刘焕卫

（烟台大学海洋学院，山东 烟台 264005）

燃气热泵制冷性能试验及余热利用分析

刘焕卫

（烟台大学海洋学院，山东 烟台 264005）

为进一步提高能源利用率和提升低品位余热的品质，实现能量梯级利用，针对燃气机热泵系统开展了制冷性能实验及余热驱动的有机朗肯循环理论仿真研究。结果表明：燃气机热泵系统制冷量、发动机余热以及发动机一次能耗均随燃气发动机转速升高而增大；性能系数(COP)及一次能源利用率(PER)随蒸发器进水温度的升高而增大，但随发动机转速升高而降低。COP和PER分别高于6.0和1.1。在蒸发温度60～86℃范围内，以R245fa作为有机工质的有机朗肯循环热力学第一定律热力效率为 7.39%～10.95%，热力学第二定律㶲效率为 42.65%～52.25%。

燃气机热泵；有机朗肯循环；余热回收；热力学；性能试验；计算机模拟

引 言

燃气机热泵系统采用清洁能源天然气（或其他洁净能源，如沼气）为一次能源输入，为建筑物提供冷、热及生活热水的节能环保型设备。因有效回收和利用燃气发动机产生的缸套和废气余热，其性能系数COP（coefficient of performance）和一次能源利用率PER（primary energy ratio）较电驱动热泵有了大幅提高。其中，缸套余热以冷却水为介质，水温一般为70～90℃，废气余热以烟气为介质，温度为 450～700℃[1-5]。目前，针对燃气机热泵余热的研究发现，燃气发动机产生的大量的余热（缸套余热和废气余热）主要用于辅助供暖或者提供生活热水，其低品位能源的品质没有得到进一步的提升[6-8]。

Ji等[9]对采用 LiFePO4电池的燃气机热泵与常规燃气机热泵进行了性能分析；Wu等[10]对采用沼气发动机热泵系统进行了实验研究，最大性能系数COP和一次能源利用率PER分别为4.2和1.4。Liu等[11]对采用蒸发式冷凝器的燃气机热泵制冷性能进行了实验研究，对比传统风冷冷凝器，应用蒸发式冷凝器的燃气热泵性能得到大幅提高。

有机朗肯循环ORC（organic Rankine cycle）具有效率高、环境友好、结构简单等优点，是实现低品位热能品质提升的方法和途径之一[12-14]。Wang等[15]通过Matlab和REFPORP建立相关模型对有机朗肯循环的工作流体进行了研究；Zhang等[16]对亚临界有机朗肯循环和超临界发电的性能进行对比并对参数进行了优化分析；Yamada等[17]对新型制冷剂HFO-1234yf作为循环工质对低品位能源的有机朗肯循环进行了热效率的研究；张红光等[18]基于有机工质R245fa和单螺杆膨胀剂作为动力输出装置，采用有机朗肯循环ORC对发动机排气余热回收研究。

如前所述，燃气机热泵系统可实现制冷和制热功能。燃气热泵系统回收缸套和废气余热可用于辅助供热和生活热水。但是，其回收低品位余热的品质没有进一步提升，某种程度上限制了其广泛应用。为进一步实现燃气热泵能量的梯级利用，本文将低品位余热通过 ORC循环转化为高品质的电能，实现燃气热泵能量的梯级利用。基于此，本文对燃气热泵系统进行了制冷性能实验研究和发动机余热驱动的 ORC计算机建模，重点分析了燃气热泵制冷量、发动机余热、发动机一次能耗、性能系数以及一次能源利用率随燃气发动机转速以及蒸发器进水温度的变化规律；R245fa作为有机工质的有机朗肯循环热力学第一定律热力效率和热力学第二定律㶲效率。

1 燃气机热泵实验装置

图1为燃气机热泵及余热驱动的有机朗肯循环系统结构原理。本系统是由燃气机热泵系统及其余热 ORC发电系统组成。主机是由燃气发动机驱动一套压缩式热泵系统，向用户供冷或者供暖，燃气发动机产生的缸套和废气余热通过换热器进行回收，并作为ORC循环的低温热源进行发电。

