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法解決好發(fā)動(dòng)機(jī)散熱問題而差于電熱泵。本文針對此問題，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，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]，各種類型的空氣源熱泵因在制取低溫?zé)崴矫嬗兄咝省⒌臀廴疚锱欧诺奶匦缘玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注[4]。空氣源熱泵根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同可以分為電熱泵和燃料驅(qū)動(dòng)類型的熱泵，自2000 年以來，以燃?xì)鈾C(jī)熱泵為代表的燃料驅(qū)動(dòng)類型的熱泵得到了廣泛的研究，并且該類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]，但對于生活熱水需求不大的建筑還是無法完全解決發(fā)動(dòng)機(jī)散熱問題;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，使其溫度相對較高從而降低了系統(tǒng)的COP。目前汽車市場出現(xiàn)了很多混合動(dòng)力汽車，這類汽車的驅(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，根本上沒有解決燃?xì)鉄岜迷谙募緹o法高效制冷的問題[10]。相比之下電熱泵在制冷時(shí)不存在該問題，因此如何將電熱泵的制冷優(yōu)勢和燃?xì)鈾C(jī)熱泵的制熱優(yōu)勢互補(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，通過傳動(dòng)軸與熱泵部分的開式壓縮機(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)過冷凝器、缸套水換熱器以及熱回收換熱器再供入用戶，此時(shí)驅(qū)動(dòng)源部分開啟燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以及對應(yīng)的離合器，電動(dòng)機(jī)側(cè)的離合器斷開空轉(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)鉄岜孟募疽蚺艧釂栴}無法高效制冷的問題。

　　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系統(tǒng)制冷性能的影響，余熱換熱器對冷凝器會(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杂性龃螅淠裏崛匀皇侨細(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)對系統(tǒng)一次能源效率的影響，并且與文獻(xiàn)[13] 進(jìn)行了對比，其一次能源利用率的相對誤差在5% 以內(nèi)，具體的對比結(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)性能及對比分析

　　3.1 冬夏運(yùn)行設(shè)備PER 對比

　　混合動(dòng)力熱泵系統(tǒng)與其他設(shè)備制冷性能的對比如圖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。

　　冬季供熱時(shí)分別對比了燃?xì)鉄岜茫姛岜茫細(xì)忮仩t以及燃煤鍋爐的一次能源效率對比如圖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%，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收對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，通過模擬可知余熱散熱器對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)功率是原來的兩倍，由原來的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，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)勢進(jìn)行了組合設(shè)計(jì)出了新的結(jié)構(gòu)形式，并且通過一定的模型計(jì)算說明了該系統(tǒng)在供熱和供冷方面的優(yōu)勢，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)通過夏季額定工況的比較，說明混合動(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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