馬振西 ，劉鳳國 ，張 蕊 ，李 盛

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 102616；3.天津泰達(dá)燃?xì)庥邢挢?zé)任公司 工程建設(shè)部，天津 300457）

隨著清潔能源利用政策的不斷推進(jìn)，近年來，燃?xì)鈾C熱泵因其具有較高的一次能源利用率等特點，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1-4].但是，燃?xì)鈾C熱泵在制冷模式運行時，通常將燃?xì)獍l(fā)動機余熱通過散熱器直接排放至室外環(huán)境中，導(dǎo)致燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)在制冷模式運行時的一次能源利用率較低.為此有研究者提出了燃?xì)鈮嚎s式與單效吸收式耦合熱泵（GECSAHP）[5-8]，采用單效吸收式熱泵回收燃?xì)獍l(fā)動機余熱，提高系統(tǒng)的制熱量.孫志高[9]搭建了GECSAHP實驗臺，利用發(fā)動機余熱驅(qū)動單效溴化鋰吸收式冷水機組，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的一次能源利用率達(dá)到1.84.Jeong等[10]建立了GECSAHP的仿真模型，對比分析了采用不同控制方法時系統(tǒng)的性能特征.Mohammadi等[11]建立了GECSAHP采用不同冷卻方式的仿真模型，研究結(jié)果顯示，燃?xì)鈮嚎s式熱泵和吸收式熱泵都采用水冷的方式時，系統(tǒng)的一次能源利用率和效率最高.

在單效吸收式熱泵中，由于受發(fā)生器發(fā)生壓力的限制，過高的熱源溫度將會導(dǎo)致發(fā)生器中的濃溶液結(jié)晶，從而破壞循環(huán).為了防止結(jié)晶產(chǎn)生，通常利用循環(huán)水回收發(fā)動機高溫?zé)煔夂透滋姿臒崃?，再?qū)動吸收式熱泵的發(fā)生器.這種余熱回收方法無法直接利用燃?xì)獍l(fā)動機煙氣的高溫?zé)崮埽瑢?dǎo)致其損較大.為此，本文將雙效吸收式熱泵系統(tǒng)與燃?xì)鈮嚎s式熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種燃?xì)鈮嚎s式與雙效吸收式耦合熱泵系統(tǒng)，從而實現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)動機余熱的梯級利用，通過仿真模擬方法分析變工況下系統(tǒng)的熱力學(xué)特性.

1 系統(tǒng)介紹

燃?xì)鈮嚎s式與雙效吸收式耦合熱泵（GECDAHP）的流程如圖1所示，其中包括燃?xì)鈮嚎s式熱泵（GEHP）和雙效吸收式熱泵（DAHP）兩部分.圖1中：1-4是GEHP的狀態(tài)參數(shù)；5-24是DAHP的狀態(tài)參數(shù)；25-31是水的狀態(tài)參數(shù)；32-33是翅片式換熱器中空氣進(jìn)出口的狀態(tài)參數(shù)；34-35是燃?xì)獍l(fā)動機煙氣的狀態(tài)參數(shù).在GEHP中，壓縮機由燃?xì)獍l(fā)動機直接驅(qū)動，其制冷循環(huán)與常規(guī)電動熱泵循環(huán)類似，工質(zhì)采用R134a.在DAHP中，溴化鋰稀溶液5離開吸收器，并經(jīng)溶液泵加壓后進(jìn)入低溫溶液換熱器，在低溫溶液換熱器換熱后分成兩路：一路經(jīng)減壓閥3后進(jìn)入低壓發(fā)生器1，在低壓發(fā)生器1中被缸套熱水解析生成溴化鋰溶液16和過熱制冷劑蒸氣17′；另外一路經(jīng)高溫溶液換熱器后進(jìn)入高壓發(fā)生器，經(jīng)高溫?zé)煔饨馕霎a(chǎn)生中間濃度溴化鋰溶液12和過熱制冷劑蒸氣11，中間濃度溴化鋰溶液12經(jīng)高溫溶液換熱器和減壓閥2后，進(jìn)入低壓發(fā)生器2.在低壓發(fā)生器2中，中間濃度的溴化鋰溶液14和16被過熱制冷劑蒸氣11的冷凝熱解析，產(chǎn)生溴化鋰濃溶液19和過熱制冷劑蒸氣17′′.制冷劑17′、17′′和18′在冷凝器中冷凝放熱，經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收冷凍水的熱量后汽化成水蒸氣24，水蒸氣進(jìn)入吸收器中被溴化鋰濃溶液21吸收，并放出熱量，從而完成DAHP制冷循環(huán).在制冷模式下，冷凍水先進(jìn)入DAHP的蒸發(fā)器進(jìn)行預(yù)冷，之后進(jìn)入GEHP的蒸發(fā)器進(jìn)一步降溫后供給用戶.GEHP的冷凝器采用翅片式換熱器散熱，DAHP的吸收器和冷凝器采用冷卻塔散熱.

