劉鳳國，加磊磊，張 蕊馬振西，田中允，張 鑫

（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）

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，建筑能耗迅猛增長，據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗已占到社會商品總能耗的20%～30%，其中采暖、空調(diào)及熱水能耗占一半以上.由于建筑用能的品位要求不高，室內(nèi)需求溫度與周圍環(huán)境冷熱源溫度接近，因此，直接或者間接利用周圍環(huán)境中冷源熱，是應(yīng)對建筑節(jié)能挑戰(zhàn)，實現(xiàn)建筑“節(jié)能減排”的關(guān)鍵.空氣源熱泵技術(shù)通過吸收利用環(huán)境大氣中低品位熱能，轉(zhuǎn)化為高品位熱能，與傳統(tǒng)供熱方式相比能達(dá)到節(jié)能減排的目的，且通過四通換向閥控制冷媒流向從而實現(xiàn)制冷、制熱兩項功能[1-2].空氣源燃?xì)鈾C熱泵以天然氣為能源輸入，通過燃?xì)獍l(fā)動機驅(qū)動壓縮機，與常規(guī)空氣源電熱泵相比，具有以下三點優(yōu)勢:①利用發(fā)動機余熱（發(fā)動機缸套熱回收和煙氣熱回收）進(jìn)行除霜，可有效彌補常規(guī)電熱泵除霜時影響用戶室內(nèi)熱舒適性的缺點；②燃?xì)獍l(fā)動機易于調(diào)速，較電熱泵相比，系統(tǒng)具有良好的部分負(fù)荷特性；③充分回收發(fā)動機余熱并用于制取生活熱水，有效提高了系統(tǒng)的COP 和PER[3-6].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于燃?xì)鈾C熱泵技術(shù)的研究多集中在供熱、制冷、食物干燥等領(lǐng)域[7-11].

在理論建模方面，HU 等[12]建立了空氣源燃?xì)鈾C熱泵模型并對制熱模式進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明:在室外溫度10 ℃條件下，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 400 r/min增加至2 000 r/min，系統(tǒng)制熱量上升了26.9%，PER降低17.6%；在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 條件下，當(dāng)室外環(huán)境溫度由10 ℃降低至2 ℃時，制熱量和PER 分別降低14.6%和11.8%.YANG 等[13]建立了空氣源燃?xì)鈾C熱泵仿真模型并在制熱模式下進(jìn)行了實驗驗證，其結(jié)果表明:系統(tǒng)制熱量隨著熱水水流量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增加；隨著熱水溫度的升高而減??；系統(tǒng)COP 和PER隨著熱水流量的增加而增加，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和熱水溫度的升高而降低.ZHANG 等[14]建立了燃?xì)鈾C空氣-水熱泵模型，研究分析了考慮余熱回收的情況下燃?xì)鈾C空氣-水熱泵的供熱性能，結(jié)果顯示燃?xì)鈾C空氣-水熱泵余熱回收量占系統(tǒng)總產(chǎn)熱的1/3.

