混合动力热泵性能及其节能潜力分析

摘 要:随着节能减排、治理雾霾紧迫性的提高，关于电热泵和燃气热泵性能改善等方面的研究日益增多。燃气热泵用于供热时具有较好的性能但其制冷性能却因无法解决好发动机散热问题而差于电热泵。本文针对此问题，提出了一种新型混合动力热泵技术方案，并建立数学模型对其性能进行研究，模拟分析表明，混合动力热泵在冬季运行燃气机驱动时，其制热性能相比于电热泵一次能源效率可以提高20% 到30%;夏季运行电驱动时，在相同工况和制冷能力时，冷凝温度将降低0.8℃，同时减少风机和压缩机功耗近8%，相对于燃气热泵运行，其一次能源效率提高了约30% 到50%。由此可见，燃气、电力混合动力热泵在全年运行时具有更大的节能潜力。

　　关键词:混合动力热泵;燃气机热泵;一次能源利用率;COP;节能率

　　近年来建筑能耗不断增加，其中与建筑供暖制冷相关的能耗在2012 年已经突破了8 亿吨标煤[1]。传统的满足建筑室内环境的设备主要是以冷水机组与锅炉为主，随着地板辐射供热等新型末端的舒适性研究[2,3]，各种类型的空气源热泵因在制取低温热水方面有着高效率、低污染物排放的特性得到了越来越多的关注[4]。空气源热泵根据驱动源的不同可以分为电热泵和燃料驱动类型的热泵，自2000 年以来，以燃气机热泵为代表的燃料驱动类型的热泵得到了广泛的研究，并且该类热泵因余热回收可使其一次能源效率达到1.8 甚至更高[5-7]，因此能够为节能减排做出较大贡献。

　　然而缸套以及烟气余热在天气炎热时的排放成为了制约燃气机热泵夏季制冷性能的影响因素，目前主要的解决方法主要有两种，一种是余热在夏季用于制取生活热水[8]，但对于生活热水需求不大的建筑还是无法完全解决发动机散热问题;第二种做法是夏季在冷凝器外侧增加排除余热的风冷换热器[6]，两者共用一个风机，但这种做法却间接的影响了机组的冷凝温度，使其温度相对较高从而降低了系统的COP。目前汽车市场出现了很多混合动力汽车，这类汽车的驱动方式可以采用天然气发动机驱动，也可以采用蓄电池内的蓄电驱动[9]，结合这一特点，有部分学者提出了一种类型的混合动力热泵，即在制冷或者制热需求大时采用燃气驱动，当制取能力大于需求时，将多余的部分驱动发电机蓄电，也可以采用燃气与蓄电联合为压缩机提供动力，但发动机余热仍然采用制取生活热水的形式，根本上没有解决燃气热泵在夏季无法高效制冷的问题[10]。相比之下电热泵在制冷时不存在该问题，因此如何将电热泵的制冷优势和燃气机热泵的制热优势互补并发挥最大的节能效果是本文的研究核心。

　　本文提出了电与燃气共同驱动的混合动力热泵系统，建立了数学模型并分析了系统在冬夏季的运行特性，以此为基础分析对比了采用该系统与采用电热泵以及燃气机热泵系统的一次能源消耗情况的对比以及传统燃气热泵夏季运行时的性能与电热泵的对比。

　　1 系统构造

　　本文所提出的混合动力燃气热泵系统如图1 所示，该系统可以分为三部分组成，热泵部分、驱动源部分以及热回收部分，其中驱动源部分由一组锥形齿轮或者皮带轮组以及离合器组成，通过传动轴与热泵部分的开式压缩机相连，热回收部分主要是发动机的缸套热量以及发动机的高温排烟部分。与前人所提出的系统不同，在该系统中驱动源不包含辅助提供动力的蓄电池和夏季为了排除发动机余热而单独设置的风冷换热器[6]或者制备生活热水的换热器。

图1 混合动力热泵的系统原理示意

　　整个系统在运行方式上也与前人所提出系统有所不同，冬季运行时，供暖回水依次经过冷凝器、缸套水换热器以及热回收换热器再供入用户，此时驱动源部分开启燃气发动机以及对应的离合器，电动机侧的离合器断开空转使整个系统具有较高的制热效率;夏季制冷时，三通阀和四通换向阀换向，使室内回水只经过蒸发器，同时燃气发动机不工作，只有电动机直接驱动压缩机，从而解决了燃气热泵夏季因排热问题无法高效制冷的问题。

