燃氣機熱泵供暖過程的計算與分析
1熱泵系統(tǒng)計算模型
熱泵系統(tǒng)的熱力模型主要考慮壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器三大部件的能量平衡關(guān)系，節(jié)流過程認為是絕熱過程。
若忽略系統(tǒng)的熱損失，那么壓縮機的排熱量、冷凝器的換熱量和熱水的吸熱量應(yīng)該相等，同樣壓縮機的產(chǎn)冷量、蒸
發(fā)器的換熱量和室外空氣的放熱量也應(yīng)該相等。
對壓縮機來說，可以通過制造廠家提供的樣本數(shù)據(jù)擬合得到壓縮機的產(chǎn)冷量和排熱量同冷凝溫度，蒸發(fā)溫度及
壓縮機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
在燃氣機熱泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，風(fēng)機風(fēng)量和水泵流量已知的情況下，聯(lián)立上述所有方程便可以對模型進行求解
。該模型有兩種求解方式：(1)如給定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，那么可以得到該轉(zhuǎn)速下燃氣機供熱能力；(2)如給定系統(tǒng)要求
的供熱能力，那么可以計算出要求的供熱能力下燃氣機熱泵轉(zhuǎn)速。然后相應(yīng)地可以得到燃氣機熱泵能耗、余熱等其
它量。由于風(fēng)機水泵的能耗占系統(tǒng)能耗的比重相對較小，且固定不變，因此計算中不涉及這部分能耗。
2發(fā)動機余熱計算模型
由于發(fā)動機工作過程比較復(fù)雜，很難用純粹的數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出發(fā)動機的余熱計算模型。一些文獻提供了發(fā)動機
余熱的計算公式，但這些計算公式的通用性較差，僅適合于某一型式的發(fā)動機。本文采用實驗的辦法得到實際應(yīng)用
的燃氣機熱泵系統(tǒng)模型中所需的發(fā)動機余熱數(shù)據(jù)。通過測出有關(guān)物理量，可以間接地計算出發(fā)動機的余熱量。
穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動機的工作狀態(tài)同發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定時，發(fā)動機的工作狀
態(tài)便確定。實驗時，將發(fā)動機穩(wěn)定在某一工作狀態(tài)，然后測出發(fā)動機冷卻水流量，冷卻水進出口溫度，廢氣排氣溫
度，天然氣流量，過量空氣系數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計算得到發(fā)動機的余熱數(shù)據(jù)。
從實驗結(jié)果可知，發(fā)動機的缸體的余熱量、廢氣流量和排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速和扭矩的增加而增加。由于發(fā)動機冷
卻水循環(huán)泵由發(fā)動機帶動，因此冷卻水的流量僅同轉(zhuǎn)速有關(guān)。對上述結(jié)果通過曲面插值和線性擬合的辦法可以得到
其它非測試狀態(tài)點下的物理量，從而得到發(fā)動機余熱計算所需的數(shù)據(jù)。
3、燃氣機熱泵供暖過程計算與分析
3.1供暖季節(jié)的熱負荷的計算
本文的目的主要是對燃氣機熱泵在整個供暖季節(jié)的工作性能進行計算和分析，因此必須首先確定建筑的熱負荷
。為便于計算，假設(shè)某建筑的熱負荷僅僅由室內(nèi)外溫差引起，那么在已知室內(nèi)設(shè)計溫度tn和室外設(shè)計溫度tout，d
以及設(shè)計負荷Qd的情況下，可以計算出任意室外溫度tout下該建筑的熱負荷Qx
3.2燃氣機熱泵供暖過程特點
燃氣機熱泵一個突出的優(yōu)點是就是燃氣機有良好的調(diào)速性能，即當(dāng)負荷變動時，可以通過調(diào)節(jié)燃氣機的供氣量
來調(diào)節(jié)燃氣機熱泵的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)部分負荷下燃氣機熱泵供熱能力的調(diào)節(jié)。需要指出的是，燃氣機熱泵的速度調(diào)節(jié)
是有限制的，并不能任意調(diào)節(jié)，這與發(fā)動機和壓縮機的工作特性有關(guān)。
