介紹了燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動風(fēng)冷熱泵冬季供熱時發(fā)動機(jī)廢熱利用的兩種典型方式，從結(jié)構(gòu)型式、控制手段、設(shè)備安裝、結(jié)霜等方面分析比較了兩種廢熱利用方式的特點(diǎn),并以一次能源利用率作為廢熱利用效果的比較指標(biāo)，分析計算了兩種廢熱利用效果。

　　關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾C(jī) 風(fēng)冷熱泵 廢熱利用 一次能源利用率 1 前言
　　隨著“西氣東送”重大工程的順利進(jìn)行，天然氣的應(yīng)用受到了越來越廣泛的關(guān)注。在社會總能耗中，建筑業(yè)的能耗占相當(dāng)大的比重，而制冷空調(diào)設(shè)備又是建筑能耗的主體。因此，合理分配部分天然氣能源到建筑行業(yè)，是天然氣得到合理利用的一個重要手段。

　　天然氣在制冷空調(diào)業(yè)的應(yīng)用主要有以下三種方式：（1）燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動的壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)；（2）以天然氣為燃料的直燃型吸收式熱泵空調(diào)機(jī)組；（3）其它型式的聯(lián)供系統(tǒng)或復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)。其中，燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動的壓縮式風(fēng)冷熱泵（以下簡稱燃?xì)鈾C(jī)熱泵）具有高效、節(jié)能、一次能源利用率高、污染物排放量低、負(fù)荷易于調(diào)節(jié)、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)受到了廣泛的應(yīng)用，而在國內(nèi)，這種燃?xì)鈾C(jī)熱泵尚處在研制階段。本文對國外常見的兩種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的廢熱利用方式進(jìn)行介紹，并進(jìn)行定性和定量的比較分析，旨在對國內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的設(shè)計提供一些參考。
　
　　2 國外燃?xì)鈾C(jī)風(fēng)冷熱泵常見的兩種廢熱利用的方式
　　一般情況下，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)僅僅將燃料中30％左右的能量的轉(zhuǎn)換成機(jī)械功[1]，而其余的70％的能量均以廢熱的形式排放到大氣環(huán)境中。因此對　　燃?xì)鈾C(jī)熱泵來說，供熱時必須對廢熱加以有效利用。對于國外常見的中小型空氣－空氣燃?xì)鈾C(jī)熱泵[2-7]來說，發(fā)動機(jī)廢熱的利用主要有兩種方式：　　　　　　　　?。?）廢熱供給低壓側(cè)制冷劑，（2）廢熱供給室內(nèi)送風(fēng)。

　?。?） 廢熱供給低壓側(cè)制冷劑

　　這種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)的連接管為兩根，即所謂的兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵。典型的一個流程的主要設(shè)備如圖1所示。


　　1.發(fā)動機(jī) 2.壓縮機(jī) 3.四通閥 4.室內(nèi)翅片管換熱器 5.膨脹閥6.室外翅片管蒸發(fā)器 7.翅片管散熱器 8.板式換熱器 9.廢氣熱回收器 10.缸體熱回收器
　　 兩管制燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)流程及主要設(shè)備

　　在熱泵供熱時，冷卻水通過缸體熱回收器10間接回收發(fā)動機(jī)缸體的廢熱后，再通過和廢氣熱回收器9來吸收廢氣中的廢熱。溫度較高的冷卻水進(jìn)入板式換熱器8。然后再回到缸體熱回收器10完成了冷卻水循環(huán)。制冷情況下，冷卻水通過翅片管換熱器7進(jìn)行散熱，以保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。

　　在這種廢熱利用方式中，廢熱通過板式換熱器（或套管式換熱器）8釋放給低溫側(cè)制冷劑。這種燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的制冷劑logP-h圖同常規(guī)熱泵系統(tǒng)相比較如圖2所示。


