空气源燃气热泵空调系统的应用研究

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1、空气源燃气热泵空调系统的应用研究1引言   燃气热泵(GasEngineDrivenHeatPump，以下简称GEHP)是以燃气机作为动力来驱动的压缩式热泵。燃气热泵是一种很有前途的装置，除了供应热水外，还能用于采暖和制冷。日本等一些国家已经研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃气热泵[1]。随着天然气等清洁能源在我国的广泛使用，燃气热泵作为一项高效节能的重要末端设备将得到广阔的应用。   空气作为低温热源，可以取之不尽，用之不竭，到处都有，可无偿取得。而且空气源热泵装置的安装和使用也都比较方便。但是空气参数随地域和季节、昼夜均有很大变化，这对热泵机组的容量和性能系数影响较大。   本文对燃气热泵进

2、行了热力学第一定律分析、火用分析和能级分析，并对空气源供热/制冷型燃气热泵空调系统在我国的应用进行了探讨。2燃气热泵的工作原理   燃气热泵的工作原理是：把燃气(包括天然气、液化石油气、煤制气或沼气等)送入内燃机，由内燃机把燃气燃烧后释放的热能转化成动力来驱动热泵系统的压缩机，从而实现热泵系统的逆向热力学循环，达到把低温位热能输送到高温位供给使用的目的。   燃气燃烧后所产生的高温位热能，只有一部分通过内燃机转化为机械能，其余则以废热(包括排烟热、气缸冷却水及机油带走的热量)的形式排入环境。对于在供热模式下运行的热泵，正好可将这些废热加以回收利用，从而进一步提高系统的制热性能。 图1燃气热泵供

3、热模式的工作原理示意图   空气源燃气热泵的主要型式有空气/空气和空气/水。图1为燃气热泵供热模式的工作原理示意图。如图所示，待加热流体在冷凝器中升温后，再依次通过燃气机的冷却水回收器和排气回收器，达到一定温度后送至用户使用。3燃气热泵的热力学分析   3.1第一定律分析   热泵系统的能量指标通常用制热系数COP和一次能源利用率PER(PrimaryEnergyRatio)来衡量。燃气热泵在供热时的COP可用下式表示：    式中：Qc──冷凝放热，kw；   Qr──被加热流体从燃气机废热中得到的热能，kw；   N──供给热泵系统的机械能，kw。   COP虽然可表达热泵的制热性能，但不

4、能反映热泵原动机转化效率等因素，因而不能全面反映热泵系统的能源利用效率。所以我们常采用一次能源利用率PER的指标来比较不同设备的性能。燃气热泵的一次能源利用率PERGEHP可用下式表示：   式中：Q1──输入燃气机的热量，kJ/s。   引入燃气机废热回收率a的概念。a被定义为所回收的燃气机废热量与燃气机总废热量之比。按照此定义：    所以式(2)又可以写为：   式中：hg──燃气机的发动机效率；   COPHP──不考虑废热回收的热泵系统的性能系数。   一般可取a=0.6，hg=0.30。如取电力生产和输配总效率为33%，电动热泵COP等于3.4，燃气热泵的COP为3.6，燃煤锅炉效

5、率70%，燃气锅炉效率85%，电锅炉效率98%[2]。则如图2所示，供热模式下这几种装置中燃气热泵在供热时一次能源利用率最高。   在供热模式下运行的燃气热泵，其系统的火用效率ξsys如下：   式中：Ec──被加热流体从冷凝器得到的火用，kw；   Er──被加热流体从燃气机热泵废热得到的火用，kw；   Ef──输入燃气机的燃料火用，kw；   Ea,in──环境空气供给系统的火用，kw；   Ew,in──待加热流体带入的火用，kw。   设GEHP的供热温度为65℃，冷凝器出口温度为60℃，蒸发器空气入口温度为7℃，输入燃气机的燃料为5kJ/s，燃气机排烟温度为500℃，冷却水温为95

6、℃，环境温度T0=293.15K，热泵工质为R134a。燃气热泵的系统及各部件的火用效率如表1所示。   表1燃气热泵的系统及各部件的火用效率    取电厂的火用效率为0.34，输配电火用效率为0.94，则燃气热泵与电动热泵、锅炉的系统火用效率如图3所示。从图中可以看出燃气热泵的火用效率最高。    3.3燃气热泵的能级分析   燃气热泵系统的输入为燃料，外界空气的热量，所以输入的能级Ωin为：    那么输入和输出的能级差ΔΩ=Ωin-Ωuse=0.07。这表明燃气热泵的能量利用过程是比较合理的。   从燃气热泵的热力学第一定律、火用分析和能级分析中，我们可以知道燃气热泵具有高的热力学完善性

7、，能量利用过程也比较合理。4空气源燃气热泵容量的确定   随着环境空气温度的变化，热泵的供热量往往与建筑物的供热负荷相矛盾。即大多数时间内均存在供需的不平衡现象，如图4所示。      建筑物的耗热量在建筑物内温度一定时，与环境温度t0成直线AB。热泵制热量在维持室内冷凝温度不变时，与环境温度t0成曲线CD。曲线CD与直线AB相交于O点。在此温度下，热泵的供热量等于建筑物的耗热量，此温度称为平衡点