產(chǎn)冷量和排熱量同冷凝溫度，蒸發(fā)溫度及壓縮機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

2.3模型的求解

在燃氣機熱泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，風機風量和水泵流量已知的情況下，聯(lián)立上述所有方程便可以對模型進行求解。該模型有兩種求解方式：(1)如給定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，那么可以得到該轉(zhuǎn)速下燃氣機供熱能力;(2)如給定系統(tǒng)要求的供熱能力，那么可以計算出要求的供熱能力下燃氣機熱泵轉(zhuǎn)速。然后相應(yīng)地可以得到燃氣機熱泵能耗、余熱等其它量。由于風機水泵的能耗占系統(tǒng)能耗的比重相對較小，且固定不變，因此計算中不涉及這部分能耗。

3、燃氣機熱泵供暖過程計算與分析

3.1供暖季節(jié)的熱負荷的計算

本文的目的主要是對燃氣機熱泵在整個供暖季節(jié)的工作性能進行計算和分析，因此必須首先確定建筑的熱負荷。為便于計算，假設(shè)某建筑的熱負荷僅僅由室內(nèi)外溫差引起，那么在已知室內(nèi)設(shè)計溫度tn和室外設(shè)計溫度tout，d以及設(shè)計負荷Qd的情況下，可以計算出任意室外溫度tout下該建筑的熱負荷Qx。

3.2燃氣機熱泵供暖過程特點

燃氣機熱泵一個突出的優(yōu)點是就是燃氣機有良好的調(diào)速性能，即當負荷變動時，可以通過調(diào)節(jié)燃氣機的供氣量來調(diào)節(jié)燃氣機熱泵的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)部分負荷下燃氣機熱泵供熱能力的調(diào)節(jié)。需要指出的是，燃氣機熱泵的速度調(diào)節(jié)是有限制的，并不能任意調(diào)節(jié)，這與發(fā)動機和壓縮機的工作特性有關(guān)。

實驗得到的發(fā)動機速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線，即發(fā)動機的外特性曲線，和計算得到壓縮機的速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線。圖中實線表示發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下能提供的最大轉(zhuǎn)矩，而虛線表示負荷變動時壓縮機正常工作需要的轉(zhuǎn)矩。從圖中看出，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于1200r/min時，發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩已不足于提供壓縮機所需的轉(zhuǎn)矩，此時燃氣機熱泵已無法正常工作。因此，實際運用中，發(fā)動機存在一個最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，燃氣機熱泵通過轉(zhuǎn)速進行能量調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速不能低于這一最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。根據(jù)這一情況，為保證機組的穩(wěn)定性，本文計算中最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速取1400r/min，而低于這一轉(zhuǎn)速時采用壓縮機卸缸的辦法進行壓縮機能量調(diào)節(jié)。

不同室外溫度下的燃氣機熱泵熱負荷、供熱量、發(fā)動機的余熱量、系統(tǒng)一次能耗的變化關(guān)系。圖8表示一次能利用率的變化規(guī)律，其中一次能源利用率PER的定義為系統(tǒng)實際所獲得的熱量與系統(tǒng)消耗一次能的比值

(1)燃氣機熱泵供熱量中，發(fā)動機的廢熱占相當大的份額(約占總供熱量的1/3)。因此，即使在溫度很低的情況下，燃氣機熱泵仍能滿足供熱要求，不會出現(xiàn)供熱量不足的情況。廢熱量的大小同發(fā)動機的負荷和工作狀態(tài)很有關(guān)系。

(2)由于發(fā)動機存在最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速問題，燃氣機熱泵在室外溫度高于2℃時出現(xiàn)了供熱量和熱負荷不能匹配的現(xiàn)象。這時，發(fā)動機已無法通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供熱量。計算表明，熱負荷率較高時，燃氣機熱泵具備較好的負荷調(diào)節(jié)特性，供熱量和熱負荷能較好匹配，系統(tǒng)也有較高的一次能利用率。但隨著負荷率的降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速被限制在最小轉(zhuǎn)速下運行，系統(tǒng)的一部分供熱量被浪費，一次能利用率降低。

(3)在負荷率較低時，采用的壓縮機卸缸的辦法進行能量調(diào)節(jié)對燃氣機熱泵能耗的改善不明顯。從本文的計算結(jié)果來看，采用壓縮機卸缸的能量調(diào)節(jié)方式后，一定程度上克服了能耗上升的趨勢。進一步分析表明，能耗不能降低的原因仍然是因為轉(zhuǎn)速被穩(wěn)定在最低轉(zhuǎn)速下運行所致。因此在部分負荷較低的情況下，燃氣機熱泵的一次能源利用率較低。為使機組在低負荷下節(jié)能，采用啟/停控制方式進行能量調(diào)節(jié)仍然非常必要。

3.3燃氣機熱泵供暖的季節(jié)能耗及運行費用分析比較

若考慮各個溫度下空調(diào)運行的累積時間，可以計算出燃氣機熱泵冬季運行時的能耗。根據(jù)上海地區(qū)空調(diào)運行期間室外溫度頻率表計算的燃氣機熱泵在冬季各個溫度下的運行能耗。可以看出能耗較高的點集中在室外溫度為5～10℃的區(qū)域，這是因為這個溫度區(qū)域空調(diào)運行小時數(shù)很多。將各個溫度下的能耗值累加起來，可得到整個供暖季節(jié)燃氣機熱泵的能耗量。

燃氣機熱泵能耗計算的另一目的是考察燃氣機熱泵運行的經(jīng)濟性。影響燃氣機熱泵運行費用的因素不僅是該地區(qū)的氣候條件，更重要的是當?shù)氐哪茉磧r格因素。

目前上海地區(qū)能源價格條件下對燃氣機熱泵同變頻調(diào)節(jié)方式的電驅(qū)動熱泵運行費用比較分析。從比較結(jié)果可以看出，燃氣機熱泵在低溫下的運行費用明顯低于電動熱泵，在室外溫度較高的情況下燃氣機熱泵稍差于電動熱泵，這主要是因為本文中采用的燃氣機在部分負荷較低時調(diào)節(jié)性能較差所致。對于整個供暖季節(jié)，燃氣機熱泵的運行費用要比電動熱泵的運行費用節(jié)約16.8%。

4、結(jié)論

(1)通過天然氣發(fā)動機余熱實驗以及整個系統(tǒng)的計算分析可知，發(fā)動機余熱在燃氣機熱泵系統(tǒng)供熱量中占相當大的份額。發(fā)動機的余熱使得燃氣機熱泵在低溫下有良好的供熱能力，且余熱對系統(tǒng)供熱性能有較大的影響。

(2)盡管燃氣發(fā)動機具備調(diào)速機構(gòu)，但要維持發(fā)動機的穩(wěn)定性，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不能太低。這一特點限制了燃氣機熱泵的部分負荷性能的發(fā)揮，要獲得好的部分負荷特性，發(fā)動機需要有較低的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。對于最低轉(zhuǎn)速較高的燃氣機熱泵，為使機組節(jié)能，壓縮機的啟/?？刂品绞饺匀皇直匾?/p>

(3)計算表明，燃氣機熱泵的運行經(jīng)濟性在不同的室外條件下各不相同，總的來說，在上海地區(qū)氣候和能源價格條件下，燃氣機熱泵同電動熱泵相比仍然具有較好的經(jīng)濟性。