王明涛，刘焕卫，张百浩

（1鲁东大学能源与动力工程系，山东 烟台 264025；2天津大学机械工程学院，天津 300072）

燃气机热泵供热性能规律的理论和实验研究

王明涛1,2，刘焕卫2，张百浩2

（1鲁东大学能源与动力工程系，山东 烟台 264025；2天津大学机械工程学院，天津 300072）

燃气机热泵（gas engine-driven heat pump）是一种节能环保的供热系统。为了研究燃气机热泵的能源利用效率，利用构建的燃气机热泵实验台，通过理论分析和实验测试研究了燃气机转速、冷凝器进水流量、冷凝器进水温度对系统性能[供热总量、制热性能系数（COP）以及一次能源利用率（PER）]的影响规律。结果表明：燃气机热泵系统供热量随着冷凝器进水流量、燃气机转速的增加而增加，随着冷凝器进水温度的提高而减少。COP和PER随着燃气机转速和进水温度的升高而减少，进水流量对系统性能系数的影响较小。回收的余热占燃气机热泵系统总供热量的40%左右，在考虑余热回收的情况下，燃气机热泵的一次能源利用率在1.15～1.47之间。

天然气；热力学；燃气机热泵；压缩机；余热回收；一次能源利用率；冷凝器进水温度

Key words: natural gas; thermodynamics; gas engine-driven heat pump; compressor; waste heat recovery; primary energy ratio; condenser water inlet temperature

引 言

燃气机热泵是利用燃气发动机驱动蒸气压缩式热泵，同时回收发动机缸套余热和烟气余热的新型空调装置[1-3]。与普通的电动热泵和燃气或燃煤锅炉相比，燃气机热泵具有3个明显的优势：（1）由于回收利用燃气机的缸套余热和烟气余热，系统的供热量和一次能源利用率（primary energy ratio）明显提高。Nowakowski等[4]的研究表明，回收的缸套余热和烟气余热可以使燃气机热泵系统的整体效率提高15%～25%。（2）通过改变燃气机的转速可以间接改变压缩机转速，能够更有效地匹配负荷变化[5-7]。（3）由于燃气机热泵具有更高的能源利用率，因此在满足同样热负荷的情况下，燃气机热泵的能耗和排放的CO2更少[8-11]。

Elgendy等[12-13]研究了使用R410A作为工质的燃气机热泵的制冷性能，对影响系统性能的因素：燃气机转速、室外环境温度、蒸发器进水温度及流量等进行了实验研究。实验结果表明：蒸发器进水温度对系统性能的影响程度大于室外空气温度和蒸发器进水流量的影响，系统的一次能源利用率随着燃气机转速的升高而降低。吴集迎等[14]搭建了沼气机热泵系统，并进行了性能实验。在仅回收沼气机烟气余热的工况下，沼气机热泵系统的一次能源利用率为0.8～1.4。文献[15]实验研究了燃气机热泵系统（未对发动机余热回收）在制冷工况的运行特性，实验结果表明：当蒸发器的进水温度从13℃升高到24℃时，系统的一次能源利用率增加了22.5%。文献[16-18]建立了一种蓄电池和燃气发动机联合驱动的混合动力燃气机热泵空调装置，在分析燃气发动机和蓄电池的动态负荷特性以及系统功能特性的基础上，建立了混合动力燃气机热泵系统4种能量分布模型，并对此系统和常规燃气机热泵系统的性能进行了分析，结果表明：此系统的平均热效率比常规燃气机热泵系统的热效率高5%左右。Sun等[19-20]利用燃气机热泵进行制冷和提供生活热水，其一次能源利用率达到1.9，节约一次能源达40.9%（同直燃式吸收式制冷和锅炉供热方式相比）。

为了提高燃气机热泵的能源利用效率，本文通过燃气机热泵实验台，采用理论分析和实验测试相结合的方法，对影响其运行性能的参数进行了研究，分析了燃气机转速、冷凝器进水流量及冷凝器进水温度与回收余热、供热总量、COP以及PER的关系，得到了燃气机热泵部分负荷下的供热性能规律。