　　兩管制燃?xì)鉄岜霉醠ogP-h圖

　　循環(huán)1-2-3-4-1為燃?xì)鉄岜玫难h(huán)過程，1’-2’-3-4’-1’為常規(guī)電動熱泵的循環(huán)過程。由于制冷劑在蒸發(fā)過程中一部分的熱量由換熱器8來提供，因此，室外側(cè)風(fēng)冷翅片管蒸發(fā)器的熱負(fù)荷比常規(guī)的熱泵系統(tǒng)小得多。在室外翅片管換熱器換熱面積同常規(guī)熱泵相同的情況下，熱泵供熱時的蒸發(fā)溫度可以得到提高，熱泵的供熱性能系數(shù)相應(yīng)的得到了提高。

　　（2） 廢熱供給送風(fēng)

　　廢熱供給送風(fēng)的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)典型的流程如圖3所示。


　　1.發(fā)動機(jī) 2.壓縮機(jī) 3.四通閥 4.室內(nèi)翅片管換熱器 5.翅片管換熱器 6.膨脹閥 7.室外蒸發(fā)器 8.翅片管散熱器 9.廢氣熱回收器 10.缸體熱回收器
　　四管制燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)流程及主要設(shè)備

　　這種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)的連接為四根管，所以稱之為四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵。同第（1）種型式相比，這種廢熱利用的方式對熱泵系統(tǒng)本身的循環(huán)影響相對比較小。廢熱利用的方式也非常簡單，即室內(nèi)空氣經(jīng)過室內(nèi)冷凝器加熱以后，再次經(jīng)過翅片管換熱器5進(jìn)行加熱，以提高送風(fēng)的溫度，增加熱泵的供熱能力。

　　這種廢熱利用方式對熱泵循環(huán)本身的影響較小是相對而言的。實際上，當(dāng)室內(nèi)供熱量保持不變的情況下，燃?xì)鉄岜醚h(huán)的冷凝溫度可以降低，此時，熱泵循環(huán)的logP-h圖如圖4所示。燃?xì)鉄岜玫难h(huán)為1-2-3-4-1，常規(guī)電動熱泵的循環(huán)為1-2’-3’-4-1。由于熱泵冷凝溫度的降低，熱泵的供熱性能系數(shù)也得到了提高。


　　四管制燃?xì)鉄岜霉醠ogP-h圖

　　燃?xì)鈾C(jī)熱泵的廢熱利用除以上兩種較為典型的方式以外，還有其它多種方式：如有的燃?xì)鈾C(jī)熱泵設(shè)計時將廢氣直接加熱壓縮機(jī)出口的制冷劑蒸汽，提高壓縮機(jī)出口蒸汽的狀態(tài)點(diǎn)，來提高系統(tǒng)的供熱量；也有的燃?xì)鉄岜脤⒌冢?）種方式中的板式換熱器與室外側(cè)翅片管換熱器的位置作交換，目的是使得制冷劑在室內(nèi)換熱器出口處實現(xiàn)更大程度的過冷，提高供熱量，然后通過板式換熱器重新將制冷劑加熱；也有的燃?xì)鈾C(jī)熱泵廢熱僅用來加熱室外空氣。這些燃?xì)鉄岜玫脑O(shè)計不是非常普遍，能量利用率也不高，因此，在這里不作一一分析和討論。

　　3 兩種典型風(fēng)冷燃?xì)鈾C(jī)熱泵的分析比較
　　以上兩種典型的燃?xì)鈾C(jī)熱泵在實際中都有著廣泛的應(yīng)用。這里，對上述兩種典型風(fēng)冷壓縮式燃?xì)鉄岜脧慕Y(jié)構(gòu)本身、控制、除霜及其廢熱利用效果進(jìn)行分析與比較。