圖1 GECDAHP系統(tǒng)流程

2 系統(tǒng)模型

圖2所示為燃?xì)獍l(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載率下的輸出功率和燃?xì)庀牧?采用數(shù)據(jù)擬合軟件得到燃?xì)庀牧亢洼敵龉β实谋磉_(dá)式為

式中：QPE為燃?xì)獍l(fā)動機的燃?xì)庀牧浚琸W；nEng為燃?xì)獍l(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；φ為燃?xì)獍l(fā)動機負(fù)載率；PEng為燃?xì)獍l(fā)動機的輸出功率，kW；aij、bij為系數(shù)，其值見表1.

采用模塊化建模的思路，將GECDAHP中的每個設(shè)備劃分為各個模塊，對各模塊分別建立質(zhì)量平衡、能量平衡以及LMTD模型，并根據(jù)各模塊的輸入、輸出參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，組成整個系統(tǒng)的仿真模型.系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的能量平衡方程如表2所示.

表2中：c為比熱容，kJ/（kg·℃）；m為質(zhì)量流量，kg/s；h為比焓，kJ/kg；t為溫度，℃；下標(biāo) a、r、exh、w分別對應(yīng)空氣、制冷劑、煙氣、水；下標(biāo)數(shù)字對應(yīng)圖1中的狀態(tài)點.

圖2 燃?xì)獍l(fā)動機模型

表 1 式（1）-（2）中各系數(shù)的值

表2 系統(tǒng)各關(guān)鍵部件能量平衡方程

GECDAHP系統(tǒng)的性能評價參數(shù)包括的制冷量（QE）、壓縮式熱泵制冷系數(shù)（COPC）、吸收式熱泵制冷系數(shù)（COPA）和一次能源利用率（PER）.

式中：QE為GECDAHP的制冷量，kW；QEC為GEHP的制冷量，kW；QEA為DAHP的制冷量，kW；Pcom為GEHP中壓縮機的耗功率，kW（假定PEng=Pcom）；Qcy1為燃?xì)獍l(fā)動機缸套的熱回收量，kW；Qexh為燃?xì)獍l(fā)動機煙氣的熱回收量，kW；Wfan為GEHP中冷凝器風(fēng)機的耗電量，kW；Wpump為DAHP中溶液泵的耗電量；ψ為燃?xì)獍l(fā)電效率，取值0.35.

3 結(jié)果與分析

3.1 額定工況下系統(tǒng)性能參數(shù)分析

定義額定工況為：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 600 r/min，室外空氣溫度35℃，相對濕度60%，冷凍水出水溫度7℃.基于EES仿真軟件計算圖1各點的狀態(tài)，結(jié)果見表3.

表3 額定工況下系統(tǒng)各點的狀態(tài)參數(shù)

將表3中的狀態(tài)參數(shù)代入表2中的計算模型，可得出，DAHP的制冷量為29.30 kW，GEHP的制冷量為45.94kW，二者制冷量比為1∶1.5.此外可以看出，采用DAHP可直接將煙氣溫度從580℃降至136.6℃，充分回收了燃?xì)獍l(fā)動機煙氣的余熱.額定工況下，GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能對比見表4.

由表4可知：相比于GEHP和GECSAHP，本文提出的GECDAHP制冷能力分別提高了57%和10%，一次能源利用率分別提高了35%和11%.

