摘 要:隨著節(jié)能減排、治理霧霾緊迫性的提高，關(guān)于電熱泵和燃?xì)鉄岜眯阅芨纳频确矫娴难芯咳找嬖龆唷Ｈ細(xì)鉄岜糜糜诠釙r(shí)具有較好的性能但其制冷性能卻因無(wú)法解決好發(fā)動(dòng)機(jī)散熱問(wèn)題而差于電熱泵。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種新型混合動(dòng)力熱泵技術(shù)方案，并建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其性能進(jìn)行研究，模擬分析表明，混合動(dòng)力熱泵在冬季運(yùn)行燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其制熱性能相比于電熱泵一次能源效率可以提高20% 到30%;夏季運(yùn)行電驅(qū)動(dòng)時(shí)，在相同工況和制冷能力時(shí)，冷凝溫度將降低0.8℃，同時(shí)減少風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)功耗近8%，相對(duì)于燃?xì)鉄岜眠\(yùn)行，其一次能源效率提高了約30% 到50%。由此可見(jiàn)，燃?xì)狻㈦娏旌蟿?dòng)力熱泵在全年運(yùn)行時(shí)具有更大的節(jié)能潛力。

　　關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力熱泵;燃?xì)鈾C(jī)熱泵;一次能源利用率;COP;節(jié)能率

　　近年來(lái)建筑能耗不斷增加，其中與建筑供暖制冷相關(guān)的能耗在2012 年已經(jīng)突破了8 億噸標(biāo)煤[1]。傳統(tǒng)的滿(mǎn)足建筑室內(nèi)環(huán)境的設(shè)備主要是以冷水機(jī)組與鍋爐為主，隨著地板輻射供熱等新型末端的舒適性研究[2,3]，各種類(lèi)型的空氣源熱泵因在制取低溫?zé)崴矫嬗兄咝?、低污染物排放的特性得到了越?lái)越多的關(guān)注[4]?？諝庠礋岜酶鶕?jù)驅(qū)動(dòng)源的不同可以分為電熱泵和燃料驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的熱泵，自2000 年以來(lái)，以燃?xì)鈾C(jī)熱泵為代表的燃料驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的熱泵得到了廣泛的研究，并且該類(lèi)熱泵因余熱回收可使其一次能源效率達(dá)到1.8 甚至更高[5-7]，因此能夠?yàn)楣?jié)能減排做出較大貢獻(xiàn)。

　　然而缸套以及煙氣余熱在天氣炎熱時(shí)的排放成為了制約燃?xì)鈾C(jī)熱泵夏季制冷性能的影響因素，目前主要的解決方法主要有兩種，一種是余熱在夏季用于制取生活熱水[8]，但對(duì)于生活熱水需求不大的建筑還是無(wú)法完全解決發(fā)動(dòng)機(jī)散熱問(wèn)題;第二種做法是夏季在冷凝器外側(cè)增加排除余熱的風(fēng)冷換熱器[6]，兩者共用一個(gè)風(fēng)機(jī)，但這種做法卻間接的影響了機(jī)組的冷凝溫度，使其溫度相對(duì)較高從而降低了系統(tǒng)的COP。目前汽車(chē)市場(chǎng)出現(xiàn)了很多混合動(dòng)力汽車(chē)，這類(lèi)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式可以采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以采用蓄電池內(nèi)的蓄電驅(qū)動(dòng)[9]，結(jié)合這一特點(diǎn)，有部分學(xué)者提出了一種類(lèi)型的混合動(dòng)力熱泵，即在制冷或者制熱需求大時(shí)采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)，當(dāng)制取能力大于需求時(shí)，將多余的部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)蓄電，也可以采用燃?xì)馀c蓄電聯(lián)合為壓縮機(jī)提供動(dòng)力，但發(fā)動(dòng)機(jī)余熱仍然采用制取生活熱水的形式，根本上沒(méi)有解決燃?xì)鉄岜迷谙募緹o(wú)法高效制冷的問(wèn)題[10]。相比之下電熱泵在制冷時(shí)不存在該問(wèn)題，因此如何將電熱泵的制冷優(yōu)勢(shì)和燃?xì)鈾C(jī)熱泵的制熱優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)并發(fā)揮最大的節(jié)能效果是本文的研究核心。