在實驗研究方面，楊昭等[15]搭建了一臺天然氣發(fā)動機驅(qū)動的壓縮式水-水熱泵實驗臺，在不同工況和轉(zhuǎn)速下對實驗臺進(jìn)行了性能測試.結(jié)果表明:燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)具有制冷特性、整體特性以及良好的部分負(fù)荷特性，系統(tǒng)的PER 為1.13～1.79. ELGENDY 等[16]對發(fā)動機余熱用作輔助蒸發(fā)和直接加熱熱水兩種模式下的機組性能進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明:在相同工況下，發(fā)動機余熱用于輔助蒸發(fā)時，PER 最大能達(dá)到1.25；而直接加熱熱水時，PER 值最大為1.83.另外，文獻(xiàn)[17]對燃?xì)鈾C熱泵冷凝器熱水、發(fā)動機余熱回收串聯(lián)供熱特性進(jìn)行了試驗研究.結(jié)果表明制熱模式下熱水出口溫度可以達(dá)到70℃.楊昭等[18]對燃?xì)鈾C熱泵啟動、正常運行階段過熱度控制策略以及燃?xì)鈾C變轉(zhuǎn)速對過熱度控制的影響進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，啟動階段采用前饋-模糊自適應(yīng)PID 控制策略，其過熱度最大超調(diào)量小于5 ℃，正常運行階段采用模糊自適應(yīng)PID可有效克服系統(tǒng)干擾，提高控制質(zhì)量，且與低轉(zhuǎn)速運行相比，在高轉(zhuǎn)速運行時過熱度控制效果更優(yōu).DONG等[19]研究了發(fā)動機轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷凝器進(jìn)水對GEHP系統(tǒng)制熱性能進(jìn)的影響. 實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)COP和PER 隨環(huán)境溫度的升高而增加，隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而降低；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速由1 400 r/min 增加到2 600 r/min，系統(tǒng)總制熱量和發(fā)動機總耗能分別增加30%和89%，但系統(tǒng)COP 和PER 分別降低44%和31%.可以得出，發(fā)動機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響較環(huán)境溫度和冷凝水進(jìn)水溫度更為顯著.Liu 等[20]對采用蒸發(fā)式冷凝器的燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)制冷模式運轉(zhuǎn)進(jìn)行了試驗研究，其實驗結(jié)果表明，隨著蒸發(fā)式冷凝器空氣流速的增加以及環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)的制冷量和PER 都增加，而發(fā)動機能耗和廢熱均降低.與傳統(tǒng)空氣源燃?xì)鈾C熱泵相比，CO2排放量和輸入熱負(fù)荷分別減小了8.8%和16.3%，系統(tǒng)PER 最高可達(dá)1.55，發(fā)動機廢熱回收所占發(fā)動機能耗的百分比超過55%. ELGENDY 等[21]以R410A 為工質(zhì)對燃?xì)鈾C熱泵的制冷、供熱性能進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明:與室外環(huán)境溫度和冷凍水流速的影響相比，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對系統(tǒng)性能的影響更為明顯；當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從12.2 ℃升高到23 ℃時，系統(tǒng)的PER 增加了22%；此外，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 200 r/min 增加到1 750 r/min 時，系統(tǒng)的PER 降低了16%.

燃?xì)鈾C熱泵典型運行模式包括三個方面:①在環(huán)境溫度22 ℃以上時，向用戶提供制冷并供應(yīng)生活熱水是燃?xì)鈾C熱泵夏季典型運行模式；②在環(huán)境溫度12 ℃以下時，向用戶供暖并供應(yīng)生活熱水是燃?xì)鈾C熱泵冬季典型運行模式；③在環(huán)境溫度13 ℃至21 ℃時，僅向用戶供應(yīng)生活熱水為燃?xì)鈾C熱泵過渡季節(jié)典型運行模式.以上學(xué)者對燃?xì)鈾C熱泵的研究主要集中在夏季和冬季運行特性，對燃?xì)鈾C熱泵過渡季節(jié)供生活熱水的性能研究很少.本文對過渡季節(jié)供生活熱水模式下燃?xì)鈾C熱泵的性能進(jìn)行實驗研究，主要分析了在制取55 ℃生活熱水的循環(huán)加熱過程中，室外環(huán)境溫度、冷凝器進(jìn)水溫度以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等因素對機組性能的影響規(guī)律，為空氣源燃?xì)鈾C熱泵機組的設(shè)計和高效運行提供參考和指導(dǎo).

1 實驗裝置

燃?xì)鈾C熱泵實驗系統(tǒng)見圖1.如圖1 所示，該實驗系統(tǒng)可分為熱泵循環(huán)、余熱回收循環(huán)和冷卻水循環(huán)（夏季運行時為冷凍水循環(huán)，冬季與過渡季節(jié)運行時為冷卻水循環(huán)）三個子系統(tǒng).在熱泵循環(huán)中，低溫低壓的氣態(tài)冷媒經(jīng)壓縮機壓縮為高溫高壓的氣態(tài)，在板式冷凝器（夏季運行時為板式蒸發(fā)器）中放熱冷凝變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài).高溫高壓的液相冷媒依次通過高壓儲液器、干燥過濾器、供液電磁閥等輔助設(shè)備，經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流為低溫低壓的液態(tài).該低溫低壓的液相冷媒在翅片管式蒸發(fā)器中吸收環(huán)境空氣的熱量而蒸發(fā)為低溫低壓的氣態(tài)，經(jīng)氣液分離器分離出氣態(tài)中含有的少量液態(tài)冷媒后進(jìn)入壓縮機吸氣口，完成冷媒循環(huán).