　　2 数学模型

　　2.1 制冷循环

　　制冷剂采用R410A，蒸发器与冷凝器根据换热能力给定换热能力UA 值，计算中首先根据管外侧参数确定蒸发冷凝温度，进而计算蒸发压力与冷凝压力，蒸发器与冷凝器的计算满足制冷剂与管外介质能量守恒的传热方程，具体方程如(1)–(3)所示;压缩机采用效率模型，根据容积效率与压比的关系以及压缩机进口5℃过热，计算压缩机的出口焓值以及制冷剂流量，再根据非等熵压缩效率计算排气焓值以及压缩机的实际功耗，主要方程如(4)–(7)所示;节流阀则根据冷凝器出口过冷5℃和冷凝器出口的焓值确定蒸发器进口焓值。需要指出的是，当计算燃气热泵夏季的制冷性能时，采用的是冷凝器外加发动机余热散热器的方式，同时考虑余热散热器对冷凝器辐射热量的影响，以反映冷凝温度的提高和压缩机功耗的增加。制冷循环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，各符号的意义如下：

　　Q 为换热量(kW);cp_a 为管外侧介质比热(kJ/(kg·K));m_a 为管外侧介质质量流量(kg/s);ha,in,ha,out为管外侧介质进、出口温度;cp_r 为制冷剂比热(kJ/(kg·K));m_r 为制冷剂质量流量(kg/s);hr,in, hr,out为换热器内制冷剂进、出口焓值(kJ/kg);UA 为换热器换热能力(kW/K);ΔTm为换热器的对数平均温差(K);ηvol为压缩机容积效率;PR 为压缩机压缩比;ηise 为非等熵压缩效率;ρ_r 为制冷剂吸气密度(kg/m3);V 为压缩机的理论输气量(m3/rev);RPM 为压缩机转速，r/min。W_comp 为压缩机功耗(kW);Δh 为压缩机进出口焓差(kJ/kg)。

　　2.2 发动机模型

　　制冷循环封闭后确定发动机模型，设定压缩机与发动机的传动效率为0.95 计算发动机的输出功，再根据发动机的转速和输出功计算当前发动机的负荷率，根据TRNSYS 中发动机机械效率与缸套热量占燃气消耗热量的百分比与发动机负荷率的关系计算燃气消耗量与缸套热量(图2)。最后根据李应林的研究[12]，根据发动机的转速和扭矩计算发动机的排气温度，结合烟气流量和焓值计算烟气的余热回收量。

图2 TRNSYS 有关于发动机的模型

　　模型在计算冬季供热时供热热水先后流经冷凝器，缸套水换热器和烟气热回收换热器，然后再进入用户侧供暖，供水温度设定为45℃;夏季制冷模式时参考了同方FLS 空气源热泵系列样本，以蒸发器7℃出水的情况截取了不同环境温度下机组的制冷量以及功耗，从而得到了电热泵制冷时的COP 性能曲线，再根据不同的发电效率计算电热泵的一次能源效率。

　　为了对比系统性能，模型还将燃气热泵用于夏季制冷使得性能进行了计算，在计算燃气热泵的制冷性能时考虑了室外换热器外增加余热换热器对系统制冷性能的影响，余热换热器对冷凝器会有一部分的热辐射，这部分辐射热会使系统的冷凝温度升高从而导致系统的制冷性能有所下降。

　　2.3 模型性能与验证

　　燃气热泵供热性能随环境温度的变化规律如图3 所示，从图中可知系统的供热能力随着环境温度的升高而升高，同时燃气消耗量则逐渐趋于平稳，同时缸套与烟气余热量也随着燃气输入量的增大而略有增大，但冷凝热仍然是燃气热泵供热时的主要贡献。系统的一次能源利用率(PER)是某温度下系统的制热量与燃气消耗热量的比值。同时从该图中还可以看出系统的余热回收量占总供热量的20% 到28%，该数据与文献[12] 中给出的结果也有较大的一致性。

图3 燃气热泵供热性能随环境温度的变化

　　当燃气热泵用于制冷时，模型验证了系统蒸发器入口水温的变化(环境温度为35℃，发动机转速1300r/min)对系统一次能源效率的影响，并且与文献[13] 进行了对比，其一次能源利用率的相对误差在5% 以内，具体的对比结果如图4 所示。

图4 燃气热泵制冷性能(PER) 随环境温度的变化与实验数据验证

　　3 系统性能及对比分析

　　3.1 冬夏运行设备PER 对比

　　混合动力热泵系统与其他设备制冷性能的对比如图5 所示，系统性能因在冬夏季的运行方式不同故分别进行了对比。由图5(a)所示，燃气热泵在制冷时的性能较差，一次能源利用率相比于燃煤发电的电热泵略有降低，但如果采用燃气发电则电热泵制冷的一次能源效率相比于燃气热泵平均提高30%~50%，可以看出在夏季运行时采用电热泵有巨大的优势。