1 燃气机热泵实验台

燃气机热泵工作原理和实验样机外形如图1和图2所示，该系统包括热泵系统、燃气机系统、余热回收系统和数据采集控制系统，系统的主要部件参数见表1。燃气机为四缸四冲程电喷发动机；热泵系统的开启往复式压缩机通过皮带与燃气机相连；余热回收系统包括烟气换热器和缸套换热器。回收的烟气余热一方面可以提高供水温度，增加系统供热量；另一方面，在低温工况下，可以用回收的烟气余热来进行除霜。此系统包括3个循环，即制冷剂循环、燃气机冷却液（乙二醇-水溶液）循环和热水供热循环。

表1 燃气机热泵主要实验部件参数Table 1 Main test parts parameter of GEHP

（1）制冷剂循环：从压缩机出来的高压蒸气，经过四通换向阀进入冷凝器，在冷凝器中放热冷凝变成高压液体，经过贮液器后，流经电子膨胀阀节流，进入蒸发器，吸热后变成过热蒸气，然后经过气液分离器进入压缩机，完成循环。

（2）燃气机冷却液循环：燃气机运行后，缸套换热器的冷却液用来回收缸套余热。当缸套内冷却液的温度超过80℃时，水泵1运行，用回收的缸套余热加热水箱中的乙二醇-水溶液。当水箱中的溶液温度超过60℃时，开启水泵2，来自水箱的热溶液经过烟气换热器1回收烟气余热。经过二次加热的溶液经过阀门1（此时阀门2关闭），进入换热器2继续加热来自冷凝器的热水，然后返回水箱。当需要除霜时，关闭阀门1，开启阀门2，来自烟气换热器的热溶液经过阀门2进入蒸发器除霜，完成后返回水箱。

（3）热水供热循环：房间回水流经冷凝器升温后，进入换热器2吸收回收的缸套和烟气余热，升温后供给热用户，然后返回冷凝器。

图1 燃气机热泵原理Fig. 1 Schematic diagram of gas engine-driven heat pump

图2 燃气机热泵实验台Fig. 2 Experimental set-up of GEHP system

2 燃气机热泵的能量利用分析

通过分析燃气机热泵能量平衡方程式，研究系统输入输出能量的分配情况，对于减少热损失、充分利用缸套余热和烟气余热，提高系统的能源利用效率具有重要意义。

燃气机热泵的热平衡可表示为[21]

式中，Qb为燃气机的一次能耗，kW；Qe为蒸发器从低温热源吸收的热量，kW；Qw为回收的缸套余热，kW；Qg为回收的烟气余热，kW；Qc为冷凝器释放的热量，kW；Qs为系统的总能量损失，kW。

燃气机的一次能耗为

式中，Gb为天然气的流量，kg·s−1；eb为天然气的低位热值，kJ·kg−1。

压缩机的轴功率为

式中，mr为制冷剂的流量，kg·s−1；h1为压缩机进口制冷剂焓值，kJ·kg−1；h2为压缩机出口制冷剂焓值，kJ·kg−1；ηm为压缩机的轴效率；Pw为压缩机说明书中的输入功率；a为压缩机输入功率的转速因数；η为皮带传动效率。

回收的缸套余热为

式中，cp为冷却介质的比热容，kJ·(kg·K)−1；mw为冷却介质的流量，kg·s−1；T1、T2分别为冷却介质在发动机缸套进、出口处的温度，K。

回收的烟气余热为

式中，mg为排烟换热器中冷却介质的流量，kg·s−1；分别为排烟换热器中冷却介质进、出口温度，K。

回收的总热量为

冷凝器释放的热量为

式中，mc为冷凝器进水流量，kg·s−1；cc为水的比热容，kJ·(kg·K)−1；分别为冷凝器进、出水温度，K。

系统总供热量为

评价燃气机热泵制热工况的主要参数为制热性能系数和一次能源利用率。

不考虑余热利用的制热性能系数

考虑余热利用的制热性能系数

一次能源利用率

3 实验测试与分析

为了定量分析燃气机热泵的部分负荷供热特性、烟气余热和缸套余热对系统制热系数和一次能源利用率的影响，本文通过燃气机热泵实验装置进行了实验测试。实验研究了不同工况下燃气机热泵供热性能，重点分析了冷凝器进水温度、冷凝器进水流量和燃气发动机转速等因素对燃气机热泵系统供热总量、回收余热、性能系数和一次能源利用率的影响规律。