　　從結(jié)構(gòu)型式上講，第（1）種燃?xì)鈾C(jī)熱泵，即兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵，廢熱直接作用于熱泵系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)，室外機(jī)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而第（2）種四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵室內(nèi)機(jī)相對較復(fù)雜，而且四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵的廢熱需要送入室內(nèi)，因此廢熱利用率相對較低。兩管制燃?xì)鉄岜糜幸粋€很重要的優(yōu)點(diǎn)就是室內(nèi)機(jī)同常規(guī)的電動熱泵完全相同。因此，如果要對原有的電動熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用燃?xì)鈾C(jī)熱泵的話，室內(nèi)機(jī)部分無需改動，節(jié)約了設(shè)備投資和安裝的費(fèi)用。對于有多個室內(nèi)機(jī)（一拖多）或室內(nèi)管路較為復(fù)雜的情況，這種型式的燃?xì)鉄岜酶鼮橛欣?

　　從系統(tǒng)控制的角度上講，兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。由于熱泵供熱時，室外機(jī)內(nèi)的蒸發(fā)器有兩個，這兩個設(shè)備的控制如何控制，以使得熱泵能發(fā)揮最大的供熱能力，這需要根據(jù)室外氣候條件進(jìn)行機(jī)組的實驗和理論的分析。文獻(xiàn)[3]的實驗指出，當(dāng)室外溫度低于一定值以后，關(guān)閉室外風(fēng)機(jī)時系統(tǒng)的供熱量要高于打開室外風(fēng)機(jī)時的供熱量。其原因可以作如下定性分析。

　　當(dāng)室外風(fēng)機(jī)關(guān)閉時，廢熱是熱泵的唯一熱源，因此，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力基本不受室外溫度的影響，在圖上蒸發(fā)壓力隨著室外溫度變化的曲線較為平坦。蒸發(fā)壓力的曲線必然與制冷劑飽和壓力曲線相交于某一點(diǎn)（圖中以A表示）。當(dāng)室外溫度低于A點(diǎn)時，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度要高于室外的環(huán)境溫度，此時，若打開風(fēng)機(jī)，熱量就會從室外翅片管中散失掉。因此對于兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵，要考慮在低溫下熱泵的工作性能及其相應(yīng)的控制手段。而對于四管制燃?xì)鉄岜茫Ｒ?guī)電動熱泵相比，僅僅是在室內(nèi)機(jī)附近再增加一個換熱器，他對系統(tǒng)的循環(huán)影響不大，因此，控制手段仍可沿用常規(guī)電動熱泵。


　　風(fēng)機(jī)啟停模式下系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力變化

　　風(fēng)冷熱泵的一個突出的特點(diǎn)是熱泵在溫度較低的環(huán)境下工作時需要對室外蒸發(fā)器進(jìn)行除霜。風(fēng)冷熱泵的結(jié)霜對系統(tǒng)性能的影響非常大，許多研究者對風(fēng)冷熱泵的除霜進(jìn)行了很多的研究工作，采取了許多辦法。在兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵中，由于廢熱承擔(dān)了一部分系統(tǒng)蒸發(fā)所需的熱量，因此，熱泵的結(jié)霜在很大程度上有了改善[3]。因此，兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵適用于的寒冷地區(qū)。對于四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵，系統(tǒng)的除霜可以依靠常規(guī)的方法來解決，如熱氣旁通、電加熱等辦法。

　　燃?xì)鈾C(jī)熱泵同常規(guī)的電動熱泵相比較，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的一次能源利用率上，因此對燃?xì)鈾C(jī)熱泵的廢熱利用效果也以整個系統(tǒng)的一次能源利用率作為分析比較的指標(biāo)。除一次能源利用率這個重要參數(shù)以外，為方便計算分析，定義另外幾個燃?xì)鉄岜玫膮?shù)：

　　(1) 發(fā)動機(jī)機(jī)械效率ηe 指發(fā)動機(jī)將一次能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的比值，則一次能源中總廢熱量為；

　　(2) 廢熱回收率ηr 盡管一次能源中有70%是廢熱，但并不是所有這些廢熱能夠被利用，由于煙氣排放、缸體向環(huán)境散熱等情況，能回收到的廢熱量只是其中的一部分，ηr指回收到的廢熱量與一次能源中總廢熱量的比值

