摘要：介绍了燃气机驱动风冷热泵冬季供热时发动机废热利用的两种典型方式，从结构型式、控制手段、设备安装、结霜等方面分析比较了两种废热利用方式的特点,并以一次能源利用率作为废热利用效果的比较指标，分析计算了两种废热利用效果。 关键词：燃气机 风冷热泵 废热利用 一次能源利用率 1 前言 随着“西气东送”重大工程的顺利进行，天然气的应用受到了越来越广泛的xx。在社会总能耗中，建筑业的能耗占相当大的比重，而制冷空调设备又是建筑能耗的主体。因此，合理分配部分天然气能源到建筑行业，是天然气得到合理利用的一个重要手段。 天然气在制冷空调业的应用主要有以下三种方式：（1）燃气机驱动的压缩式热泵空调系统；（2）以天然气为燃料的直燃型吸收式热泵空调机组；（3）其它型式的联供系统或复合式空调系统。其中，燃气机驱动的压缩式风冷热泵（以下简称燃气机热泵）具有高效、节能、一次能源利用率高、污染物排放量低、负荷易于调节、配置灵活等优点，在一些发达国家已经受到了广泛的应用，而在国内，这种燃气机热泵尚处在研制阶段。本文对国外常见的两种燃气机热泵的废热利用方式进行介绍，并进行定性和定量的比较分析，旨在对国内燃气机热泵的设计提供一些参考。 2 国外燃气机风冷热泵常见的两种废热利用的方式 一般情况下，燃气发动机仅仅将燃料中30％左右的能量的转换成机械功[1]，而其余的70％的能量均以废热的形式排放到大气环境中。因此对燃气机热泵来说，供热时必须对废热加以有效利用。对于国外常见的中小型空气－空气燃气机热泵[2-7]来说，发动机废热的利用主要有两种方式：（1）废热供给低压侧制冷剂，（2）废热供给室内送风。 （1） 废热供给低压侧制冷剂 这种燃气机热泵的室外机和室内机的连接管为两根，即所谓的两管制燃气机热泵。典型的一个流程的主要设备如图1所示。 1.发动机 2.压缩机 3.四通阀 4.室内翅片管换热器 5.膨胀阀6.室外翅片管蒸发器 7.翅片管散热器 8.板式换热器 9.废气热回收器 10.缸体热回收器 图1 两管制燃气热泵系统流程及主要设备 在热泵供热时，冷却水通过缸体热回收0间接回收发动机缸体的废热后，再通过和废气热回收器9来吸收废气中的废热。温度较高的冷却水进入板式换器8。然后再回到缸体热回收器10完成了冷却水循环。制冷情况下，冷却水通过翅片管换热器7进行散热，以保证发动机的正常运行。 在这种废热利用方式中，废热通过板式换热器（或套管式换热器）8释放给低温侧制冷剂燃气热泵系统的制冷剂logP-h图同常规热泵系统相比较如图2所示。 图2 两管制燃气热泵供热logP-h图 图中，循环1-2-3-4-1为燃气热泵的循环过程，1’-2’-3-4’-1’为常规电动热泵的循环过程。由于制冷剂在蒸发过程中一部分的热量由换热器8来提供外侧风冷翅片管蒸发器的热负荷比常规的热泵系统小得多。在室外翅片管换热器换热面积同常规热泵相同的情况下，热泵供热时的蒸发温度可以得到提高，热泵的供热性能系数相应的得到了提高。 （2） 废热供给送 废热供给送风的燃气机热泵系统典型的流程如图3所示。 1.发动机 2.压缩机 3.四通阀 4.室内翅片管换热器 5.翅片管换热器 6.膨胀阀 7.室外蒸发器 8.翅片管散热器 9.废气10.缸体热回收器 图3 四管制燃气热泵系统流程及主要设备 这种燃气机热泵的室外机和室内机的连接为四根管，所以称之为四管制燃气机同第（1）种型式相比，这种废热利用的方式对热泵系统本身的循环影响相对比较小。废热利用的方式也非常简单，即室内空气经过室器加热以后，再次经过翅片管换热器5进行加热，以提高送风的温度，增加热泵的供热能力。 这种废热利用方式对热泵循环本身的影响较小是相对而言的。实际上，当室内供热量保持不变的情况下，燃气热环的冷凝温度可以降低，此时，热泵循环的logP-h图如图4所示。燃气热泵的循环为1-2-3-4-1，常规电动热泵的循环为1-2’-3’-4-1。由于热泵冷凝温度的降低，热泵的供热性能系数也高。 图4 四管制燃气热泵供热logP-h图 燃气机热泵的废热利用除以上两种较为典型的方式以外，还有其它多种方式：如有的燃气机热泵设计时将废气直接加热压缩机出口的制冷剂蒸汽，提高压缩机的状态点，来提高系统的供热量；也有的燃气热泵将第（1）种方式中的板式换热器与室外侧翅片管换热器的位置作交换，目的是使得制冷剂在室内换热器出口处实现更大程度的过冷，提高供热量，然后通过板式换热器重新将制冷剂加热；也机热泵废热仅用来加热室外空气。