3.1 冷凝器进水温度对系统性能的影响

冷凝器进水温度的高低决定冷凝压力的高低，直接影响燃气机热泵的系统性能。燃气机热泵系统工作时，加热水箱2中的水，当水温升高至设定温度时，将烟气换热器1出口的热水旁通至备用水箱，使冷凝器进口水温保持稳定。

图3是燃气机转速为1300 r·min−1，冷凝器进水流量为1.25 kg·s−1，缸套水流量为0.47 kg·s−1，烟气换热器水流量为0.59 kg·s−1，环境温度为5℃左右，系统热量随冷凝器进水温度的变化曲线。由图可知，随着进水温度的升高，燃气机热泵系统总供热量呈减少趋势。当进水温度由27℃增加到40℃时，系统总供热量减少了10.1%，而系统的一次能耗增加了13.2%。主要原因是随着进水温度的升高，系统的冷凝压力和压比也不断增高，造成制冷剂流量减少，所以系统总供热量减少。压力升高导致压缩机耗功增加，因此系统的一次能耗增加。

图3 冷凝器进水温度对系统热量的影响Fig.3 Effect of condenser water inlet temperature on heating capacity of GEHP

图4是系统的COP和PER随冷凝器进水温度的变化情况。从图中可以看出，系统COP1、COP2和PER随着进水温度升高而降低，当进水温度由27℃增加到40℃时，COP1、COP2和PER分别降低22.1%、27.4%和20.6%。主要原因是随着冷凝器进水温度的升高，系统冷凝热和供热总量减少，而一次能耗和压缩机耗功却相应增加，因此系统的COP1、COP2和PER不断降低。

图4 冷凝器进水温度对COP和PER的影响Fig.4 Effect of condenser water inlet temperature on performance index of GEHP

3.2 余热回收对系统性能的影响

从图3中可以看出，由于回收了燃气机的烟气余热和缸套余热，系统的总供热量大幅度提高。当冷凝器进水温度分别为26.5、32.1和40.0℃时，回收的余热量分别为20.0、21.1、21.2 kW，系统总供热分别为55.4、52.7和49.83 kW；余热占总热量的比例分别为36.1%、40.0%和42.5%。当供水温度越高时，回收余热在总供热量中所占的比例越高，这也是燃气机热泵的优势所在。

3.3 冷凝器进水流量对系统性能的影响

燃气机热泵可以通过调节冷凝器进水的流量，使系统供水温度维持在45～65℃之间。冷凝器进水流量可以通过变频器，改变水泵3的转速，进而改变进水流量。图5和图6是燃气机转速为1300 r·min−1，环境温度为5℃左右，冷凝器进水流量对系统总供热量、COP和PER的影响规律。

图5 冷凝器进水流量对系统总供热量的影响Fig.5 Effect of condenser water flow rate on heating capacity of GEHP

图6 冷凝器进水流量对系统COP和PER的影响Fig.6 Effect of condenser water flow rate on performance index of GEHP

从图5中可以看出，系统的制热量随着冷凝器进水流量的增加而增加。当冷凝器进水流量由1.25 kg·s−1增加到1.54 kg·s−1时，制热量增加2.5%左右，增加幅度很小。主要原因是当冷凝器进水流量增加时，减少了冷凝器的传热温差和热量散失。

图6是冷凝器进水流量对系统COP和PER的影响规律，由图可知，不同的冷凝器进水流量对系统COP和PER影响很小。主要原因是冷凝器进水流量增加时，冷凝器进、出水温差将相应减少，因此冷凝器的制热量变化幅度很小。

3.4 燃气机转速对系统性能的影响

燃气机热泵可以通过调节燃气机转速间接调节系统负荷，这是燃气机热泵的优势之一，因此研究不同转速下系统的性能特点，对优化燃气机的运行工况、提高系统运行效率至关重要。

燃气机转速通过设计的燃气机转速控制器[5]进行转速调节。图7～图11是环境温度为5℃左右，冷凝器进水流量为1.25 kg·s−1，不同燃气机转速对系统性能的影响曲线。

图7 燃气机转速对系统总供热量的影响Fig.7 Effect of engine speed on heating capacity of GEHP

图8 燃气机转速对系统一次能耗的影响Fig.8 Effect of engine speed on primary energy consumption of GEHP

