供暖季節(jié)燃氣機熱泵傳動比的選擇

摘 要

摘要：介紹了燃氣機熱泵的原理及一次能源利用率，分析了單級傳動比和多級傳動比的確定。以一次能源利用率作為評價標準，針對沈陽、北京、武漢和上海4個城市的不同氣候條件，計算和
摘要：介紹了燃氣機熱泵的原理及一次能源利用率，分析了單級傳動比和多級傳動比的確定。以一次能源利用率作為評價標準，針對沈陽、北京、武漢和上海4個城市的不同氣候條件，計算和分析了燃氣機熱泵采用不同單級傳動比運行時的一次能源利用率。在此基礎上設置了多級傳動比，對比分析了采用多級傳動比和單級傳動比的燃氣機熱泵的供暖季節(jié)一次能源利用率。采用多級傳動比的燃氣機熱泵彌補了采用單級傳動比的燃氣機熱泵的不足，拓寬了燃氣機熱泵的適用地區(qū)。
關鍵詞：燃氣機熱泵；單級傳動比；多級傳動比；供暖季節(jié)一次能源利用率
Selection of Drive Ratio of Gas Engine Driven Heat Pump in Heating Season
FANG Zheng，ZHANG Xiaosong，LIU Jianwei
Abstract：The working principle and primary energy ratio(PER)of gas engine driven heat pump are introduced.and the determination of single-stage drive ratio and multi-stage drive ratio are analyzed.Using PER as evaluation criteria，the PERs of gas engine driven heat pump operated with different single-stage drive ratios are calculated and analyzed under different climate conditions of Shenyang，Beijing，Wuhan and Shanghai.Under this，the multi-stage drive ratio is established，and the PERs of gas engine driven heat pump operated with multi-stage drive ratio and single-stage drive ratio in heating season are compared and analyzed.The deficiency of gas engine driven heat pump operated with single-stage drive ratio is remedied by gas engine driven heat pump operated with multi-stage drive ratio，which widens the application area of gas engine driven heat pump.
Key words：gas engine driven heat pump；single-stage drive ratio；multi-stage drive ratio；primary energy ratio in heating season
1 燃氣機熱泵的原理及一次能源利用率
燃氣機熱泵(原理見圖1)在一次能源利用率方面具有明顯的優(yōu)勢[1]，我國對燃氣機熱泵的研究很多[2～10]。通常采用一次能源利用率(縮寫為PER，量符號為，IPER)[11]對燃氣機熱泵的經(jīng)濟性能進行評價，PER的定義式為：
 
式中IPER,c——制冷運行時的一次能源利用率
    Φ0——制冷量，kW
    Φe——回收的余熱量，kW
    Φg——燃氣機耗熱量，kW
    IEER——制冷運行時熱泵的性能系數(shù)
    ηe——燃氣機的熱效率
    ηi——燃氣機與壓縮機的傳動效率
δ——燃氣機的余熱回收系數(shù)
 
式中IPER,h——供熱運行時的一次能源利用率
    Φc——制熱量，kW
    ICOP——供熱運行時熱泵的性能系數(shù)

由式(1)、(2)可知，燃氣機熱泵的一次能源利用率與熱泵的性能系數(shù)、燃氣機的熱效率及余熱回收系數(shù)有關，各因素對PER的影響程度不同。IPER,c、IPER,h分別對ηe、IEER或ICOP求偏導，得：
 
根據(jù)熱泵機組和燃氣機的運行特性可知：燃氣機與壓縮機的傳動效率ηi≈1，一般ηe＜0.4，則1＞1-ηe＞ηe。由于δ＜1，一般IEER、ICOP＞2，因此IEER-δ＞1，ICOP-δ＞1。因此有：
 