这些燃气热泵的设计不是非常普遍，能量利用率也不高，因此，在这里不作一一分析和讨论。 3 两种典型风冷燃气机热泵的分析比较 以上两种典型的燃气机热泵在实际中都有着广泛的应用。这里，对上述两种典型风冷压缩式燃气热泵从结构本身、控制、除霜及其废热利用效果进行分析与比较。 从结构型式上讲，第（1）种燃气机热泵，即两管制燃气机热泵，废热直接作用于热泵系统的循环工质，室外机的结构相对复杂，而第（2）种四管制燃气机热泵机相对较复杂，而且四管制燃气机热泵的废热需要送入室内，因此废热利用率相对较低。两管制燃气热泵有一个很重要的优点就是室内机同常规的电动热泵xx相同。因此，如果要对原有的电动热泵空调系统进行改造，采用燃气机热泵 机部分无需改动，节约了设备投资和安装的费用。对于有多个室内机（一拖多）或室内管路较为复杂的情况，这种型式的燃气热泵更为有利。 从系统控制的角度上讲，两管制燃气机热点是控制系统较为复杂。由于热泵供热时，室外机内的蒸发器有两个，这两个设备的控制如何控制，以使得热泵能发挥{zd0}的供热能力，这需要根据室外气候条件进行机组的实验的分析。文献[3]的实验指出，当室外温度低于一定值以后，关闭室外风机时系统的供热量要高于打开室外风机时的供热量。其原因可以作如下定性分析。 如图5当室外风机关闭时，废热是热泵的{wy}热源，因此，系统的蒸发压力基本不受室外温度的影响，在图上蒸发压力随着室外温度变化的曲线较为平坦。蒸发压力的曲线必然与制冷剂饱和压力曲线相交于某一点（图中以A表示）。当室外温度低于A点时，系统的蒸发温度要高于室外的环境温度，此时，若打开风机，热量就会从室外翅片管中散失掉。因此对于两管制燃气机热泵，要考虑在低温下热泵的工作性能及其相应的控制手段。而对于四管制燃气热泵，同常规电动热泵相比，仅仅是在室内机附近再增加一个换热器，他对系统的循环影响不大，因此，控制手段仍可沿用常规电动热泵。 图5风机启停模式下系统的蒸发压力变化 风冷热泵的一个突出的特点是热泵在温度较低的环境下工作时需要对室外蒸发器进行除霜。风冷热泵的结霜对系统性能的影响非常大，许多研究者对风冷热泵的除霜进行了很多的研究工作，采取了许多办法。在两管制燃气机热泵中，由于废热承担了一部分系统蒸发所需的热量，因此，热泵的结霜在很大程度上有了改善[3]。因此，两管制燃气机热泵适用于的寒冷地区。对于四管制燃气机热泵，系统的除霜可以依靠常规的方法来解决，如热气旁通、电加热等办法。 燃气机热泵同常规的电动热泵相比较，其优点主要体现在系统的一次能源利用率上，因此对燃气机热泵的废热利用效果也以整个系统的一次能源利用率作为分析比较的指标。除一次能源利用率这个重要参数以外，为方便计算分析，定义另外几个燃气热泵的参数： (1) 发动机机械效率ηe 指发动机将一次能源转换成机械功的比值，则一次能源中总废热量为； (2) 废热回收率ηr 尽管一次能源中有70%是废热，但并不是所有这些废热能够被利用，由于烟气排放、缸体向环境散热等情况，能回收到的废热量只是其中的一部分，ηr指回收到的废热量与一次能源中总废热量的比值 (3) 废热利用率ηu 在废热的实际利用中，由于管路散热，换热过程中热量损失等原因，会损失一部分热量，ηu指实际利用的废热量与回收到的废热量的比值 其中，W ——机械功（kW）； Qp ——一次能源的能量（kW）； Qw ——总废热量（kW）； Qr ——回收到的废热量（kW）； Qu ——实际利用的废热量（kW） 下面以某开启式压缩机在规定的标准工况下提供的测试数据[6]，分别计算两种燃气机热泵的废热利用效果。对于除霜工况，热泵的工作状态不稳定，难于进行定量计算，这里计算热泵在标准工况（室外温度为7℃）下的废热利用情况。 某风冷燃气热泵，先根据夏季的工况设计室外侧翅片管蒸发器（夏季作冷凝器用），得到结构参数如表2： 表2 某室外侧翅片管换热器的结构参数 蒸发器传热系数K 30W/m2·℃ 蒸发器面积Ae 63.07m2 {zd0}风量G 2.72kg/s 在作热泵供热时，若采用两管制的型式，其发动机废热利用的主要目的是提高热泵的蒸发温度，以提高热泵的供热性能系数。