　　(3) 廢熱利用率ηu 在廢熱的實際利用中，由于管路散熱，換熱過程中熱量損失等原因，會損失一部分熱量，ηu指實際利用的廢熱量與回收到的廢熱量的比值

　　其中，W ——機(jī)械功（kW）；

　　Qp ——一次能源的能量（kW）；

　　Qw ——總廢熱量（kW）；

　　Qr ——回收到的廢熱量（kW）；

　　Qu ——實際利用的廢熱量（kW）

　　下面以某開啟式壓縮機(jī)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況下提供的測試數(shù)據(jù)[6]，分別計算兩種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的廢熱利用效果。對于除霜工況，熱泵的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，難于進(jìn)行定量計算，這里計算熱泵在標(biāo)準(zhǔn)工況（室外溫度為7℃）下的廢熱利用情況。

　　某風(fēng)冷燃?xì)鉄岜?，先根?jù)夏季的工況設(shè)計室外側(cè)翅片管蒸發(fā)器（夏季作冷凝器用），得到結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2：

　　某室外側(cè)翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 蒸發(fā)器傳熱系數(shù)K 30W/m2·℃

　　蒸發(fā)器面積Ae63.07m2

　　最大風(fēng)量G2.72kg/s


　　在作熱泵供熱時，若采用兩管制的型式，其發(fā)動機(jī)廢熱利用的主要目的是提高熱泵的蒸發(fā)溫度，以提高熱泵的供熱性能系數(shù)。根據(jù)表2中室外機(jī)翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)，可以通過以下翅片管蒸發(fā)器的熱平衡方程組計算出常規(guī)熱電動泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。

　　空氣的熱平衡式：

　　翅片管換熱器的熱平衡式：

　　根據(jù)壓縮機(jī)測試數(shù)據(jù)可得到產(chǎn)冷量的性能曲線：

　　其中： Qe ——熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)熱量（kW）； cpa ——空氣的比熱（kJ/kg·℃）； t1 ——翅片管換熱器空氣側(cè)的進(jìn)口溫度（℃），指室外空氣溫度； t2 ——翅片管換熱器空氣側(cè)的出口溫 度（℃）； t0 ——系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（℃）； tc ——系統(tǒng)冷凝溫度（℃）。

　　當(dāng)翅片管換熱器的性能參數(shù)、換熱器進(jìn)風(fēng)溫度和流量一定，且壓縮機(jī)性能曲線已知時，聯(lián)立上述三個方程，就可以解出未知量t0、t2和Qe。假設(shè)翅　　片管換熱器在系統(tǒng)制冷和制熱時傳熱系數(shù)K均為30W/m2·℃，標(biāo)準(zhǔn)工況下熱泵進(jìn)風(fēng)溫度為7℃，冷凝溫度為50℃，風(fēng)機(jī)以最大風(fēng)量運(yùn)行，則電動熱泵的蒸發(fā)溫度為-2.1℃，出風(fēng)溫度為2.5℃，系統(tǒng)的蒸發(fā)熱量為12.4kW。而在燃?xì)鈾C(jī)熱泵中，新的蒸發(fā)溫度要比常規(guī)的電動熱泵的蒸發(fā)溫度高，且新的蒸發(fā)溫度t0’的大小必須滿足新的蒸發(fā)溫度下翅片管蒸發(fā)器和板式換熱器提供的總熱量等于新的蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)的所需的蒸發(fā)熱量。

　　兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵通過翅片管換熱器吸收的熱量為


　　而兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵通過板式換熱器吸收的熱量為

　　因此燃?xì)鈾C(jī)熱泵中翅片管蒸發(fā)器和板式換熱器能提供的總熱量為

　　兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵在各個蒸發(fā)溫度下
　　換熱器能提供的熱量與系統(tǒng)要求的蒸發(fā)熱量

