太阳能燃气热泵供暖系统及余热回收分析

李晶

摘 要：对太阳能燃气热泵供暖系统及余热回收性能进行了研究。建立了系统的仿真模型，对套缸冷却系统和排烟余热回收器进行了模拟计算。分析了套缸冷却水流量的变化规律、确定了排烟余热回收比（排烟余热中回收的热量占排烟余热总热量的比例、热回收循环水流经套缸冷却器及排烟余热回收器后的温升情况，最后以沈阳地区某建筑为例，对系统余热回收的经济性进行了分析。

关键词：太阳能；供暖系统；余热回收

1 主要部件的选型设计

文章选取的基准建筑为沈阳市某小区内的一栋住宅楼，自一层到十一层均为一梯三户，共3个单元。建筑面积为7730.91m2，高度为33.2m，每户由不同的功能分区组成。建筑物全年最大热负荷为212kW，全年总热负荷为642082.07kW·h。根据负荷状况对太阳能燃气热泵系统的设备进行计算选型，并建立系统的仿真模型。

1.1 燃气热泵机组的选型设计

因为沈阳地区属于严寒地区，冬季热负荷要比夏季冷负荷大得多，通常要根据基准建筑的全年热负荷，选取燃气热泵机组的型号。由于太阳能在供热过程中的不稳定性，如果想要能够满足末端的供热、供冷的要求，应该考虑在最不利情况下即无太阳辐射情况下选取燃气热泵机组，保证系统的供暖效果。

建筑物的设计热负荷为212kW，由于燃气热泵机组带有余热回收装置，初步估计余热回收量至少相当于热泵制热量的25%。所以根据燃气热泵制热量加上余热回收量大于建筑物最大热负荷来选择热泵机组型号。本系统选用蓝德空调公司生产的燃气热泵机组。

1.2 燃气热泵机组的选型设计

因为沈阳地区属于严寒地区，冬季热负荷要比夏季冷负荷大得多，通常要根据基准建筑的全年热负荷，选取燃气热泵机组的型号。由于太阳能在供热过程中的不稳定性，如果想要能够满足末端的供热、供冷的要求，应该考虑在最不利情况下即无太阳辐射情况下选取燃气热泵机组，保证系统的供暖效果。

1.3 排烟余热回收器的选型设计

本系统所用的排烟余热回收器选择翅片管式换热器，因为该换热器具有良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击性能及耐腐蚀能力，易于清理尘垢，压降较低等特点。

文章选取的燃气发动机额定功率为40kW测得排烟热量损失在30kW上下，假定排烟余热回收率为70%。进入排烟余热回收器的热回收循环水温度在40—50℃之间，排烟温度在5000C左右，空气或烟气的强制对流系数h取20W（m2·K）。

2 模拟结果分析

2.1 套缸冷却器的换热量

发动机冷却系统的冷却水能够及时地将发动机汽缸壁冷却是保证发动机良好运行的前提。研究中，文章将气缸壁温度设定为110℃，在不同的转数下，当冷却水温度为65-95℃时，发动机冷却系统带走的热量进行观测。同一转数下，随着冷却水温度的升高，冷却水带走的热量略显减少趋势；同一冷却水温度时，随着发动机的转数增加，冷却水带走的热量增加，发动机转数每增加100r/min，则通过冷却水带走的热量增加2.1kW。

2.2 排烟余热回收比的确定

随着余热回收比增加，能源利用损失率增加，这是因为随着余热回收比变大，引起的系统背压越大，从而影响了发动机的排气，发动机排气时，若上一个循环的废气遗留很多时，气缸内的燃烧就很难达到完全，影响发动机的性能。余热回收比从0.4增加到0.9时，能源利用损失率己经从4.5%上升到27.2%。

随着余热回收比的增大，压力损失也逐渐增大，在余热回收比为0.7-0.9之间曲线急剧上升，压力急剧增大，对于发动机的使用寿命有着很大的影响，在实际运行中应尽量避免。余热回收器的压力严重影响发动机的工作，因此需将排烟换热器的余热回收比控制在0.7内，此时排烟回收器的压力损失在190.27kPa以下。

综合考虑能源利用率、能源利用损失率以及发动机压力损失的影响，文章确定最佳排烟余热回收比为70%。

2.3 热回收循环水的温度变化

由于发动机冷却水温度不能过高和过低，汽缸壁温度设定为1100C，并对热回收循环水是否流经套缸冷却器的水温进行对比计算，结果表明热回收循环水经热泵冷凝器未经套缸冷却器时的温度为450C，经冷凝器再经套缸冷却器与发动机冷却水换热后的温度变化，热回收循环水与套缸冷却器换热后可升温2-5℃，升温后温度约为47-50℃。热回收循环水升温后再流经排烟换热器继续回收热量。

余热回收比为0.7时，热回收循环水流经排烟余热回收器后的水温变化。可以看出，热回收循环水与烟气余热回收器换热后，温度由47-50℃提升到49-52℃，热回收循环水温度可提高2℃左右。同时，随着发动机转数增加，热回收循环水的温度也在增加。采暖期可分为采暖初期、中期和末期，实际运行中可以通过调节发动机转数来实现热回收循环水温度的变化，达到节能的效果。

3 余热回收的经济性分析

3.1 初投资估算

3.1.1 余热回收型燃气热泵供暖系统

型号为GHP-C0138D，制热输入功率为38.9kW的余热回收型燃气热泵机组，造价为38.7万元；余热回收器的成本约为55000元，余热回收系统的管道及阀门价格为14300元，附加件价格为12000元，余热回收设备共计8.13万元。余热回收型燃气热泵总造价约为46.83万元。

3.1.2 非余热回收型燃气热泵供暖系统

若没有余热回收利用系统，则根据基础建筑最大热负荷，应选择制热输入功率为53kW的燃气热泵机组，非余热回收型燃气热泵系统的热泵机组的造价约为41.05万元。

3.2 供暖运行费用

3.2.1 余热回收型燃气热泵供暖系统

型号为GHP-C0138D，制热输入功率为38.9kW的余热回收型燃气热泵机组的标准气耗量为13.3786m3/h。余热回收型燃气热泵系统的年运行费用约为。

3.2.2 非余热回收型燃气热泵供暖系统

制热输入功率为53kW非余热回收型燃气热泵机组的天然气气耗量M为17.6679m3/h，虽然初投资费用比非余热回收型燃气热泵多出5.78万元，但是余热回收型燃气热泵年运行费用比非余热回收型燃气热泵节省2.66万元，若系统运行25年后，余热回收型燃气热泵系统总费用比非余热回收型燃气热泵系统节约60.72万。

4 结语

（1）综合考虑能源利用率、能源利用损失率以及发动机压力损失的影响，确定系统的最佳排烟余热回收比为0.7；（2）虽然余热回收型燃气热泵机组的初投资比非余热回收型燃气热泵要大，但是若系统长时间运行，则余热回收型燃气热泵可明显地节省经济费用。

参考文献

[1] 张荣荣，李书泽，林文胜.燃气机热泵供暖过程的计算与分析.江西建材，2015（03）：350.

[2] 张永贵.热泵供暖系统技术经济评价[J].煤气与热力，2013（06）.