圖1 燃?xì)鈾C熱泵實驗系統(tǒng)

對于余熱回收循環(huán)，可分為發(fā)動機缸套熱回收和煙氣熱回收兩部分.發(fā)動機缸套水經(jīng)過發(fā)動機內(nèi)循環(huán)水泵帶走發(fā)動機氣缸壁廢熱，保證了發(fā)動機正常工作所需要的溫度. 而后通過缸套水板式換熱器放出熱量，使缸套水溫度始終保持在80～90 ℃之間，以確保發(fā)動機的平穩(wěn)運行.發(fā)動機煙氣經(jīng)管殼式排煙換熱器換熱后，溫度降至50～60 ℃排入大氣中.

測試時，熱水箱1 中的水利用余熱回收循環(huán)水泵，依次流經(jīng)缸套水板式換熱器和管殼式排煙換熱器，分別吸收缸套壁廢熱和煙氣余熱.冷卻塔1 對熱水箱1進(jìn)行水溫調(diào)節(jié). 在冷卻水循環(huán)中，熱水箱2 中的水流經(jīng)板式冷凝器，吸收冷媒側(cè)的冷凝熱，最后利用冷卻塔2 對熱水箱2 進(jìn)行水溫調(diào)節(jié).燃?xì)鈾C熱泵實驗樣機見圖2.

本實驗裝置的主要配件和主要測量儀器參數(shù)表分別見表1 和表2.本系統(tǒng)采用R134a 作為熱泵系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì).

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各余熱回收換熱器進(jìn)出口的熱水溫度和水流量，燃?xì)獍l(fā)動機余熱回收系統(tǒng)缸套熱回收量、煙氣熱回收量和總余熱回收量由下式確定，即

表1 燃?xì)鈾C熱泵主要配件型號

圖2 燃?xì)鈾C熱泵實驗樣機

式中:Qcyl為缸套熱回收量，kW；cp，w1為熱水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；mw1為余熱循環(huán)水流量，kg/s；Tcyl，out為缸套換熱器出水溫度，℃；Tcyl，in為缸套換熱器進(jìn)水溫度，℃；Qexh為煙氣熱回收量，kW；Texh，out為排煙換熱器出水溫度，℃；Texh，in為排煙換熱器進(jìn)水溫度，℃；Qwh為總余熱回收量，kW.

根據(jù)冷凝器進(jìn)出口冷卻水溫度和流量，制熱量和總產(chǎn)熱量可分別由下式確定，即

式中:Qcon為制熱量，kW；cp，w2為冷卻水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；mw2為冷卻水流量，kg/s；Tcon，out為冷凝器出水溫度，℃；Tcon，in為冷凝器進(jìn)水溫度，℃；Qth為總產(chǎn)熱量，kW.

燃?xì)夂臍饬坑嬎愎綖?/p>

式中:Qeng為燃?xì)夂臍饬浚琸W；HL為燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3；Lgas為燃?xì)饬髁?，m3/s.

發(fā)動機輸出功率計算公式為

式中:P 為發(fā)動機輸出功率，kW；η 為發(fā)動機效率.

系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP 和一次能源利用率PER 可分別由下式確定

3 結(jié)果與討論

本文在搭建的燃?xì)鈾C熱泵實驗臺上，分別測試了在不同環(huán)境溫度、不同熱水溫度和不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速條件下，燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)的余熱回收量、燃?xì)夂臍饬俊l(fā)動機輸出功率、COP 以及PER 等參數(shù)的變化趨勢和性能特性.

3.1 環(huán)境溫度的影響

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，冷凝器進(jìn)水溫度為45 ℃工況時，環(huán)境溫度對燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)性能的影響規(guī)律見圖3.