　　本文提出了電與燃?xì)夤餐?qū)動(dòng)的混合動(dòng)力熱泵系統(tǒng)，建立了數(shù)學(xué)模型并分析了系統(tǒng)在冬夏季的運(yùn)行特性，以此為基礎(chǔ)分析對(duì)比了采用該系統(tǒng)與采用電熱泵以及燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的一次能源消耗情況的對(duì)比以及傳統(tǒng)燃?xì)鉄岜孟募具\(yùn)行時(shí)的性能與電熱泵的對(duì)比。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)造

　　本文所提出的混合動(dòng)力燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)可以分為三部分組成，熱泵部分、驅(qū)動(dòng)源部分以及熱回收部分，其中驅(qū)動(dòng)源部分由一組錐形齒輪或者皮帶輪組以及離合器組成，通過(guò)傳動(dòng)軸與熱泵部分的開(kāi)式壓縮機(jī)相連，熱回收部分主要是發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套熱量以及發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫排煙部分。與前人所提出的系統(tǒng)不同，在該系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)源不包含輔助提供動(dòng)力的蓄電池和夏季為了排除發(fā)動(dòng)機(jī)余熱而單獨(dú)設(shè)置的風(fēng)冷換熱器[6]或者制備生活熱水的換熱器。

圖1 混合動(dòng)力熱泵的系統(tǒng)原理示意

　　整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行方式上也與前人所提出系統(tǒng)有所不同，冬季運(yùn)行時(shí)，供暖回水依次經(jīng)過(guò)冷凝器、缸套水換熱器以及熱回收換熱器再供入用戶(hù)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)源部分開(kāi)啟燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以及對(duì)應(yīng)的離合器，電動(dòng)機(jī)側(cè)的離合器斷開(kāi)空轉(zhuǎn)使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的制熱效率;夏季制冷時(shí)，三通閥和四通換向閥換向，使室內(nèi)回水只經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，同時(shí)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)不工作，只有電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，從而解決了燃?xì)鉄岜孟募疽蚺艧釂?wèn)題無(wú)法高效制冷的問(wèn)題。

　　2 數(shù)學(xué)模型

　　2.1 制冷循環(huán)

　　制冷劑采用R410A，蒸發(fā)器與冷凝器根據(jù)換熱能力給定換熱能力UA 值，計(jì)算中首先根據(jù)管外側(cè)參數(shù)確定蒸發(fā)冷凝溫度，進(jìn)而計(jì)算蒸發(fā)壓力與冷凝壓力，蒸發(fā)器與冷凝器的計(jì)算滿(mǎn)足制冷劑與管外介質(zhì)能量守恒的傳熱方程，具體方程如(1)–(3)所示;壓縮機(jī)采用效率模型，根據(jù)容積效率與壓比的關(guān)系以及壓縮機(jī)進(jìn)口5℃過(guò)熱，計(jì)算壓縮機(jī)的出口焓值以及制冷劑流量，再根據(jù)非等熵壓縮效率計(jì)算排氣焓值以及壓縮機(jī)的實(shí)際功耗，主要方程如(4)–(7)所示;節(jié)流閥則根據(jù)冷凝器出口過(guò)冷5℃和冷凝器出口的焓值確定蒸發(fā)器進(jìn)口焓值。需要指出的是，當(dāng)計(jì)算燃?xì)鉄岜孟募镜闹评湫阅軙r(shí)，采用的是冷凝器外加發(fā)動(dòng)機(jī)余熱散熱器的方式，同時(shí)考慮余熱散熱器對(duì)冷凝器輻射熱量的影響，以反映冷凝溫度的提高和壓縮機(jī)功耗的增加。制冷循環(huán)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，各符號(hào)的意義如下：

