混合動力熱泵性能及其節能潛力分析

摘 要:隨著節能減排、治理霧霾緊迫性的提高，關于電熱泵和燃氣熱泵性能改善等方面的研究日益增多。燃氣熱泵用于供熱時具有較好的性能但其制冷性能卻因無法解決好發動機散熱問題而差于電熱泵。本文針對此問題，提出了一種新型混合動力熱泵技術方案，并建立數學模型對其性能進行研究，模擬分析表明，混合動力熱泵在冬季運行燃氣機驅動時，其制熱性能相比于電熱泵一次能源效率可以提高20% 到30%;夏季運行電驅動時，在相同工況和制冷能力時，冷凝溫度將降低0.8℃，同時減少風機和壓縮機功耗近8%，相對于燃氣熱泵運行，其一次能源效率提高了約30% 到50%。由此可見，燃氣、電力混合動力熱泵在全年運行時具有更大的節能潛力。

　　關鍵詞:混合動力熱泵;燃氣機熱泵;一次能源利用率;COP;節能率

　　近年來建筑能耗不斷增加，其中與建筑供暖制冷相關的能耗在2012 年已經突破了8 億噸標煤[1]。傳統的滿足建筑室內環境的設備主要是以冷水機組與鍋爐為主，隨著地板輻射供熱等新型末端的舒適性研究[2,3]，各種類型的空氣源熱泵因在制取低溫熱水方面有著高效率、低污染物排放的特性得到了越來越多的關注[4]。空氣源熱泵根據驅動源的不同可以分為電熱泵和燃料驅動類型的熱泵，自2000 年以來，以燃氣機熱泵為代表的燃料驅動類型的熱泵得到了廣泛的研究，并且該類熱泵因余熱回收可使其一次能源效率達到1.8 甚至更高[5-7]，因此能夠為節能減排做出較大貢獻。

　　然而缸套以及煙氣余熱在天氣炎熱時的排放成為了制約燃氣機熱泵夏季制冷性能的影響因素，目前主要的解決方法主要有兩種，一種是余熱在夏季用于制取生活熱水[8]，但對于生活熱水需求不大的建筑還是無法完全解決發動機散熱問題;第二種做法是夏季在冷凝器外側增加排除余熱的風冷換熱器[6]，兩者共用一個風機，但這種做法卻間接的影響了機組的冷凝溫度，使其溫度相對較高從而降低了系統的COP。目前汽車市場出現了很多混合動力汽車，這類汽車的驅動方式可以采用天然氣發動機驅動，也可以采用蓄電池內的蓄電驅動[9]，結合這一特點，有部分學者提出了一種類型的混合動力熱泵，即在制冷或者制熱需求大時采用燃氣驅動，當制取能力大于需求時，將多余的部分驅動發電機蓄電，也可以采用燃氣與蓄電聯合為壓縮機提供動力，但發動機余熱仍然采用制取生活熱水的形式，根本上沒有解決燃氣熱泵在夏季無法高效制冷的問題[10]。相比之下電熱泵在制冷時不存在該問題，因此如何將電熱泵的制冷優勢和燃氣機熱泵的制熱優勢互補并發揮最大的節能效果是本文的研究核心。

　　本文提出了電與燃氣共同驅動的混合動力熱泵系統，建立了數學模型并分析了系統在冬夏季的運行特性，以此為基礎分析對比了采用該系統與采用電熱泵以及燃氣機熱泵系統的一次能源消耗情況的對比以及傳統燃氣熱泵夏季運行時的性能與電熱泵的對比。

　　1 系統構造

　　本文所提出的混合動力燃氣熱泵系統如圖1 所示，該系統可以分為三部分組成，熱泵部分、驅動源部分以及熱回收部分，其中驅動源部分由一組錐形齒輪或者皮帶輪組以及離合器組成，通過傳動軸與熱泵部分的開式壓縮機相連，熱回收部分主要是發動機的缸套熱量以及發動機的高溫排煙部分。與前人所提出的系統不同，在該系統中驅動源不包含輔助提供動力的蓄電池和夏季為了排除發動機余熱而單獨設置的風冷換熱器[6]或者制備生活熱水的換熱器。

圖1 混合動力熱泵的系統原理示意

　　整個系統在運行方式上也與前人所提出系統有所不同，冬季運行時，供暖回水依次經過冷凝器、缸套水換熱器以及熱回收換熱器再供入用戶，此時驅動源部分開啟燃氣發動機以及對應的離合器，電動機側的離合器斷開空轉使整個系統具有較高的制熱效率;夏季制冷時，三通閥和四通換向閥換向，使室內回水只經過蒸發器，同時燃氣發動機不工作，只有電動機直接驅動壓縮機，從而解決了燃氣熱泵夏季因排熱問題無法高效制冷的問題。