    由式(5)可知，按對燃氣機熱泵一次能源利用率的影響大小排列，依次是ηe、δ和IEER或ICOP。因此要想提高PER，應優(yōu)先提高燃氣機的熱效率。
    由于燃氣機和壓縮機之間以等功率傳遞，傳動比不同時，燃氣機與壓縮機的匹配運行狀態(tài)也不同。傳動比決定了燃氣機的運行狀態(tài)，合適的傳動比可使燃氣機高效運行，使燃氣機熱泵有較好的經(jīng)濟性。
2 單級傳動比和多級傳動比
2.1 單級傳動比
    通常燃氣機熱泵的最大負荷工況是單級傳動比確定的主要依據(jù)。在設計燃氣機與壓縮機的匹配時，滿足壓縮機最大負荷狀態(tài)的傳動比值就是使燃氣機具有最好經(jīng)濟性的最小傳動比值。當傳動比大于該值時，燃氣機經(jīng)濟性變差；當傳動比小于該值時，則不能滿足熱泵機組最大負荷時的功率需求。
    燃氣機熱泵供熱的系統(tǒng)特性見圖2，顯示了燃氣機在不同轉速時，熱泵能提供的供熱量與建筑物在不同環(huán)境溫度下所需熱負荷之間的關系。假設在滿足建筑物最大熱負荷(即壓縮機最大負荷，P1點)條件下確定傳動比，此時燃氣機具有最好的經(jīng)濟性，即燃氣機工作在經(jīng)濟轉速區(qū)間內(nèi)，熱泵的其他工作狀態(tài)點(P2，P3等點)也都唯一確定。而實際E燃氣機熱泵大部分時間都處于部分負荷運行狀態(tài)，最大負荷運行時間不超過總運行時間的10%。因此當機組處于部分負荷運行狀態(tài)時，以最大負荷工況確定的傳動比將使燃氣機低效率運行，燃料消耗量大，全年運行經(jīng)濟性差。因此單級傳動比是以犧牲燃氣機的經(jīng)濟性為代價來滿足壓縮機的動力性要求，且當建筑物熱負荷變化范圍較大時，燃氣機在低速、低負荷狀態(tài)下工作時，可能會出現(xiàn)燃氣機效率過低的問題。因此，這種方案并不理想。
 

2.2 多級傳動比
    分析可知，單級傳動比的燃氣機熱泵在建筑物熱負荷變化較大的地區(qū)使用是不經(jīng)濟的，為解決這一問題，可以采用多級傳動比。采用多級傳動比自動變速器取代離合器連接燃氣機與壓縮機，可根據(jù)負荷需求實時改變傳動比，從而大大改善燃氣機的運行特性，充分利用燃氣機的高效運行工況區(qū)，改善燃氣機熱泵的部分負荷運行性能。即P1點不唯一，其他狀態(tài)點也隨著傳動比改變，但P1點所對應的燃氣機轉速都應處于經(jīng)濟轉速區(qū)間內(nèi)，熱效率較高。
    多級傳動比自動變速器中傳動比的確定應遵循以下原則：
   ① 從改善壓縮機容量調(diào)節(jié)范圍角度考慮，應至少包含兩個傳動比：在燃氣機運行轉速范圍內(nèi)，使壓縮機分別達到轉速上限、下限的傳動比i1、i2。i1、i2可分別實現(xiàn)壓縮機的最大和最小容量調(diào)節(jié)。
   ② 應有1個較小傳動比，適于常見部分負荷運行，以充分利用燃氣機的高效低耗運行工況，提高機組全年運行性能。
   ③ 各傳動比之間不宜差別太大，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
   ④ 傳動比不宜設置過大，避免增加變速器的結構復雜性。
   采用多級傳動比后，在每個熱負荷階段，選擇能夠滿足壓縮機功率要求的最小傳動比，作為該熱負荷階段的傳動比，保證燃氣機的高效運行。
3 計算實例
   燃氣機熱泵的優(yōu)勢在于回收了大量的燃氣機余熱，使燃氣機熱泵在供暖季節(jié)具有供熱量大、一次能源利用率高等優(yōu)點，因此本文著重計算分析燃氣機熱泵在供暖季節(jié)采用不同單級傳動比與多級傳動比時的性能。
3.1 計算參數(shù)的設置
    為體現(xiàn)燃氣機熱泵在不同地區(qū)使用的優(yōu)勢，筆者對燃氣機熱泵在4個城市(沈陽、北京、武漢、上海)的使用性能進行了計算分析，這4個城市分別代表東北、華北、華中和江南地區(qū)。4個城市在供暖季節(jié)等于或低于室外某一溫度的平均延續(xù)時間[12～13]見表1。
表1 各城市供暖季節(jié)等于或低于室外某一溫度的平均延續(xù)時間 h
溫度/℃
8
5
4
3
2
1
沈陽
—
3648
—
3229
—
—
北京
—
3096
—
2599
—
—
武漢
1167
 