图1 燃气机热泵及ORC系统原理Fig. 1 Schematic diagram of gas engine heat pump and ORC system

燃气机热泵实验台实物如图2所示。

该系统包括两个相对独立的循环：发动机驱动热泵循环及发动机余热驱动的 ORC循环系统。发动机驱动热泵循环工作原理为：制冷剂（R134a）在蒸发器内吸热汽化，经四通换向阀后进入压缩机吸气口，制冷剂气体在压缩机被压缩，其压力升高后，排入冷凝器。被冷凝为液体的制冷剂经膨胀阀后再循环回到蒸发器。其中，蒸发器冷冻水侧进出口温度及流量被实时记录。发动机余热驱动的ORC循环系统工作原理为：发动机缸套和废气余热通过缸套换热器和废气余热换热器进行回收，作为ORC循环的驱动热源。ORC系统包括工质泵、蒸发器、储液罐、透平机、发电机、冷凝器等。有机工质在蒸发器内定压与燃气发动机产生的缸套和废气余热进行换热；高温高压的气态有机工质进入透平机膨胀做功，带动发电机进行发电；透平机尾部排出的有机工质进入冷凝器并定压冷凝；有机工质冷凝器出口为液态进入储液罐；再由工质泵送入蒸发器完成一次发电循环。

图2 燃气机热泵实物照片Fig. 2 Photo of gas engine heat pump system

燃气热泵系统的主要设备参数如表1所示。

表1 燃气热泵设备规格参数Table 1 Equipment specification parameters of gas engine heat pump system

2 系统数据分析

燃气发动机的转速和扭矩保持不变时，发动机处于稳态工况。燃气发动机的一次能耗由天然气的流量以及其低位热值通过式（1）计算可得

式中，Qgas为发动机的一次能耗, kW；mgas为天然气流量，m3·s−1；LFL为天然气低位热值，kJ·m−3。

燃气机热泵系统制冷量，在忽略蒸发器热损失情况下，系统制冷量如下

式中，Qe为系统制冷量，kW；mw为冷却水质量流量，kg·s−1；tout和 tin分别为蒸发器出、进水温度，K。

系统余热包括缸套余热和烟气余热。发动机稳定在某一工况时，基于能量守恒原理，通过测量发动机冷却水流量、进出口温度、烟换热器水流量和进出口温度，根据采集的相关数据，可得到缸套和废气余热。

燃气机热泵缸套余热量

燃气机热泵废气余热量

式中，mcj和mexh分别为缸套换热器和废气换热器冷却水流量，kg·s−1；cpw为水的比热容，kJ·kg−1·K−1；Tcj,in和Tcj,out分别为冷却水进、出缸套换热器温度，K；Texh,in、Texh,out分别为冷却水进、出废气换热器温度，K。

压缩机轴功率可根据制冷系统制冷剂流量、压缩机吸气和排气口比焓值计算

式中，mr为热泵系统制冷剂质量流量，kg·s−1；hin和 hout分别为制冷剂在压缩机吸气和排气比焓值，kJ·kg−1；ηm为压缩机轴效率，0.9。

与常规电动热泵相比，由于回收发动机余热，对整个燃气机热泵系统，定义系统的性能系数COPt如（6）式所示，一次能源利用率PERt通过式（7）求解。

通过上位机采集的数据，联立式(5)可对燃气机热泵性能参数进行计算分析。

3 结果与讨论

3.1 燃气热泵制冷性能结果

在环境温度32.0℃的条件下，实验研究了燃气热泵系统性能参数（制冷量、缸套和废气余热、发动机一次能耗、性能系数以及一次能源利用率）随燃气发动机转速（1200～1800 r·min−1）和蒸发器进水温度（12～24℃）的变化规律。

图3为制冷量随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律。

图3 制冷量随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律Fig.3 Variation of cooling capacity versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

随着蒸发器进水温度从 24℃变化到 12℃，蒸发器冷冻水和制冷剂之间的温度差将减小。因此，蒸发温度和压力也会随之降低，导致燃气热泵制冷量下降。随着蒸发器水入口温度从 24℃变化到 12℃，发动机转速为1200 r·min−1时，系统制冷量由34.48 kW下降到23.76 kW。由此可知，蒸发器进水温度对燃气机热泵制冷量影响较为明显。