　　2 數學模型

　　2.1 制冷循環

　　制冷劑采用R410A，蒸發器與冷凝器根據換熱能力給定換熱能力UA 值，計算中首先根據管外側參數確定蒸發冷凝溫度，進而計算蒸發壓力與冷凝壓力，蒸發器與冷凝器的計算滿足制冷劑與管外介質能量守恒的傳熱方程，具體方程如(1)–(3)所示;壓縮機采用效率模型，根據容積效率與壓比的關系以及壓縮機進口5℃過熱，計算壓縮機的出口焓值以及制冷劑流量，再根據非等熵壓縮效率計算排氣焓值以及壓縮機的實際功耗，主要方程如(4)–(7)所示;節流閥則根據冷凝器出口過冷5℃和冷凝器出口的焓值確定蒸發器進口焓值。需要指出的是，當計算燃氣熱泵夏季的制冷性能時，采用的是冷凝器外加發動機余熱散熱器的方式，同時考慮余熱散熱器對冷凝器輻射熱量的影響，以反映冷凝溫度的提高和壓縮機功耗的增加。制冷循環中的主要方程如下所示：

　　Q=m_a·(ha,in-ha,out) (1)

　　Q=m_r·(hr,in-hr,out) (2)

　　Q=UA·ΔTm (3)

　　ηvol=1-0.04×PR[11] (4)

　　ηise=0.9-0.0467×PR[11] (5)

　　mr=ηvol·ρ_r·V·RPM/60 (6)

　　W_comp=mr·Δh/(ηise·0.95) (7)

　　(1)–(5)式中，各符號的意義如下：

　　Q 為換熱量(kW);cp_a 為管外側介質比熱(kJ/(kg·K));m_a 為管外側介質質量流量(kg/s);ha,in,ha,out為管外側介質進、出口溫度;cp_r 為制冷劑比熱(kJ/(kg·K));m_r 為制冷劑質量流量(kg/s);hr,in, hr,out為換熱器內制冷劑進、出口焓值(kJ/kg);UA 為換熱器換熱能力(kW/K);ΔTm為換熱器的對數平均溫差(K);ηvol為壓縮機容積效率;PR 為壓縮機壓縮比;ηise 為非等熵壓縮效率;ρ_r 為制冷劑吸氣密度(kg/m3);V 為壓縮機的理論輸氣量(m3/rev);RPM 為壓縮機轉速，r/min。W_comp 為壓縮機功耗(kW);Δh 為壓縮機進出口焓差(kJ/kg)。

　　2.2 發動機模型

　　制冷循環封閉后確定發動機模型，設定壓縮機與發動機的傳動效率為0.95 計算發動機的輸出功，再根據發動機的轉速和輸出功計算當前發動機的負荷率，根據TRNSYS 中發動機機械效率與缸套熱量占燃氣消耗熱量的百分比與發動機負荷率的關系計算燃氣消耗量與缸套熱量(圖2)。最后根據李應林的研究[12]，根據發動機的轉速和扭矩計算發動機的排氣溫度，結合煙氣流量和焓值計算煙氣的余熱回收量。

圖2 TRNSYS 有關于發動機的模型

　　模型在計算冬季供熱時供熱熱水先后流經冷凝器，缸套水換熱器和煙氣熱回收換熱器，然后再進入用戶側供暖，供水溫度設定為45℃;夏季制冷模式時參考了同方FLS 空氣源熱泵系列樣本，以蒸發器7℃出水的情況截取了不同環境溫度下機組的制冷量以及功耗，從而得到了電熱泵制冷時的COP 性能曲線，再根據不同的發電效率計算電熱泵的一次能源效率。

　　為了對比系統性能，模型還將燃氣熱泵用于夏季制冷使得性能進行了計算，在計算燃氣熱泵的制冷性能時考慮了室外換熱器外增加余熱換熱器對系統制冷性能的影響，余熱換熱器對冷凝器會有一部分的熱輻射，這部分輻射熱會使系統的冷凝溫度升高從而導致系統的制冷性能有所下降。