036
 
—
—
上海
—
269
235
197
188
185
溫度/℃
0
-1
-2
-3
-4
-5
沈陽
2726
—
2431
—
2130
—
北京
1989
—
1469
—
934
—
武漢
400
—
—
—
86
—
上海
142
102
63
30
17
6
溫度/℃
-6
-7
-8
-10
-12
-14
沈陽
1815
—
1469
1123
794
528
北京
474
—
188
106
—
—
武漢
—
—
11
—
—
—
上海
11
9
—
—
—
—
溫度/℃
-16
-18
-20
—
—
—
沈陽
310
148
106
—
—
—
北京
—
—
—
—
—
—
武漢
—
—
—
—
—
—
上海
—
—
—
—
—
—
建筑物為某高檔別墅，建筑面積為800m2，已知室內(nèi)、外計算溫度θin、θout和采暖設計熱負荷Φd，則室外溫度為θ0時建筑物的熱負荷計算公式為：
 
式中Φ1——建筑物的熱負荷，kW
    Φd——采暖設計熱負荷，kW
    θin——室內(nèi)計算溫度，℃
    θ0——室外溫度，℃
    θout——室外計算溫度，℃
    各城市的采暖熱指標推薦值[14](武漢和上海市的采暖熱指標值為經(jīng)驗估算值)及采暖室內(nèi)外計算溫度見表2。取熱泵的冷凝溫度為50℃，蒸發(fā)溫度比室外溫度低2℃，燃氣機余熱回收系數(shù)δ為0.6，熱泵形式為空氣源熱泵。
表2 各城市的采暖熱指標推薦值及采暖室內(nèi)外計算溫度
城市
采暖熱指標推薦值/(W·m-2)
采暖室內(nèi)計算溫度/℃
采暖室外計算溫度/℃
沈陽
65
18
-19
北京
55
18
-9
武漢
50
18
-2
上海
50
18
-2
3.2 燃氣機及壓縮機的性能參數(shù)
    選用的燃氣機及壓縮機的性能參數(shù)分別見表3、4，該燃氣機的實驗負荷特性曲線見圖3、4[15]，表3中燃氣的低熱值為35.17MJ/m3。
表3 TJ376Q燃氣機的主要性能參數(shù)
項目
性能參數(shù)
型號
TJ376Q
型式
3缸，直列水冷，四沖程，頂置凸輪軸，帶平衡軸
總排量/L
0.993
缸徑/mm
76
沖程/mm
73
最大功率(轉速為5600r/min)/kW
37.5
最低燃氣消耗率/(g·kW-1·h-1)
≤301
最大扭矩(轉速為3200～3600r/min)/(N·m)
74.0
壓縮比
9.5
怠速/(r·min-1)
900±50
表4 4PFCY壓縮機的主要性能參數(shù)
項目
性能參數(shù)
型號
4PFCY
氣缸數(shù)
4
氣缸容積/L
0.558
1400r/min時的排氣量/(m3·h-1)
48.7
3000r/min時的排氣量/(m3·h-1)
100.8
轉速/(r·min-1)
500～3500
制冷劑
R134a

根據(jù)圖3擬合出該燃氣機燃氣消耗量(q)與燃氣機轉速(n)、輸出功率(Pe)的關系式：
    q=a0+a1n+a2Pe+a3n2+a4Pe2+a5nPe+a6nPe2+a7n2Pe+a8n3+a9Pe3    (7)
式中q——燃氣機的燃氣消耗量，m3/h
    n——燃氣機的轉速，r/min
    Pe——燃氣機的輸出功率，kW
    式(7)中各項系數(shù)見表5。
表5 式(7)中各項系數(shù)
a0
-14.051007167
a1
0.016187886
a2
-0.498665957
a3
-5.806620493×10-6
a4
-0.011193844
a5
0.000560115
a6
-1.823509731×10-6
a7
-1.139741468×10-7
a8
7.374189819×10-10
a9
0.001003343
    由式(7)計算所得數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的平均相對誤差為1.93%，最大相對誤差為4.48%。式(7)與圖3中曲線的相關系數(shù)為0.998。
3.3 計算結果及分析
3.3.1燃氣機熱泵采用單級傳動比時的性能
    分別計算了4個城市的燃氣機熱泵在不同熱負荷(室外溫度)下，單級傳動比i分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2時的一次能源利用率，計算結果見圖5～8。

