燃气机热泵过渡季节供生活热水性能分析

张 卓 然

(天津城建大学，天津 300384)

0 引言

目前我国急需解决环境污染严重和化石能源短缺这两大问题。在华北地区实施推广“煤改气”的清洁能源利用政策的背景下，使用天然气作为能源驱动进行高效供热和制冷是当前亟待解决的科学问题之一。与传统供暖方式相比，热泵技术通过吸收环境中低品位热能，并将这些热能提升至高品位热能来进行供暖，在一定程度上达到了节能减排的目的[1]。热泵系统中，制冷剂的流动方向受到四通换向阀的控制，进而实现制冷、供热模式之间的切换[2]。根据驱动压缩机的方式不同，热泵可以分为电热泵和燃气机热泵。燃气机热泵是以燃气为一次能源，通过燃气发动机工作来驱动压缩机做功的新型热泵系统。与电热泵相比，燃气机热泵具有以下三个明显的优势：1)可将发动机缸套和烟气余热回收，并用于室外换热器的融霜，这将避免传统电热泵逆循环除霜困难的缺点；2)发动机可以直接通过调节燃气消耗量来进行转速调节，实现系统在部分负荷下的变频节能运行；3)在夏季可回收发动机余热制取生活热水，提高系统COP和PER，提高系统的节能能力[3-5]。

1 实验装置

如图1所示，燃气热泵制热系统循环原理(R134a为制冷剂)为：制冷剂通过蒸发器14与空气进行热交换，从空气中取热后由低温低压的液态经等压吸热过程变为低温低压的气态。然后来自蒸发器的低温低压气态制冷剂进入压缩机2，压缩机在燃气发动机1的带动下对制冷剂做功，使制冷剂由低温低压的气态经过压缩，变为高温高压的气态，这一过程通常被看作是等熵压缩过程。来自压缩机的高温高压气态制冷剂通过油分离器5，将高温高压气态制冷剂中的润滑油分离出来，并通过回油管将润滑油输入到压缩机中，气态制冷剂则通过制冷剂气相管通过四通换向阀6，然后进入冷凝器7。在冷凝器中，来自制热储罐23的水带走高温高压的气态制冷剂的液化潜热量，制冷剂则由高温高压的气态，变为高压液态，这一过程通常被看作是等压放热过程。从冷凝器流出的液态制冷剂进入贮液器9，贮液器起到稳定制冷剂流量的作用，然后依次通过过滤器10，干燥器，电磁阀11以及视液镜12，进入电子膨胀阀13，经过电子膨胀阀的节流膨胀，制冷剂由高压的液态，变为低温低压的液态。低温低压的液态的制冷剂再进入蒸发器，继续通过蒸发器14与空气换热，吸收空气的热，进入下一个热力循环过程。

在燃气热泵机组正常运行进行制热时，有大量余热被排放到环境中，一次能源并没有得到充分利用，所以应考虑机组的余热回收，充分利用发动机耗散的这部分热量，用于加热居民生活用水。该燃气热泵机组的余热回收系统，主要包括发动机缸套水余热的回收、发动机烟气余热的回收两大部分。在利用余热的同时吸收了发动机内循环水的热量，还可以有效降低发动机机体的温度，保证了发动机正常运行所需要的温度。在发动机烟气中也有大量的余热随着烟气排放在环境中，我们也可以回收利用烟气中的热，从而使得一次能源的利用更加充分。

余热回收水泵18将余热回收储罐22中的生活用水输送到发动机热回收板式换热器19，在板式换热器中与发动机内循环水进行热交换，从而使得发动机内循环水的温度稳定在一定的范围内，保证了发动机的正常运行。从发动机热回收板式换热器出来的热水继续进入烟气热回收器20，在该板式换热器中与高温烟气进行热交换，从而使热余热回收生活热水的温度再次升高，最后进入余热回收储罐22，以供用户作生活热水使用。

经过计算选型，系统主要设备如表1所示。

表1 燃气机热泵系统主要设备

2 结果与讨论

2.1 燃气发动机转速对于制热量的影响

燃气热泵与传统的电动热泵最大的区别就在于燃气热泵是以燃气发动机通过直联接或者是皮带轮等联接方式来带动开启式压缩机做功，而传统的热泵发动机是以电动机驱动制冷压缩机做功。通过控制燃气燃料不同的吸入量，可以方便地调节燃气发动机的转速。当燃气燃料吸入量发生变化时，燃气的发热量发生了变化，燃气发动机转速也发生了变化，通过皮带轮传动，带动压缩机的转数也发生了相应的变化，从而影响热泵系统的运行性能。

由图2可知，系统总制热量随着发动机转速的增加而增加。当发动机转速由1 400 rpm增加到1 800 rpm时，系统总制热量可由31.76 kW增加为40.83 kW，增加9.07 kW。这是由于随着发动机转速的增加，系统制热量增加，缸套余热回收热量以及烟气余热回收热量都增加，所以系统总制热量增加。

2.2 冷凝器进水温度对于制热量的影响

热泵系统可以按照用户需求制出热水，储存在热水储罐中供用户使用，经实验发现，供热回水进系统冷凝换热器的温度对热泵系统的性能有重要的影响。这里主要分析讨论发动机转速为1 400 rpm，环境湿球温度为10 ℃时，冷凝器进水温度对系统的总制热量。

由图3可知，随着进冷凝器进水温度的增加，热泵系统的制热量、缸套水余热回收热量、烟气余热回收热量以及总制热量都没有明显的变化，由此可知，当进冷凝器进水温度逐渐升高时，对热泵系统的制热量并没有明显影响。

2.3 环境湿球温度对于制热量的影响

对于热泵机组或者是一个空调产品来说，环境温度对其系统的性能有着一定的影响。尤其是对于风冷式机组，环境温度对其影响会更大。考虑到环境的相对湿度对机组性能也有影响，故在本文中根据实验测得的干球温度以及相对湿度，转换成对应的环境湿球温度，以此作为变量对系统的性能进行分析。以下通过对实验数据的整理，主要分析进冷凝器的供热回水温度为50 ℃，燃气发动机转速为1 400 rpm时，不同环境湿球温度对系统性能的影响。

由图4可知系统的总制热量随着环境湿球温度的升高而增大。当环境湿球温度为8.7 ℃时，系统的总制热量为30.79 kW，当环境湿球温度增长为18.2 ℃时，系统的总制热量为42.98 kW，最大幅度增长12.19 kW，增长率为39.6%。随着环境湿球温度的增加，总制热量也在增加的主要是由于系统制热量的明显增加所致，余热回收热量也有所增加。

3 结语

1)在冷凝器进水温度一定，环境湿球温度不变的情况下，当燃气发动机转速增加时，系统制热量增加，缸套余热回收热量以及烟气余热回收热量都增加，系统总制热量增加。

2)在燃气发动机转速一定，环境湿球温度不变的情况下，随着进冷凝器进水温度的增加，热泵系统的总制热量没有明显的变化。

3)在燃气发动机转速不变，冷凝器进水温度一定时，随着环境湿球温度的升高，系统的总制热量也增大。