当蒸发器进水温度为 12℃时，发动机转速从1200 r·min−1升高到1800 r·min−1，制冷量由23.76 kW增加到35.94 kW，增幅达到51.3%。其原因是随着发动机转速的升高，由燃气发动机直接驱动的压缩机转速升高，制冷系统中制冷剂体积流量增大，进而导致系统制冷量升高。

图4和图5分别表示发动机一次能耗及发动机余热随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律。

图4 发动机一次能耗随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律Fig.4 Variation of gas engine energy consumption versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

图5 发动机余热随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律Fig.5 Variation of waste heat versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

由图4可知，发动机一次能耗随发动机转速的升高而增大，而受蒸发器进水温度的影响较小。由发动机特性曲线可知，发动机一次能耗、发动机输出功率均随发动机转速的升高而增大。蒸发器进水温度升高，制冷系统蒸发温度和蒸发压力升高，相同冷凝压力时，压缩机单位功耗减小，与此同时，压缩机吸入口处的制冷剂比体积减小，相同工况下，制冷剂质量流量增大，制冷量增大。而压缩机功耗变化幅度较小。

如图1所示，发动机余热由缸套换热器余热和废气换热器余热两部分组成。由图5可知，发动机余热受蒸发器进水温度的影响较小。随着蒸发器进水温度的升高，余热量变化呈现减小的趋势，但变化幅度较小。而随着发动机转速升高，发动机余热量显著升高。进一步分析可知，在发动机转速1600 r·min−1，蒸发器进水温度 12℃工况下，燃气热泵制冷量为30.56 kW，发动机余热为26.8 kW，发动机一次能耗为47.9 kW。回收的发动机余热占发动机一次能耗的比例为55.9%。

图6为性能系数COPt随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律。

蒸发器进水温度从 12℃升高到 24℃时，系统COP逐渐增大。这是因为，蒸发温度升高，单位质量制冷量增大，系统制冷量大大增加，而压缩机轴功率随蒸发器进水温度的变化而增幅较小。

COP随着发动机的转速增加而降低，分析原因为制冷量和余热量的增加幅度比压缩机轴功率和发动机一次能耗的增加幅度小。在发动机转速 1400 r·min−1时，蒸发器进水温度12℃工况下，系统性能系数COPt约为7.06。

图6 COPt随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律Fig.6 Variation of COPtversus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

图7为一次能源利用率PERt随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律。

图7 PERt随蒸发器进水温度和发动机转速的变化规律Fig.7 Variation of PERtversus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

燃气热泵系统制冷量随着蒸发器进水流量的增大而升高，而发动机一次能耗变化幅度较小，因此，一次能源利用率随蒸发器进水温度的升高而增大。相同蒸发器进水温度工况下，系统制冷量和发动机一次能耗均随发动机转速的升高而增大。但发动机一次能耗随发动机转速升高的增幅更大。所以，系统一次能源利用率PERt随发动机转速升高而减小。

3.2 燃气机余热驱动ORC循环

燃气发动机产生的缸套和废气余热通过换热器进行回收，并作为 ORC循环的低温热源。燃气机热泵余热ORC系统T-S图如图8所示。根据热力学第一和第二定律，对燃气机热泵余热 ORC系统建立能量和㶲计算机仿真模型。在热力学计算过程中，做如下假设：忽略系统管路、蒸发器和冷凝器中工质的压降；每一组成部件认为是一个稳态稳定流动系统。

图8中，1-2为工质在透平内实际膨胀做功过程，1-2s为工质在透平等熵膨胀做功过程；2(2s)-3-4在冷凝器中冷凝的过程；4-5为工质在工质泵中实际压缩过程，4-5s为等熵压缩过程；5(5s)-6-1为工质在蒸发器内加热到饱和状态过程。