图9 燃气机转速对回收余热的影响Fig.9 Effect of engine speed on recovery waste heat of GEHP

图10 燃气机转速对系统COP的影响Fig.10 Effect of engine speed on COP of GEHP

图11 燃气机转速对系统PER的影响Fig.11 Effect of engine speed on PER of GEHP

图7是燃气机转速分别为1300、1600和1900 r·min−1时，系统总供热量的变化曲线。从图中可以看出，当冷凝器进水温度为30℃左右，燃气机转速由1300 r·min−1增加到1600 r·min−1和1900 r·min−1时，总供热量分别增加了13.9%和23.9%，主要原因是燃气机转速的提高（压缩机转速的提高），使系统的制冷剂流量增多，因此系统的制热量增加。

图8和图9是燃气机转速分别为1300、1600和1900 r·min−1时，燃气机的一次能耗和余热回收的变化曲线。从图中可以看出，当冷凝器进水温度为30℃左右，燃气机转速由1300 r·min−1增加到1600 r·min−1和1900 r·min−1时，一次能耗增加了16.0%和31.2%，余热回收增加了15.7%和31.4%。燃气机一次能耗随着燃气机转速的增加而增加，主要原因是随着燃气机转速的增大，压缩机输气量增大，压缩机输入功率增加，从而使燃气机一次能源消耗增加，并且系统回收的燃气机余热增加。

图10和图11是系统的COP1、COP2和PER随燃气机转速的变化曲线。由图可知，COP和PER都随着燃气机转速的增加而减少，主要原因是当燃气机转速由1300 r·min−1增加到1600 r·min−1和1900 r·min−1时，一次能耗增加的比例超过供热量增加的比例，因此系统PER和COP随着燃气机转速的升高而降低。

4 结 论

（1）燃气机热泵系统回收的烟气余热和缸套余热占系统总供热量的40%左右，可以有效提高燃气机热泵的性能系数。

（2）在实验转速范围内，燃气机热泵系统总供热量随着燃气机转速、冷凝器进水流量的增加而增加，随着进水温度的升高而降低；而COP和PER随着燃气机转速和冷凝器进水温度的升高而降低。

（3）在考虑余热回收的情况下，燃气机热泵的一次能源利用率为1.15～1.47，同常规供热系统（锅炉和电动热泵）相比，具有较高的能源利用效率，因此推广使用燃气机热泵对节能减排具有重要意义。

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Theoretical and experimental study on heating performance of gas engine-driven heat pump

WANG Mingtao1,2, LIU Huanwei2, ZHANG Baihao2
(1School of Energy and Power Engineering,Ludong University,Yantai264025,Shandong,China;2School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China)

The gas engine-driven heat pump (GEHP) system is an efficient energy saving and environmentfriendly heating system which consumes natural gas as fuel in a gas engine. The present work aimed at evaluating the performance of a gas engine-driven heat pump for heating. In order to achieve this objective, a test facility was developed and experiments were performed over a wide range of engine rotary speed (1300—1900 r·min−1). The relationships of engine rotary speed, condenser water inlet temperature, condenser water flow and system performance [heating capacity, system coefficient of performance (COP) and primary energy ratio (PER)] were studied based on theoretical analysis and experimental data. The results showed that the heating capacity of GEHP increased with increasing engine rotary speed and condenser water flow rate, but decreased with the increase of condenser water inlet temperature. The COP and PER of the GEHP decreased with increasing engine rotary speed and condenser water inlet temperature. The effect of the engine rotary speed and condenser water inlet temperature on the system performance was more significant than that of condenser water flow rate. The waste heat recovered from the gas engine accounted for about 40% of the total heating capacity, and the PER of the GEHP was between 1.15—1.47 under experimental condition.

Dr. WANG Mingtao, wmtldu@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150391

TK 123

：A

：0438—1157（2015）10—3834—07

2015-03-27收到初稿，2015-05-17收到修改稿。

联系人及

：王明涛（1983—），男，博士，讲师。

山东省自然科学基金项目（ZR2014EEP026）；鲁东大学科研基金项目（27860301）。

Received date: 2015-03-27.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2014EEP026) and the Scientific Research Foundation of Ludong University (27860301).