余熱回收量隨環(huán)境溫度的變化見圖3a. 從圖3a可以看出，隨著環(huán)境溫度的增加，缸套熱回收、煙氣熱回收以及總余熱回收量都增加.當(dāng)環(huán)境溫度從13.4 ℃增加到19.6 ℃，缸套熱回收、煙氣熱回收以及總余熱回收量分別增加5.1%、7.9%和6.8%.燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功率隨環(huán)境溫度的變化見圖3b.從圖3b 可以看出，燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功率都隨著環(huán)境溫度的增加而增加.當(dāng)環(huán)境溫度從13.4 ℃增加到19.6 ℃，燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功率分別增加1.39 kW 和0.32 kW.制熱能力隨環(huán)境溫度的變化見圖3c.從圖3c可以看出，熱泵制熱量和燃?xì)鈾C熱泵總產(chǎn)熱量都隨著環(huán)境溫度的增加而增加.當(dāng)環(huán)境溫度從13.4 ℃增加到19.6 ℃，制熱量和總產(chǎn)熱量分別增加29.4%和20.3%.COP 和PER 隨環(huán)境溫度的變化見圖3d.從圖3d 可以看出，系統(tǒng)COP 和PER 都隨著環(huán)境溫度的增加而增加.當(dāng)環(huán)境溫度從13.4 ℃增加到19.6 ℃，COP 從3.29增加到4.02，PER 從1.27 增加到1.44，分別增加22.2%和13.6%.分析以上規(guī)律，主要原因是環(huán)境溫度增加，蒸發(fā)溫度增加，單位質(zhì)量制冷劑所需要的壓縮機耗功減少，同時吸氣比容減小，導(dǎo)致制冷劑質(zhì)量流量增加，綜合效果會使得壓縮機耗功小幅度增加，所以燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功都小幅度增加.由于燃?xì)夂臍饬坑兴黾?，所以?dǎo)致余熱回收量也小幅度增加.由于蒸發(fā)溫度的增加，使得制冷量和耗功都增加，所以制熱量明顯增加，總產(chǎn)熱量也由于制熱量的增加而明顯增加.由于制熱量和總產(chǎn)熱量大幅度增加.而發(fā)動機輸出功和燃?xì)夂臍饬吭鲩L幅度很小，所以系統(tǒng)COP 和PER 也明顯增加.

3.2 冷凝器進(jìn)水溫度的影響

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，環(huán)境溫度為16.8 ℃時，冷凝器進(jìn)水溫度對燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)性能的影響規(guī)律見圖4.

余熱回收量隨環(huán)境溫度的變化見圖4a. 從圖4a可以看出，缸套熱回收、煙氣熱回收以及總余熱回收量都隨冷凝器進(jìn)水溫度的增加而增加.當(dāng)進(jìn)水溫度從30.6 ℃增加到54.9 ℃，缸套熱回收、煙氣熱回收以及總余熱回收量分別增加60%、54%和56%. 燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功率隨環(huán)境溫度的變化見圖4b.從圖4b 可以看出，當(dāng)進(jìn)水溫度從30.6 ℃增加到54.9 ℃，燃?xì)夂臍饬繌?1.8 kW 增加到25 kW，發(fā)動機輸出功率從5 kW 增加到5.8 kW.制熱能力隨環(huán)境溫度的變化見圖4c.從圖4c 可以看出，當(dāng)進(jìn)水溫度從30.6 ℃增加到54.9 ℃，制熱量從20.4 kW 降低到15.8 kW，降低了22%，而總產(chǎn)熱量僅增長了4%，無明顯變化. COP 和PER 隨環(huán)境溫度的變化見圖4d.從圖4d 可以看出，系統(tǒng)COP 和PER 都隨冷凝器進(jìn)水溫度的增加而降低.當(dāng)進(jìn)水溫度從30.6 ℃增加到54.9 ℃，系統(tǒng)COP 從4.1降低至2.8，降低了32%，PER 從1.39 降低至1.26，降低了10%.分析以上規(guī)律，主要原因是冷凝器進(jìn)水溫度增加，使得冷凝溫度升高，冷凝壓力升高，壓縮機壓縮比增大，導(dǎo)致壓縮機耗功增加，這就需要更多的能量輸入以滿足壓縮機的耗功增加.因此燃?xì)夂臍饬亢桶l(fā)動機輸出功率都增加，總廢熱也相應(yīng)增加，最終結(jié)果使得余熱回收量明顯增加. 因為冷凝器進(jìn)水溫度升高，冷凝器中冷卻水與制冷劑的換熱效果惡化，所以制熱量有所降低，但由于余熱回收量明顯增加，使得總產(chǎn)熱量僅有小幅度增加.由于發(fā)動機輸出功和燃?xì)夂臍饬慷荚黾?，而制熱量降低，總產(chǎn)熱量無明顯變化，所以系統(tǒng)COP 和PER 都相應(yīng)降低，且COP 降低幅度較PER 降低幅度更為明顯.