　　冬季供热时分别对比了燃气热泵，电热泵，燃气锅炉以及燃煤锅炉的一次能源效率对比如图5(b)所示，在此认为燃煤锅炉的热效率为0.7，燃气锅炉的效率为0.9。通过模拟结果发现燃气热泵在供热时的性能相比于传统的锅炉有较大的提升，供热效率可以提高20% 到80%，并且锅炉在制取低温热水时的效率也不会变高，故传统的供热方式应当适当修改。相比于电热泵，燃气热泵的供热一次能源效率会提高20%~30%，也就是说发动机余热回收对提高一次能源利用率有较大贡献。

图5 混合动力热泵系统与其他设备制冷制热性能对比

　　3.2 节能效果定量分析

　　夏季制冷时冷水出水温度为7℃，室外温度为35℃时，采用混合动力热泵时由于室外冷凝器外侧没有发动机余热散热器辐射的影响，会节省风机功耗以及降低冷凝温度，通过模拟可知余热散热器对冷凝器辐射的影响可以致使冷凝温度提高0.8℃，因冷凝温度的升高而导致COP 由原来的3.3 降低至3.23，此处传统GEHP的COP 的定义为制冷量与发动机输出功的比值。冷凝温度与COP 的变化比较如图6 所示。

图6 混合动力热泵夏季制冷性能与传统GEHP 的对比

　　因COP 的降低而导致压缩机的功耗增加了约0.2kW，同时根据同方空气源样本的数据，假设发动机余热散热器的阻力与冷凝器相同，风量不变，则风机功率是原来的两倍，由原来的0.55kW 变为1.1kW。同时制热性能相比于传统的电热泵和锅炉来比较，混合动力热泵冬季运行燃气机驱动模式时具有更大的节能优势，节能率相比于锅炉可以达到50%，相比于空气源电热泵一次能源效率可以提高约0.3，可以大幅减少能源消耗和污染物排放。

　　4 结 论

　　本文提出了一种夏季高效制冷和冬季高效制热的混合动力热泵系统，该系统将电热泵与燃气热泵的优势进行了组合设计出了新的结构形式，并且通过一定的模型计算说明了该系统在供热和供冷方面的优势，具体结论如下。

　　(1)混合动力热泵在冬夏全年运行时的一次能源利用率相比于电热泵可提高20%~30%，相比于燃气热泵可提高30%~50%。

　　(2)通过夏季额定工况的比较，说明混合动力热泵夏季相比于燃气热泵COP 可以提高0.1，另外在额定制冷量为40kW 时，还可以减少风机与压缩机功耗近1kW;冬季可以利用余热进行高效制热，因此混合动力热泵是一种全年运行更加节能的方式和手段。

　　参考文献

　　[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2014[M]. 中国建筑工业出版社，2014.

　　[2] 亢燕铭，沈恒根，徐惠英，等.地板辐射供暖的节能效应分析[J]. 暖通空调，2001,31(4):4–6.

　　[3] 冯晓梅，肖勇全. 低温地板辐射供暖的动态仿真[J]. 建筑热能通风空调，2001,20(6):15–18.

　　[4] 张群力，李印龙，刘宝山，等.低温空气源热泵供热方式在北方供暖地区的适宜性研究[J].建筑科学, 2015, 31(2).

　　[5] Hepbasli A, Erbay Z,Icier F, et al. Areview of gas engine driven heat pumps (GEHPs) for residential and industrialapplications[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(1):85-99.

　　[6] Zhang R R,Lu X S,Li S Z,et al.Analysison the heating performance of a gas engine driven air to water heat pump basedon a steadystate model[J]. Energy Conversion & Management, 2005, 46(s11–12):1714–1730.

　　[7] Zhang X, Yang Z, Wu X, et al.Evaluation method of gas enginedriven heat pump water heater under the workingcondition of summer[J]. Energy & Buildings, 2014, 77(7):440-444.

　　[8] Zhang W, Wang T, Zheng S, et al.Experimental Study of the Gas Engine Driven Heat Pump with Engine HeatRecovery[J].Mathematical Problems in Engineering, 2015, 2015:1-10.

　　[9] 舒红，秦大同，胡建军. 混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报: 自然科学版，2001,24(6):28-31.

　　[10] 姜文秀，蔡亮，邓卫卫. 混合动力燃气热泵冬季运行工况经济性分析[J].化工学报，2014, 65(S2):195-201.

　　[11] Hwang Y. Potential energy benefits ofintegrated refrigeration system with microturbine and absorption chiller[J].International Journal of Refrigeration, 2004, 27(8):816-829.

　　[12] 张荣荣，李书泽，鲁雪生，等. 天然气发动机废热特性的实验及回归分析[J].上海交通大学学报，2005, 39(2):194-197.

　　[13] Elgendy E, Schmidt J. Optimumutilization of recovered heat of a gas engine heat pump used for water heatingat low air temperature[J]. Energy & Buildings, 2014, 80:375–383.