    由圖5～8可知：①在供暖季節(jié)使用燃氣機熱泵，若采用單級傳動比，則高傳動比時的一次能源利用率比較低。即傳動比越大，燃氣機熱泵的運行越不經(jīng)濟。②相同傳動比的燃氣機熱泵，其一次能源利用率隨緯度的升高而降低。③熱負荷較小時，低傳動比燃氣機的輸出功率無法滿足壓縮機的功率需求，此時燃氣機會熄火甚至無法啟動。只有通過增大燃氣機的節(jié)氣門開度，提高燃氣機的轉速來滿足需要的熱負荷，但此時燃氣機已處于高速低效工作區(qū)，機組的經(jīng)濟性較差。④當熱負荷較小時，燃氣機熱泵的一次能源利用率較高，原因是：a.工作環(huán)境改善使熱泵的供熱系數(shù)比較高；b.當熱負荷較小、燃氣機轉速較低時，供熱量中回收的燃氣機余熱比例較大；c.當熱負荷最大時，燃氣機熱泵在4個城市中的一次能源利用率都比較低，約為0.6～0.8，但這種惡劣極端天氣的時間在供暖期中所占的比例很小。d.在熱負荷為30～40kW(供暖時間比較集中)時，采用不同單級傳動比的燃氣機熱泵，其一次能源利用率較高，基本都大于1.2。
3.3.2燃氣機熱泵采用多級傳動比時的性能
    遵循多級傳動比的確定原則，結合單級傳動比的計算結果，針對4個城市的不同熱負荷階段，確定了采用多級傳動比的燃氣機熱泵的不同傳動比i(即檔位)，見表6。
 

為比較采用多級傳動比與單級傳動比的優(yōu)劣，將供暖季節(jié)一次能源利用率(縮寫為HPER，量符號為IHPER)[12]作為評價標準，定義式為：
 
式中IHPER——供暖季節(jié)一次能源利用率
    n——不同室外溫度的數(shù)量
    Φc,j——第j個室外溫度時的制熱量，kW
    Φe,j——第j個室外溫度時回收的余熱量，kW
    △tj——第j個室外溫度延續(xù)的時間，h
    Φg,j——第j個室外溫度時燃氣機消耗的燃氣熱量，kW
   4個城市中的燃氣機熱泵，能夠滿足所有室外溫度條件下的熱負荷，采用單級傳動比和多級傳動比時的供暖季節(jié)一次能源利用率見表7。
表7 4個城市燃氣機熱泵供暖季節(jié)一次能源利用率
傳動比
沈陽
北京
武漢
上海
1.6
—
1.4355
—
1.4432
1.8
—
1.2813
—
1.3134
2.0
0.9929
1.1714
1.4956
1.2177
2.2
0.9276
1.0873
1.3363
1.1420
多級
1.2892
1.6707
1.6306
1.6750
    由表7可知：只有傳動比較大時，才能滿足所有室外溫度條件下的熱負荷，即此時燃氣機熱泵在供暖季節(jié)均可使用，但傳動比越大，HPER越小。采用多級傳動比的燃氣機熱泵，其HPER明顯比采用單級傳動比時高。因此采用多級傳動比的燃氣機熱泵，對提高供暖季節(jié)的一次能源利用率作用顯著。
4 結論
    ① 采用多級傳動比的燃氣機熱泵拓寬了燃氣機熱泵的適用地區(qū)，其能夠在東北、華北、華中和江南地區(qū)大力推廣使用，尤其是在華北、華中和江南地區(qū)使用時，供暖季節(jié)一次能源利用率均大于1.6。多級傳動比燃氣機熱泵彌補了單級傳動比燃氣機熱泵的不足(在冬季極端惡劣環(huán)境地區(qū)，如東北地區(qū)，使用受限制，經(jīng)濟性較差)。
    ② 在設計燃氣機熱泵的多級傳動比時，應將室外溫度延續(xù)時間較長、熱負荷較大的供暖時間段內(nèi)的傳動比設置得較小。在多數(shù)情況下，傳動比越小，一次能源利用率越高，而供暖季節(jié)一次能源利用率取決于不同傳動比時運行時間的長短，小傳動比運行時間越長，供暖季節(jié)一次能源利用率越高，節(jié)能效果越明顯。
    ③ 對于多級傳動比，傳動比的數(shù)量不宜過多。雖然傳動比數(shù)量越多，燃氣機熱泵的控制精確度越高，但會增加變速器的結構復雜程度，既增加了設備造價和維護費用，又增加了故障源。我國使用的多級傳動比燃氣機熱泵，其傳動比一般設置為3～4級。
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(本文作者：方箏1、2 張曉松1 劉建偉1 1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司北京 100032；2.天津大學 機械工程學院 天津 300072)