图8 ORC系统T-S图Fig.8 T-S diagram of ORC system

热力学第一定律效率

热力学第二定律效率

式中，Wt为膨胀机输出功，kW；Wp为工质泵功耗，kW；eQ′为ORC循环的工质在蒸发器内吸热量，kW；TL为冷源的平均温度，K；TH为热源的平均温度，K。

燃气机热泵余热 ORC系统热力计算过程中，膨胀机等熵效率、机械效率以及膨胀比分别为0.88、0.98和5.5；泵的等熵效率为0.8；冷凝温度为299 K；环境温度为298 K；针对R245fa和R123两种有机工质，分析了蒸发温度对热力学第一定律热效率和热力学第二定律㶲效率的关系。

图9为系统热效率随蒸发温度的变化规律。由图可知，热力学第一定律热效率随着蒸发温度的升高而升高。在蒸发温度 60℃时，有机工质 R245fa和R123的热效率分别为7.39%和7.89%，而当蒸发温度为86℃，热效率升高至10.95%和11.31%，增幅分别为48.2%和43.3%。

系统㶲效率是基于热力学第二定律的一种性能表示，图10为在冷凝温度299K条件下，系统㶲效率随蒸发温度的变化规律。由图可知，热力学第二定律㶲效率随着蒸发温度的升高而升高。在图示蒸发温度范围内，有机工质R245fa和R123的系统㶲效率范围为 42.65%～52.25%和 43.26%～54.24%，提高系统蒸发温度和降低冷凝温度可使有机朗肯循环㶲效率升高。

图9 系统热效率随蒸发温度的关系Fig.9 Variation of system thermal efficiency with evaporative temperature

图10 系统㶲效率随蒸发温度的关系Fig.10 Variation of system exergy efficiency with evaporative temperature

4 结 论

为进一步提高能源利用率和提升低品位余热的品质，实现能量梯级利用。本文针对燃气机热泵系统开展了制冷性能实验及余热驱动的有机朗肯循环理论仿真研究。对燃气机热泵制冷性能进行了实验研究，并针对 ORC循环分析了热力学第一定律热效率和热力学第二定律㶲效率。主要结论如下。

（1）提出了一种燃气机热泵与余热驱动的ORC系统。燃气机热泵系统制冷量、发动机余热以及发动机一次能耗均随燃气发动机转速升高而增大，性能系数及一次能源利用率随蒸发器进水温度的升高而增大，随发动机转速升高而降低。

（2）燃气热泵性能系数 COP和一次能源利用率PER在实验条件范围内分别高于6.0和1.1。与此同时，发动机余热占发动机一次能耗的55%左右。

（3）在蒸发温度范围内，有机工质 R245fa的热力学第一定律热力效率为7.39%～10.95%，热力学第二定律㶲效率为42.65%～52.25%。

[1]LIU H W, ZHOU Q S, ZHAO H B, et al. Experiments and thermal modeling on hybrid energy supply system of gas engine heat pumps and organic Rankine cycle[J]. Energy and Buildings, 2015, 87(1): 226-232.

[2]王明涛, 刘焕卫, 张百浩. 燃气机热泵供热性能规律的理论和实验研究[J]. 化工学报, 2015, 66(10): 3834-3840. WANG M T, LIU H W, ZHANG B H. Theoretical and experimental study on heating performance of gas engine-driven heat pump[J]. CIESC Journal, 2015, 66(10): 3834-3840.

[3]刘焕卫, 杨昭, 王明涛. 燃气机热泵系统的制冷性能[J]. 天津大学学报, 2011, 44(7): 645-649. LIU H W, YANG Z, WANG M T. Cooling performance of gas engine-driven heat pump system[J]. Journal of Tianjin University, 2011, 44(7): 645-649.

[4]王明涛,刘焕卫, 张百浩. 燃气机热泵变容量调节制冷性能试验[J].农业工程学报, 2015,31(18): 107-113. WANG M T, LIU H W, ZHANG B H. Performance of cooling capacity adjustment in gas engine-driven heat pump [J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(18): 107-113.

[5]吴集迎. 沼气热泵系统设计及其经济性分析[J].农业机械学报, 2006, 37(12): 114-117. WU J Y. System design and economic analysis of absorption heat pump driven by biogas[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(12): 114-117.