　　Q 為換熱量(kW);cp_a 為管外側(cè)介質(zhì)比熱(kJ/(kg·K));m_a 為管外側(cè)介質(zhì)質(zhì)量流量(kg/s);ha,in,ha,out為管外側(cè)介質(zhì)進(jìn)、出口溫度;cp_r 為制冷劑比熱(kJ/(kg·K));m_r 為制冷劑質(zhì)量流量(kg/s);hr,in, hr,out為換熱器內(nèi)制冷劑進(jìn)、出口焓值(kJ/kg);UA 為換熱器換熱能力(kW/K);ΔTm為換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差(K);ηvol為壓縮機(jī)容積效率;PR 為壓縮機(jī)壓縮比;ηise 為非等熵壓縮效率;ρ_r 為制冷劑吸氣密度(kg/m3);V 為壓縮機(jī)的理論輸氣量(m3/rev);RPM 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。W_comp 為壓縮機(jī)功耗(kW);Δh 為壓縮機(jī)進(jìn)出口焓差(kJ/kg)。

　　2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

　　制冷循環(huán)封閉后確定發(fā)動(dòng)機(jī)模型，設(shè)定壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)效率為0.95 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功計(jì)算當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率，根據(jù)TRNSYS 中發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率與缸套熱量占燃?xì)庀臒崃康陌俜直扰c發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系計(jì)算燃?xì)庀牧颗c缸套熱量(圖2)。最后根據(jù)李應(yīng)林的研究[12]，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度，結(jié)合煙氣流量和焓值計(jì)算煙氣的余熱回收量。

圖2 TRNSYS 有關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的模型

　　模型在計(jì)算冬季供熱時(shí)供熱熱水先后流經(jīng)冷凝器，缸套水換熱器和煙氣熱回收換熱器，然后再進(jìn)入用戶(hù)側(cè)供暖，供水溫度設(shè)定為45℃;夏季制冷模式時(shí)參考了同方FLS 空氣源熱泵系列樣本，以蒸發(fā)器7℃出水的情況截取了不同環(huán)境溫度下機(jī)組的制冷量以及功耗，從而得到了電熱泵制冷時(shí)的COP 性能曲線，再根據(jù)不同的發(fā)電效率計(jì)算電熱泵的一次能源效率。

　　為了對(duì)比系統(tǒng)性能，模型還將燃?xì)鉄岜糜糜谙募局评涫沟眯阅苓M(jìn)行了計(jì)算，在計(jì)算燃?xì)鉄岜玫闹评湫阅軙r(shí)考慮了室外換熱器外增加余熱換熱器對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響，余熱換熱器對(duì)冷凝器會(huì)有一部分的熱輻射，這部分輻射熱會(huì)使系統(tǒng)的冷凝溫度升高從而導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷性能有所下降。

　　2.3 模型性能與驗(yàn)證

　　燃?xì)鉄岜霉嵝阅茈S環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖3 所示，從圖中可知系統(tǒng)的供熱能力隨著環(huán)境溫度的升高而升高，同時(shí)燃?xì)庀牧縿t逐漸趨于平穩(wěn)，同時(shí)缸套與煙氣余熱量也隨著燃?xì)廨斎肓康脑龃蠖杂性龃?，但冷凝熱仍然是燃?xì)鉄岜霉釙r(shí)的主要貢獻(xiàn)。系統(tǒng)的一次能源利用率(PER)是某溫度下系統(tǒng)的制熱量與燃?xì)庀臒崃康谋戎怠Ｍ瑫r(shí)從該圖中還可以看出系統(tǒng)的余熱回收量占總供熱量的20% 到28%，該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12] 中給出的結(jié)果也有較大的一致性。

圖3 燃?xì)鉄岜霉嵝阅茈S環(huán)境溫度的變化

　　當(dāng)燃?xì)鉄岜糜糜谥评鋾r(shí)，模型驗(yàn)證了系統(tǒng)蒸發(fā)器入口水溫的變化(環(huán)境溫度為35℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1300r/min)對(duì)系統(tǒng)一次能源效率的影響，并且與文獻(xiàn)[13] 進(jìn)行了對(duì)比，其一次能源利用率的相對(duì)誤差在5% 以?xún)?nèi)，具體的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 燃?xì)鉄岜弥评湫阅?PER) 隨環(huán)境溫度的變化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