　　為新的蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)所要求的蒸發(fā)熱量和兩個換熱器所能提供的熱量之和的變化曲線。從圖中可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的提高，熱泵系統(tǒng)可以從空氣和廢熱中吸收的熱量減少，而系統(tǒng)所要求的蒸發(fā)熱量隨蒸發(fā)溫度的提高而提高。所以，在實際運(yùn)行中，兩者必定在某個蒸發(fā)溫度下達(dá)到平衡，即新的蒸發(fā)溫度t0’。假設(shè)發(fā)動機(jī)機(jī)械效率ηe為30％，廢熱回收效率ηr為60％，廢熱利用效率ηu為90％，可以計算出，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的新的蒸發(fā)溫度平衡點(diǎn)在1.2℃，比原來的蒸發(fā)溫度提高3.3℃，而超過1.2℃后，系統(tǒng)通過換熱設(shè)備從空氣和廢熱中吸收的熱量將不能滿足系統(tǒng)在該蒸發(fā)溫度下所需要的蒸發(fā)熱量的要求。如若繼續(xù)提高蒸發(fā)溫度，要使系統(tǒng)正常運(yùn)行就必須通過增加蒸發(fā)面積或提高風(fēng)機(jī)風(fēng)量來實現(xiàn)了。知道兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵的蒸發(fā)溫度以及原定的冷凝溫度后，可以通過壓縮機(jī)樣本數(shù)據(jù)查出壓縮機(jī)的制冷量Q0和消耗的功率P。這樣，制熱循環(huán)時兩管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率為

　　若采用四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵，一次能源利用率的計算比較簡便。同常規(guī)電動熱泵相比，利用廢熱增加了熱泵供熱量，其一次能利用率為

　　上式中，Qh1為熱泵本身供熱量，根據(jù)蒸發(fā)溫度為0℃，冷凝溫度為50℃時，通過樣本數(shù)據(jù)查出壓縮機(jī)的制冷量和消耗功率后相加得到。Qh2為利用燃?xì)鈾C(jī)廢熱的供熱量，可利用的廢熱量為

　　因此，四管制燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率為

　　分析兩種型式燃?xì)鈾C(jī)熱泵的結(jié)構(gòu)型式及式（4~10）可知，兩種系統(tǒng)的差別主要在廢熱利用方式上，且一次能源利用率的大小也同廢熱利用效率ηu密切相關(guān)。計算顯示，當(dāng)其它條件均相同時，兩種型式的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的PER值分別同各自的ηu有關(guān)。


　　兩種系統(tǒng)在不同的熱回收效率區(qū)域下
　　一次能源利用率的比較

　　表示了兩種系統(tǒng)一次能源利用率的比較關(guān)系。圖中的白色區(qū)域和灰色區(qū)域分別代表了PERfour高于PERtwo和PERtwo高于PERfour的條件。圖中的計算結(jié)果看出，僅僅在很小的區(qū)域（灰色）內(nèi)（即ηu,four很低，而ηu,two較高的情況下），PERtwo才高于PERfour。這說明，只要四管制燃?xì)鉄岜迷趶U熱利用過程中的熱量損失不是很大，四管制燃?xì)鉄岜玫囊淮文茉蠢寐释ǔＲ哂趦晒苤迫細(xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率。

　　4 結(jié)論
　　1．從機(jī)組本身來講，兩管制燃?xì)鉄岜迷诮Y(jié)構(gòu)型式、控制手段、系統(tǒng)設(shè)計等方面比四管制略顯復(fù)雜，但從設(shè)備安裝、空調(diào)系統(tǒng)改造、系統(tǒng)結(jié)霜性能方面講，兩管制燃?xì)鉄岜靡獌?yōu)于四管制燃?xì)鉄岜谩?

　　2．對廢熱利用效果計算可知，若四管制燃?xì)鉄岜脧U熱利用效率不是很低，且熱泵用于結(jié)霜不是非常嚴(yán)重的氣候條件下，那么四管制燃?xì)鉄岜玫膹U熱利用效果通常要比兩管制燃?xì)鉄岜煤谩?