[6]刘焕卫, 杨昭, 王明涛. 燃气机热泵部分负荷特性的实验研究[J].热能动力工程, 2011, 26(5): 523-527. LIU H W, YANG Z, WANG M T. Experimental study of gas engine heat pump part-load[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2011, 26(5): 523-527.

[7]王明涛, 杨昭, 陈轶光. 燃气机热泵余热利用理论分析[J]. 农业机械学报, 2011, 42(1): 35-38. WANG M T, YANG Z, CHEN Y G. Recovery of waste heat of gas engine heat pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(1): 35-38.

[8]CHEN Y G, YANG Z, WU X, et al. Theoretical simulation and experimental research on the system of air source energy independence driven by internal-combustion engine[J]. Energy and Buildings, 2011, 43: 1352-1358.

[9]JI W X, CAI L, MENG Q K, et al. Experimental research and performance study of a coaxial hybrid-power gas engine heat pump system based on LiFePO4battery[J]. Energy and Buildings, 2016, 113: 1-8.

[10]WU J Y, MA Y M. Experimental study on performance of a biogas engine driven air source heat pump system powered by renewable landfill gas[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 62(2):19-29.

[11]LIU H W, ZHOU Q S, ZHAO H B. Experimental study on cooling performance and energy saving of gas engine-driven heat pump system with evaporative condenser[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 123(1): 200-208.

[12]FREDY V, SWGOVIA J J, MARTIN M C, et al. A technical, economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16: 4175-4189.

[13]GUZOVIC Z, LONCAR D, FERDEIJI N. Possibilities of electricity generation in the Republic of Croatia by means of geothermal energy[J]. Energy, 2010, 35: 2429-2440.

[14]FRANCO A. Power production from a moderate temperature geothermal resource with regenerative organic Rankine cycles[J]. Energy for Sustainable Development, 2011, 15: 411-419.

[15]WANG E H, ZHANG H G, FAN B Y, et al. Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery[J]. Energy, 2011, 36: 3406-3418.

[16]ZHANG S J, WWANG H X, GUO T. Performance comparison and parametric optimization of subcritical organic Rankine cycle (ORC) and transcritical power cycle system for low-temperature geothermal power generation[J]. Applied Energy, 2011, 88: 2740-2754.

[17]YAMADA N, MOHAMD M N A, KIEN T T. Study on thermal efficiency of low-to medium-temperature organic Rankine cycles using HFO-1234yf[J]. Renewable Energy, 2012, 41: 368-375.

[18]张红光, 刘彬, 陈研, 等. 基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热回收系统[J].农业机械学报, 2012, 43(5): 27-31. ZHANG H G, LIU B, CHEN Y, et al. Engine waste heat recovery based on single screw expander[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(5): 27-31.

Cooling performances of gas engine heat pump system and analysis of waste heat utilization

LIU Huanwei
(School of Ocean, Yantai University, Yantai 264005, Shandong, China)

In order to improve the energy efficiency, convert the low-grade waste heat into the high-grade electricity and achieve the purpose of energy cascade utilization, the experiments on cooling performance of gas engine heat pump system (GHEP) and theoretical simulation of organic Rankine cycle (ORC) were investigated. The results showed that the cooling capacity, gas engine waste heat and gas engine energy consumption were increased with the increasing of gas engine speed, the coefficient of performance (COP) and primary energy ratio (PER) were increased with the increasing of evaporator water inlet temperature, but decreased with the increasing of gas engine speed. On the other hand, the energy and exergy of the first and the second laws of thermodynamics with R245fa as working fluid were 7.39%—10.95% and 42.65%—52.25%, respectively in the range of evaporating temperature 60—86℃.

gas engine heat pump; organic Rankine cycle; waste heat recovery; thermodynamics；performance testing; computer simulation

LIU Huanwei, hwliu@ytu.edu.cn

TK 11

：A

：0438—1157（2017）01—0050—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160763

2016-06-02收到初稿，2016-07-26收到修改稿。

联系人：刘焕卫（1982—），男，博士，讲师。

山东省自然科学基金项目（ZR2015EL033，ZR2014EL029）。

Received date: 2016-06-02.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2015EL033, ZR2014EL029).