表4 額定工況下三種燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)的性能對比

3.2 變工況下系統(tǒng)性能分析

3.2.1 環(huán)境溫度的影響

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、空氣相對濕度為60%時，GEHP、GECSAHP和 GECDAHP三種熱泵系統(tǒng)的制冷量、COP和PER隨環(huán)境溫度的變化見圖3.

圖3 GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能隨環(huán)境溫度的變化曲線

由圖3可知，隨著環(huán)境溫度的升高，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三種熱泵系統(tǒng)的總制冷量、COP和PER都呈現(xiàn)降低的趨勢.這是由于環(huán)境溫度升高導(dǎo)致燃?xì)鈮嚎s式熱泵和吸收式熱泵的冷凝溫度和冷凝壓力升高，制冷循環(huán)惡化，進(jìn)而使壓縮機耗功和燃?xì)庀牧康脑黾?由圖3a可以看出，采用吸收熱泵與燃?xì)鈮嚎s式熱泵耦合可使制冷量有明顯的提高；當(dāng)環(huán)境溫度從26℃增加到40℃時，GEHP的制冷量從51.2 kW降低到42.5 kW，GECSAHP的制冷量從 70.8 kW降低到61.1 kW，GECDAHP的制冷量從78.1 kW降低到68.1 kW.此外還可以看出，采用GECDAHP可使燃?xì)鈾C熱泵的制冷量提升約60%，采用GECSAHP可使燃?xì)鈾C熱泵的制冷量提升約40%.由圖3b可知，當(dāng)環(huán)境溫度從26℃增加到40℃時，GEHP、SAHP和DAHP的 COP分別降低17%、14%和13%.由圖 3c可知，GECDAHP的PER比GEHP高約35%，比GECSAHP高約10%.因此，燃?xì)鈾C熱泵在制冷模式下，采用DAHP回收燃?xì)獍l(fā)動機余熱可有效提高系統(tǒng)的制冷量和PER.

3.2.2 冷凍水出水溫度的影響

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、空氣相對濕度為60%時，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三種熱泵系統(tǒng)的制冷量、COP和PER隨冷凍水出水溫度的變化如圖4所示.

圖4 GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能隨冷凍水出水溫度的變化曲線

由圖4可知，隨著冷凍水出水溫度的升高，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三種熱泵系統(tǒng)的制冷量、COP和PER都呈現(xiàn)升高的趨勢.這是由于冷凍水出水溫度升高導(dǎo)致了燃?xì)鈮嚎s式熱泵和吸收式熱泵的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的升高，對制冷循環(huán)更加有利.由圖4a可知，當(dāng)冷凍水供水溫度從5℃增加到12℃時，GEHP的制冷量從41.7 kW增加到57.1kW，GECSAHP的制冷量從59.7 kW增加到78.8 kW，GECDAHP的制冷量從66.5 kW增加到86.6 kW.由圖4b-4c可知，當(dāng)冷凍水供水溫度從5℃增加到12℃時，GEHP、SAHP和 DAHP的 COP分別提高 20%、6%和 5%；GEHP、GECSAHP和GECDAHP三種熱泵系統(tǒng)的PER分別提高21%、14%和13%.

4 結(jié)論

（1）對現(xiàn)有的燃?xì)鈮嚎s式與單效吸收式耦合熱泵（GECSAHP）系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出燃?xì)鈮嚎s式與雙效吸收式耦合熱泵（GECDAHP），采用雙效吸收式熱泵回收燃?xì)獍l(fā)動機余熱，可實現(xiàn)余熱的梯級利用，制冷量可在GECSAHP的基礎(chǔ)上提高10%.

（2）在額定工況下，相比于燃?xì)鈮嚎s式熱泵（GEHP）和GECSAHP，本文提出的GECDAHP的一次能源利用率分別提高了35%和11%.從能源高效利用角度，該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力.

（3）環(huán)境溫度和冷凍水出水溫度均對GECDAHP的性能有顯著影響，因此在滿足用戶末端冷負(fù)荷情況下，適當(dāng)提高冷凍水出水溫度有利于系統(tǒng)節(jié)能.