根据表2中室外机翅片管换热器的结构，可以通过以下翅片管蒸发器的热平衡方程组计算出常规热电动泵系统的蒸发温度 空气的热平衡式： 　　　　（1） 翅片管换热器的热平衡式： 　　　　（2） 根据压缩机测试数据可得到产冷量的性能曲线： 　　　　（3） 其中： Qe ——热泵系统的蒸发热量（kW）； cpa ——空气的比热（kJ/kg·℃）； t1 ——翅片管换热器空气侧的进口温 度（℃），指室外空气温度； t2 ——翅片管换热器空气侧的出口温 度（℃）； t0 ——系统蒸发温度（℃）； tc ——系统冷凝温度（℃）。 当翅片管换热器的性能参数、换热器进风温度和流量一定，且压缩机性能曲线已知时，联立上述三个方程，就可以解出未知量t0、t2和Qe。假设翅片管换热器在系统制冷和制热时传热系数K均为30W/m2·℃，标准工况下热泵进风温度为7℃，冷凝温度为50℃，风机以{zd0}风量运行，则电动热泵的蒸发温度为-2.1℃，出风温度为2.5℃，系统的蒸发热量为12.4kW。而在燃气机热泵中，新的蒸发温度要比常规的电动热泵的蒸发温度高，且新的蒸发温度t0’的大小必须满足新的蒸发温度下翅片管蒸发器和板式换热器提供的总热量等于新的蒸发温度下系统的所需的蒸发热量。 两管制燃气机热泵通过翅片管换热器吸收的热量为 　　　　（4） 而两管制燃气机热泵通过板式换热器吸收的热量为 　　　　（5） 因此燃气机热泵中翅片管蒸发器和板式换热器能提供的总热量为 　　　　（6） 图6 两管制燃气机热泵在各个蒸发温度下 换热器能提供的热量与系统要求的蒸发热量 图6为新的蒸发温度下系统所要求的蒸发热量和两个换热器所能提供的热量之和的变化曲线。从图中可以看出，随着蒸发温度的提高，热泵系统可以从空气和废热中吸收的热量减少，而系统所要求的蒸发热量随蒸发温度的提高而提高。所以，在实际运行中，两者必定在某个蒸发温度下达到平衡，即新的蒸发温度t0’。假设发动机机械效率ηe为30％，废热回收效率ηr为60％，废热利用效率ηu为90％，可以计算出，燃气机热泵的新的蒸发温度平衡点在1.2℃，比原来的蒸发温度提高3.3℃，而超过1.2℃后，系统通过换热设备从空气和废热中吸收的热量将不能满足系统在该蒸发温度下所需要的蒸发热量的要求。如若继续提高蒸发温度，要使系统正常运行就必须通过增加蒸发面积或提高风机风量来实现了。知道两管制燃气机热泵的蒸发温度以及原定的冷凝温度后，可以通过压缩机样本数据查出压缩机的制冷量Q0和消耗的功率P。这样，制热循环时两管制燃气机热泵的一次能源利用率为 　　　　（7） 若采用四管制燃气机热泵，一次能源利用率的计算比较简便。同常规电动热泵相比，利用废热增加了热泵供热量，其一次能利用率为 　　　　（8） 上式中，Qh1为热泵本身供热量，根据蒸发温度为0℃，冷凝温度为50℃时，通过样本数据查出压缩机的制冷量和消耗功率后相加得到。Qh2为利用燃气机废热的供热量，可利用的废热量为 　　　　（9） 因此，四管制燃气机热泵的一次能源利用率为 　　　　（10） 分析两种型式燃气机热泵的结构型式及式（4~10）可知，两种系统的差别主要在废热利用方式上，且一次能源利用率的大小也同废热利用效率ηu密切相关。计算显示，当其它条件均相同时，两种型式的燃气机热泵的PER值分别同各自的ηu有关。 图7 两种系统在不同的热回收效率区域下 一次能源利用率的比较 图7表示了两种系统一次能源利用率的比较关系。图中的白色区域和灰色区域分别代表了PERfour高于PERtwo和PERtwo高于PERfour的条件。图中的计算结果看出，仅仅在很小的区域（灰色）内（即ηu,four很低，而ηu,two较高的情况下），PERtwo才高于PERfour。这说明，只要四管制燃气热泵在废热利用过程中的热量损失不是很大，四管制燃气热泵的一次能源利用率通常要高于两管制燃气机热泵的一次能源利用率。 4 结论 1．从机组本身来讲，两管制燃气热泵在结构型式、控制手段、系统设计等方面比四管制略显复杂，但从设备安装、空调系统改造、系统结霜性能方面讲，两管制燃气热泵要优于四管制燃气热泵。 2．对废热利用效果计算可知，若四管制燃气热泵废热利用效率不是很低，且热泵用于结霜不是非常严重的气候条件下，那么四管制燃气热泵的废热利用效果通常要比两管制燃气热泵好。