燃气机热泵热水器季节运行模式及其性能实验

杨 昭，张 馨，史永征

燃气机热泵热水器季节运行模式及其性能实验

杨 昭1，张 馨1，史永征2

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 供热供燃气通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100089)

针对燃气机热泵热水器在全年制取生活热水的同时可满足对建筑冬季供暖夏季供冷的需求，对系统不同季节运行模式下的性能进行了实验研究，并利用季节一次能源利用率(SPER)的评价方法对系统性能进行评价．结果表明：夏季供冷兼制生活热水模式下，系统SPER为2.16，比单纯制取生活热水模式季节性能提高了46.9%；春/秋自然通风兼制生活热水模式下，转速为1,000,r/min时系统SPER最高为1.99；冬季供暖兼制生活热水模式下，系统SPER为1.82，比单纯制取生活热水模式季节性能提高了15.9%．

燃气机热泵热水器；季节运行模式；季节一次能源利用率

随着环境污染、资源紧缺、全球变暖等问题的日趋严重，降低建筑能耗、发展节能减排技术越来越受到关注．如今，热水能耗约占建筑能耗的1/3，因此对高效节能热水器的研究已然成为当前行业的研究热点之一[1-2]．热泵热水器相对于燃气热水器、电热水器、太阳能热水器等传统的热水器具有高效节能、安全、环保等众多优点，目前已有大量研究，并被广泛应用[3-7]．

燃气机热泵热水器[8-9]是由燃气机驱动的热泵热水器，具有高效、节能、环保、易调节的特点．与电动热泵热水器相比具有更高的一次能源利用率，并且，系统可回收燃气发动机余热，利用回收的余热可制取较热泵热水器更高温度的热水．此外，系统可摆脱对电网的依赖，同时可实现变容量调节，能很好地适应负荷变化，因此受到广泛关注．文献[10-11]对燃气机热泵热水器的瞬态性能进行了实验研究．Yang等[10]对燃气机热泵热水器在冬季工况下系统的性能进行模拟和实验研究，并利用COP与PER的评价方法分析了发动机转速、水流量、环境温度等因素对系统瞬态性能的影响．德国学者Elgendy等[11]利用PER对燃气机热泵热水器在制冷模式下的瞬态性能进行了实验研究．研究表明，系统PER随着发动机转速升高而降低，随着蒸发器进水温度的升高而升高．

燃气机热泵热水器，实现对建筑全年全天候供生活热水的同时，可满足夏季供冷、冬季供暖的需求．然而，目前国内外对其季节运行模式及季节性能的研究甚少．笔者以天津地区为实验地点，为提高系统的性能，采用一次加热式与循环加热式相结合的加热热水方式，设计了3种不同季节燃气机热泵热水器的运行模式，通过实验研究，对不同运行模式下系统的季节性能进行分析，并与单纯制生活热水模式系统季节性能进行了比较．

1 燃气机热泵热水器系统

1.1 实验系统简介

燃气机热泵热水器系统是利用天然气(汽油)等燃料为系统供能，主要包括3个子系统：燃气机热泵系统、余热回收系统和热水循环系统．燃气机热泵热水器实验样机见图1．

图1 燃气机热泵热水器样机Fig.1 Model machine of gas engine-driven heat pump water heater

燃气机热泵系统以R134a为制冷剂，通过内燃机将燃料的热能转化为机械能来驱动压缩机做功，热泵系统以室外空气或冷冻水为热源，通过冷凝器对热水第1次加热．

余热回收系统主要由缸套换热器、烟气换热器、余热换热器等组成，该系统利用余热换热器将从缸套和烟气中回收的热量对热水第2次加热．

热水循环系统主要由空调回水水箱、空调供水水箱、生活热水水箱等构成．供热季节：空调供、回水水箱中的冷却水流经燃气热泵系统的冷凝器为房间提供热源；供冷季节：空调供、回水水箱中的冷冻水流经燃气热泵系统的蒸发器为房间提供冷源．生活热水水箱用来保温并储存系统制得的生活热水．

1.2 季节运行模式工作原理

图2为多功能燃气热泵热水器工作原理．该系统采用不同的运行模式以满足不同季节建筑对生活热水、供热量和供冷量的需求．具体的工作模式可分为3种：夏季供冷兼制生活热水模式、春／秋自然通风兼制生活热水模式、冬季供暖兼制生活热水模式．各工作模式具体工作原理如下．

图2 多功能燃气热泵热水器工作原理Fig.2 Fundamental diagram of multifunctional gas engine-driven heat pump water heater

1) 夏季供冷兼制生活热水模式

开阀A1、A2、C2、C3、D1、D2和D4，其他阀关闭，四通换向阀关闭状态．此时板式换热器C1为蒸发器，为房间提供冷量；板式换热器C2为冷凝器，对来自空调回水水箱中的冷却水加热，经过冷凝器一次加热后的冷却水注入生活热水水箱，并通过余热换热器循环加热直到所需水温．