實驗得到的發(fā)動機速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線，即發(fā)動機的外特性曲線，和計算得到壓縮機的速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線。
不同室外溫度下的燃氣機熱泵熱負荷、供熱量、發(fā)動機的余熱量、系統(tǒng)一次能耗的變化關(guān)系。
(1)在負荷率較低時，采用的壓縮機卸缸的辦法進行能量調(diào)節(jié)對燃氣機熱泵能耗的改善不明顯。從本文的計算
結(jié)果來看，采用壓縮機卸缸的能量調(diào)節(jié)方式后，一定程度上克服了能耗上升的趨勢。進一步分析表明，能耗不能降
低的原因仍然是因為轉(zhuǎn)速被穩(wěn)定在*低轉(zhuǎn)速下運行所致。因此在部分負荷較低的情況下，燃氣機熱泵的一次能源利
用率較低。為使機組在低負荷下節(jié)能，采用啟/?？刂品绞竭M行能量調(diào)節(jié)仍然非常必要。
(2)燃氣機熱泵供熱量中，發(fā)動機的廢熱占相當(dāng)大的份額(約占總供熱量的1/3)。因此，即使在溫度很低的情況
下，燃氣機熱泵仍能滿足供熱要求，不會出現(xiàn)供熱量不足的情況。廢熱量的大小同發(fā)動機的負荷和工作狀態(tài)很有關(guān)
系。
(3)由于發(fā)動機存在*小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速問題，燃氣機熱泵在室外溫度高于2℃時出現(xiàn)了供熱量和熱負荷不能匹配的現(xiàn)
象。這時，發(fā)動機已無法通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供熱量。計算表明，熱負荷率較高時，燃氣機熱泵具備較好的負荷
調(diào)節(jié)特性，供熱量和熱負荷能較好匹配，系統(tǒng)也有較高的一次能利用率。但隨著負荷率的降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速被限制
在*小轉(zhuǎn)速下運行，系統(tǒng)的一部分供熱量被浪費，一次能利用率降低。
3.3燃氣機熱泵供暖的季節(jié)能耗及運行費用分析比較
若考慮各個溫度下空調(diào)運行的累積時間，可以計算出燃氣機熱泵冬季運行時的能耗。根據(jù)上海地區(qū)空調(diào)運行期
間室外溫度頻率表[5]計算的燃氣機熱泵在冬季各個溫度下的運行能耗?？梢钥闯瞿芎妮^高的點集中在室外溫度為5
～10℃的區(qū)域，這是因為這個溫度區(qū)域空調(diào)運行小時數(shù)很多。將各個溫度下的能耗值累加起來，可得到整個供暖季
節(jié)燃氣機熱泵的能耗量。
燃氣機熱泵能耗計算的另一目的是考察燃氣機熱泵運行的經(jīng)濟性。影響燃氣機熱泵運行費用的因素不僅是該地
區(qū)的氣候條件，更重要的是當(dāng)?shù)氐哪茉磧r格因素。
目前上海地區(qū)能源價格條件下對燃氣機熱泵同變頻調(diào)節(jié)方式的電驅(qū)動熱泵運行費用比較分析。從比較結(jié)果可以
看出，燃氣機熱泵在低溫下的運行費用明顯低于電動熱泵，在室外溫度較高的情況下燃氣機熱泵稍差于電動熱泵，
這主要是因為本文中采用的燃氣機在部分負荷較低時調(diào)節(jié)性能較差所致。對于整個供暖季節(jié)，燃氣機熱泵的運行費
用要比電動熱泵的運行費用節(jié)約16.8%。
4、結(jié)論
(1)計算表明，燃氣機熱泵的運行經(jīng)濟性在不同的室外條件下各不相同，總的來說，在上海地區(qū)氣候和能源價
格條件下，燃氣機熱泵同電動熱泵相比仍然具有較好的經(jīng)濟性。
(2)通過天然氣發(fā)動機余熱實驗以及整個系統(tǒng)的計算分析可知，發(fā)動機余熱在燃氣機熱泵系統(tǒng)供熱量中占相當(dāng)
大的份額。發(fā)動機的余熱使得燃氣機熱泵在低溫下有良好的供熱能力，且余熱對系統(tǒng)供熱性能有較大的影響。
(3)盡管燃氣發(fā)動機具備調(diào)速機構(gòu)，但要維持發(fā)動機的穩(wěn)定性，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不能太低。這一特點限制了燃氣
機熱泵的部分負荷性能的發(fā)揮，要獲得好的部分負荷特性，發(fā)動機需要有較低的*低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。對于*低轉(zhuǎn)速較高
的燃氣機熱泵，為使機組節(jié)能，壓縮機的啟/?？刂品绞饺匀皇直匾?p>