圖3 系統(tǒng)性能隨環(huán)境溫度的變化

圖4 系統(tǒng)性能隨冷凝器進(jìn)水溫度的變化

3.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響

在冷凝器進(jìn)水溫度50 ℃，環(huán)境溫度16.8 ℃時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)性能的影響見圖5.

圖5 系統(tǒng)性能隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化

余熱回收量隨環(huán)境溫度的變化見圖5a.從圖5a可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 時，缸套熱回收、煙氣熱回收以及總余熱回收量分別為4.3，6.4，0.7 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 時，分別為6.8，8.5，15.3 kW.由此可以得出從1 400 r/min 增加到1 800 r/min，三者分別增加59.0%、33.5%、43.8%.燃?xì)夂臍饬?、發(fā)動機輸出功率及制熱能力隨環(huán)境溫度的變化見圖5b 和5c.由圖5b 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 400 r/min 增加到1 800 r/min，燃?xì)夂臍饬繌?4.4 kW 增加到34.1 kW，發(fā)動機輸出功率從5.6 kW 增加到7.8 kW.從圖5c 得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 400 r/min 增加到1 800 r/min，制熱量從21.8 kW 增加到25.7 kW，增長了17.5%，系統(tǒng)總產(chǎn)熱量從32.5 kW增加到41.0 kW，增長了26.2%. COP 和PER 隨環(huán)境溫度的變化見圖5d.從圖5d 可知，系統(tǒng)COP 和PER都隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而降低.當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 400 r/min增加到1 800 r/min，COP 從3.89 降低到3.27，降低了15.9%，PER從1.33 降低到1.20，降低了9.7%.分析以上規(guī)律，其主要原因是發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，根據(jù)能量平衡可知所需要消耗的燃?xì)饬吭龃?，所以燃?xì)夂臍饬吭黾?，發(fā)動機廢熱增加，因此余熱回收都有所增加.由于轉(zhuǎn)速增加，使得制冷劑質(zhì)量流量增大，壓縮機耗功和制熱量都增加，總產(chǎn)熱量也增加.但是由于制熱量和總產(chǎn)熱量的增長幅度分別小于發(fā)動機輸出功率和燃?xì)夂臍饬康脑鲩L幅度，所以系統(tǒng)COP 和PER都相應(yīng)地降低，且COP 降低幅度較PER 更為明顯.

4 結(jié) 論

本文測試了燃?xì)鈾C熱泵系統(tǒng)在過渡季節(jié)供熱水工況下的性能. 重點分析了不同環(huán)境溫度、不同冷凝器進(jìn)水溫度以及不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)余熱回收、制熱量、燃?xì)夂臍饬俊l(fā)動機輸出功率、COP 以及PER等性能參數(shù)的影響規(guī)律.得出以下結(jié)論.

（1）在環(huán)境溫度為13.4～19.6 ℃、冷凝器進(jìn)水溫度為30.6～54.9 ℃、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r/min 實驗工況范圍內(nèi)，系統(tǒng)COP 最高可達(dá)4.1，PER 最高可達(dá)1.44.

（2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，冷凝器進(jìn)水溫度為45 ℃工況下，當(dāng)環(huán)境溫度從13.4 ℃增加到19.6 ℃，COP 從3.29 增加到4.02，PER 從1.27 增加到1.44，分別增加22.2%和13.6%.由此可見，環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響較為明顯.

（3）發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，環(huán)境溫度為16.8 ℃時，當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度從30.6 ℃增加到54.9 ℃，系統(tǒng)COP 和PER 分別降低了32%、10%.可見，在滿足用戶需求的前提下，盡可能使機組在低回水溫度工況下運行，以保證更高的系統(tǒng)性能.

（4）冷凝器進(jìn)水溫度為50 ℃，環(huán)境溫度為16.8 ℃時，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 400 r/min 增加到1 800 r/min，COP 和PER 分別降低了15.9%、9.7%.可見，在滿足用戶需求的條件下，低轉(zhuǎn)速運行具有更高的經(jīng)濟性.