2) 春/秋自然通风兼制生活热水模式

开阀B1、B2、C1，其他阀关闭，四通换向阀开启状态．此时无需为房间提供冷、热量，系统只需提供生活热水．翅片换热器E1为蒸发器，板式换热器C1为冷凝器对自来水加热，自来水分别流经冷凝器和余热换热器一次加热便得到所需温度的生活热水，注入生活热水水箱．

3) 冬季供暖兼制生活热水模式

开阀B1、B2、C2、C3、D1、D2、D3，其他阀关闭，四通换向阀开启状态．此时，翅片换热器E1为蒸发器，板式换热器C1为冷凝器，空调回水水箱中的冷却水经过冷凝器加热后将得到的低温热水注入空调供水水箱，空调供水水箱中的低温热水一部分为空调末端供水，用来给房间供暖；另一部分注入生活热水水箱中，生活热水水箱中的热水通过余热换热器进行循环加热，以得到所需温度的生活热水．

1.3 季节性能计算

燃气机热泵热水器具有高效节能的优点，与单纯制热水的燃气热泵热水器相比，可显著提高系统的一次能源利用率，为了更实际地评价燃气机热泵热水器的性能，本研究采用季节一次能源利用率(seasonal primary energy ratio，SPER)对系统进行评价．

夏季供冷兼制生活热水模式，系统的季节一次能源利用率为

式中：SPERs为夏季系统一次能源利用率；Qc为夏季系统总供冷量，kW；Qw1为夏季制取生活热水总制热量，kW；W1为夏季总能耗，kW；Qcj为在j温区系统制冷量，kW；Qw1j为在j温区系统制取生活热水的制热量，kW；W1j为在j温区系统单位时间能耗，kW；τ1j为夏季j温区的发生时间，h．

冬季供暖兼制生活热水模式，系统的季节一次能源利用率为

式中：SPERw为冬季系统一次能源利用率；Qh为冬季系统总供热量，kW；Qw2为冬季制取生活热水总制热量，kW；W2为冬季总能耗，kW；Qhj为冬季在j温区系统的制热量，kW；Qw2j为冬季在j温区系统制取生活热水的制热量，kW；W2j为冬季在j温区系统单位时间能耗，kW；τ2j为冬季j温区的发生时间，h．

春/秋自然通风兼制生活热水模式，系统的季节一次能源利用率为

式中：SPERsa为春/秋季节系统季节一次能源利用率；PERj为春/秋季节在j温区系统的一次能源利用率；ηj为春/秋季节在j温区系统运行时间占总运行时间百分比．

参考GB/T 7725—2004[12]，制冷、制热季节需要供冷、供热的各温度发生时间如表1所示．

表1 制冷、制热季节各温度发生时间Tab.1 Occurrence time of different temperature in cooling and heating season

2 实验结果与讨论

以上所述的燃气机热泵热水器季节性能实验所对应的环境温度区间如下．

(1)夏季供冷兼制生活热水模式环境温度区间为：23～41,℃．

(2)春/秋自然通风兼制生活热水模式环境温度区间为：13～23,℃．

(3)冬季供暖兼制生活热水模式环境温度区间为：-5～13,℃．

实验环境温度点间隔为2,℃；实验地点为天津大学热能研究所．实验设备配备调温水箱和恒温水箱，在调温水箱中可通过电加热器或制冷设备对水箱中水温进行自动调节，达到实验温度后注入恒温水箱以满足实验时对不同进水温度的需求；在不同工况下系统的出水温度通过调节冷却水(或冷冻水)流量进行控制，以满足实验条件要求．不同运行模式下，实验系统进、出水温度要求及加热热水方式分别如下．

(1) 夏季供冷兼制生活热水模式．空调末端供水温度为7,℃，空调末端回水温度为12,℃．自来水进水温度为24,℃，得到生活热水温度为60,℃，系统采用一次加热式与循环加热式相结合的方式加热热水.