　　3 系統(tǒng)性能及對(duì)比分析

　　3.1 冬夏運(yùn)行設(shè)備PER 對(duì)比

　　混合動(dòng)力熱泵系統(tǒng)與其他設(shè)備制冷性能的對(duì)比如圖5 所示，系統(tǒng)性能因在冬夏季的運(yùn)行方式不同故分別進(jìn)行了對(duì)比。由圖5(a)所示，燃?xì)鉄岜迷谥评鋾r(shí)的性能較差，一次能源利用率相比于燃煤發(fā)電的電熱泵略有降低，但如果采用燃?xì)獍l(fā)電則電熱泵制冷的一次能源效率相比于燃?xì)鉄岜闷骄岣?0%~50%，可以看出在夏季運(yùn)行時(shí)采用電熱泵有巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　冬季供熱時(shí)分別對(duì)比了燃?xì)鉄岜茫姛岜?，燃?xì)忮仩t以及燃煤鍋爐的一次能源效率對(duì)比如圖5(b)所示，在此認(rèn)為燃煤鍋爐的熱效率為0.7，燃?xì)忮仩t的效率為0.9。通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉄岜迷诠釙r(shí)的性能相比于傳統(tǒng)的鍋爐有較大的提升，供熱效率可以提高20% 到80%，并且鍋爐在制取低溫?zé)崴畷r(shí)的效率也不會(huì)變高，故傳統(tǒng)的供熱方式應(yīng)當(dāng)適當(dāng)修改。相比于電熱泵，燃?xì)鉄岜玫墓嵋淮文茉葱蕰?huì)提高20%~30%，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收對(duì)提高一次能源利用率有較大貢獻(xiàn)。

圖5 混合動(dòng)力熱泵系統(tǒng)與其他設(shè)備制冷制熱性能對(duì)比

　　3.2 節(jié)能效果定量分析

　　夏季制冷時(shí)冷水出水溫度為7℃，室外溫度為35℃時(shí)，采用混合動(dòng)力熱泵時(shí)由于室外冷凝器外側(cè)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱散熱器輻射的影響，會(huì)節(jié)省風(fēng)機(jī)功耗以及降低冷凝溫度，通過(guò)模擬可知余熱散熱器對(duì)冷凝器輻射的影響可以致使冷凝溫度提高0.8℃，因冷凝溫度的升高而導(dǎo)致COP 由原來(lái)的3.3 降低至3.23，此處傳統(tǒng)GEHP的COP 的定義為制冷量與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功的比值。冷凝溫度與COP 的變化比較如圖6 所示。

圖6 混合動(dòng)力熱泵夏季制冷性能與傳統(tǒng)GEHP 的對(duì)比

　　因COP 的降低而導(dǎo)致壓縮機(jī)的功耗增加了約0.2kW，同時(shí)根據(jù)同方空氣源樣本的數(shù)據(jù)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱散熱器的阻力與冷凝器相同，風(fēng)量不變，則風(fēng)機(jī)功率是原來(lái)的兩倍，由原來(lái)的0.55kW 變?yōu)?.1kW。同時(shí)制熱性能相比于傳統(tǒng)的電熱泵和鍋爐來(lái)比較，混合動(dòng)力熱泵冬季運(yùn)行燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)具有更大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，節(jié)能率相比于鍋爐可以達(dá)到50%，相比于空氣源電熱泵一次能源效率可以提高約0.3，可以大幅減少能源消耗和污染物排放。

　　4 結(jié) 論

　　本文提出了一種夏季高效制冷和冬季高效制熱的混合動(dòng)力熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電熱泵與燃?xì)鉄岜玫膬?yōu)勢(shì)進(jìn)行了組合設(shè)計(jì)出了新的結(jié)構(gòu)形式，并且通過(guò)一定的模型計(jì)算說(shuō)明了該系統(tǒng)在供熱和供冷方面的優(yōu)勢(shì)，具體結(jié)論如下。

　　(1)混合動(dòng)力熱泵在冬夏全年運(yùn)行時(shí)的一次能源利用率相比于電熱泵可提高20%~30%，相比于燃?xì)鉄岜每商岣?0%~50%。

　　(2)通過(guò)夏季額定工況的比較，說(shuō)明混合動(dòng)力熱泵夏季相比于燃?xì)鉄岜肅OP 可以提高0.1，另外在額定制冷量為40kW 時(shí)，還可以減少風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)功耗近1kW;冬季可以利用余熱進(jìn)行高效制熱，因此混合動(dòng)力熱泵是一種全年運(yùn)行更加節(jié)能的方式和手段。

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