　　2.3 模型性能與驗證

　　燃氣熱泵供熱性能隨環境溫度的變化規律如圖3 所示，從圖中可知系統的供熱能力隨著環境溫度的升高而升高，同時燃氣消耗量則逐漸趨于平穩，同時缸套與煙氣余熱量也隨著燃氣輸入量的增大而略有增大，但冷凝熱仍然是燃氣熱泵供熱時的主要貢獻。系統的一次能源利用率(PER)是某溫度下系統的制熱量與燃氣消耗熱量的比值。同時從該圖中還可以看出系統的余熱回收量占總供熱量的20% 到28%，該數據與文獻[12] 中給出的結果也有較大的一致性。

圖3 燃氣熱泵供熱性能隨環境溫度的變化

　　當燃氣熱泵用于制冷時，模型驗證了系統蒸發器入口水溫的變化(環境溫度為35℃，發動機轉速1300r/min)對系統一次能源效率的影響，并且與文獻[13] 進行了對比，其一次能源利用率的相對誤差在5% 以內，具體的對比結果如圖4 所示。

圖4 燃氣熱泵制冷性能(PER) 隨環境溫度的變化與實驗數據驗證

　　3 系統性能及對比分析

　　3.1 冬夏運行設備PER 對比

　　混合動力熱泵系統與其他設備制冷性能的對比如圖5 所示，系統性能因在冬夏季的運行方式不同故分別進行了對比。由圖5(a)所示，燃氣熱泵在制冷時的性能較差，一次能源利用率相比于燃煤發電的電熱泵略有降低，但如果采用燃氣發電則電熱泵制冷的一次能源效率相比于燃氣熱泵平均提高30%~50%，可以看出在夏季運行時采用電熱泵有巨大的優勢。

　　冬季供熱時分別對比了燃氣熱泵，電熱泵，燃氣鍋爐以及燃煤鍋爐的一次能源效率對比如圖5(b)所示，在此認為燃煤鍋爐的熱效率為0.7，燃氣鍋爐的效率為0.9。通過模擬結果發現燃氣熱泵在供熱時的性能相比于傳統的鍋爐有較大的提升，供熱效率可以提高20% 到80%，并且鍋爐在制取低溫熱水時的效率也不會變高，故傳統的供熱方式應當適當修改。相比于電熱泵，燃氣熱泵的供熱一次能源效率會提高20%~30%，也就是說發動機余熱回收對提高一次能源利用率有較大貢獻。

圖5 混合動力熱泵系統與其他設備制冷制熱性能對比

　　3.2 節能效果定量分析

　　夏季制冷時冷水出水溫度為7℃，室外溫度為35℃時，采用混合動力熱泵時由于室外冷凝器外側沒有發動機余熱散熱器輻射的影響，會節省風機功耗以及降低冷凝溫度，通過模擬可知余熱散熱器對冷凝器輻射的影響可以致使冷凝溫度提高0.8℃，因冷凝溫度的升高而導致COP 由原來的3.3 降低至3.23，此處傳統GEHP的COP 的定義為制冷量與發動機輸出功的比值。冷凝溫度與COP 的變化比較如圖6 所示。

圖6 混合動力熱泵夏季制冷性能與傳統GEHP 的對比

　　因COP 的降低而導致壓縮機的功耗增加了約0.2kW，同時根據同方空氣源樣本的數據，假設發動機余熱散熱器的阻力與冷凝器相同，風量不變，則風機功率是原來的兩倍，由原來的0.55kW 變為1.1kW。同時制熱性能相比于傳統的電熱泵和鍋爐來比較，混合動力熱泵冬季運行燃氣機驅動模式時具有更大的節能優勢，節能率相比于鍋爐可以達到50%，相比于空氣源電熱泵一次能源效率可以提高約0.3，可以大幅減少能源消耗和污染物排放。

　　4 結 論

　　本文提出了一種夏季高效制冷和冬季高效制熱的混合動力熱泵系統，該系統將電熱泵與燃氣熱泵的優勢進行了組合設計出了新的結構形式，并且通過一定的模型計算說明了該系統在供熱和供冷方面的優勢，具體結論如下。

　　(1)混合動力熱泵在冬夏全年運行時的一次能源利用率相比于電熱泵可提高20%~30%，相比于燃氣熱泵可提高30%~50%。

　　(2)通過夏季額定工況的比較，說明混合動力熱泵夏季相比于燃氣熱泵COP 可以提高0.1，另外在額定制冷量為40kW 時，還可以減少風機與壓縮機功耗近1kW;冬季可以利用余熱進行高效制熱，因此混合動力熱泵是一種全年運行更加節能的方式和手段。

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