(2) 春/秋自然通风兼制生活热水模式．冷凝器进水温度为15,℃，余热换热器出水温度为60,℃，系统采用一次加热式加热热水．

(3) 冬季供暖兼制生活热水模式．冷凝器进水温度为22,℃，冷凝器出口水温为40,℃，采用一次加热式加热热水．余热换热器进水温度为40,℃，得到生活热水温度为60,℃，采用循环加热式加热热水．

该模式下冷凝器进水由自来水和空调末端回水两部分组成，其中冬季自来水实验温度为9,℃用来补充生活热水，空调末端回水温度为35,℃．冷凝器进水温度由生活热水流量占冷凝器进水流量的百分比决定，本实验取50%，实验过程中系统通过调节发动机转速实现变容量调节，调节范围为：1,000～2,200,r/min．

数据采集：温度采集主要采用分度号为T的热电偶，测量精度为±0.2,℃；流量采集由智能涡轮流量计F1实时测量，型号为LWY-25E，测量精度为测量数值的±0.5%．

2.1 夏季供冷兼制生活热水模式季节性能

夏季供冷兼制生活热水模式下，系统利用冷冻水供冷的同时制取生活热水，系统以冷冻水为热源，系统瞬态性能受环境温度间接影响，受发动机转速直接影响．图3为系统制冷量和制取生活热水制热量随发动机转速的变化情况．

图3 制冷量和制取生活热水制热量随转速的变化Fig.3 Variation of cooling capacity and hot waterpreparing capacity at different rotating speeds

燃气机热泵热水器可通过改变发动机转速以实现变容量调节，从而使系统满足夏季不同环境温度所对应的房间冷负荷．图4为不同环境温度下，房间所需冷负荷、制取生活热水制热量、单位时间能耗以及发动机转速的关系．

由于燃气机热泵热水器系统所能承受的最低转速为1,000,r/min，因此，当环境温度较低(21～31,℃)时，系统提供的最小制冷量大于房间所需冷负荷时，系统需要在转速为1,000,r/min下间断运行，从而使系统制冷量正好满足房间冷负荷．当系统间断运行时，为满足房间冷负荷的需求，随着环境温度的升高，系统运行时间增加，因此制取生活热水制热量与单位时间能耗随之增加，并与环境温度大致成正比关系；当系统连续运行时，随着环境温度的升高，为满足房间冷负荷的需求，发动机转速随之升高，此时制取生活热水制热量与单位时间能耗随之增加．根据图4中的夏季工况下各实验参数以及式(1)，可求得夏季供冷兼制生活热水模式系统季节性能SPERs为2.16．夏季单纯制生活热水时系统的SPER为1.47．因此夏季供冷兼制生活热水模式比单纯制生活热水模式性能提高了46.9%.

图4 夏季工况下各参数随环境温度的变化Fig.4Parameter changes with ambient temperaturein summer operating mode

2.2 冬季供暖兼制生活热水模式季节性能

燃气机热泵热水器可通过改变发动机转速以实现变容量调节，从而使系统适应冬季不同环境温度所对应的房间热负荷的需求．图5为不同环境温度下，房间热负荷、制取生活热水制热量、单位时间能耗以及发动机转速的关系．由于燃气机热泵热水器系统所能承受的最低转速为1,000,r/min，因此，当环境温度较高(3～13,℃)，系统所能提供的最小供热量大于房间所需热负荷时，系统在转速为1,000,r/min下间断运行，从而使系统供热量正好满足房间热负荷．当系统间断运行时，为满足房间热负荷的需求，随着环境温度的降低，房间热负荷增加，因此系统运行时间增加，制取生活热水制热量与单位时间能耗随之增加，并与环境温度大致成正比关系；当系统连续运行时，随着环境温度的降低，为满足房间热负荷的需求，系统发动机转速随之升高，此时制取生活热水制热量与单位时间能耗随之增加．根据图5中的冬季工况下各实验参数以及式(2)，可求得冬季供热兼制生活热水模式系统季节性能SPERw为1.82．图6为冬季单纯制生活热水模式系统各参数随环境温度的变化．系统在该模式下采用一次加热式，生活热水分别经过冷凝器和余热换热器一次即达到所需热水温度．根据图6可求得冬季单纯制生活热水系统的SPER为1.57．因此冬季供暖兼制生活热水模式比单纯制生活热水模式性能提高了15.9%．

图5 冬季工况下各参数随环境温度的变化Fig.5 Parameter changes with ambient temperaturein winter operating mode

图6 冬季单纯制生活热水模式下系统参数随环境温度的变化Fig.6 Parameter changes with ambient temperature under the hot water-preparing mode in winter

2.3 春/秋自然通风兼制生活热水模式季节性能

图7为春/秋自然通风兼制生活热水模式下，系统变转速运行时，系统一次能源利用率(PER)随环境温度的变化情况．春/秋工况下，室外空气为热源，因此相同转速下，随着环境温度的升高，系统PER增加；同一环境温度下，随着发动机转速的增加，压缩机频率增加，系统PER增加，但随着发动机转速的增加，系统单位时间能耗的增加幅度超过系统制热量的增加幅度，因此随着发动机转速的增加，系统PER逐渐变小．

图7 不同转速下系统PER随环境温度变化Fig.7 PER changes with the ambient temperature at different rotating speeds

图8 为转速为1,000,r/min时，不同环境温度下系统运行时间百分比(设在各温度点所需制取的生活热水质量相同)，随着环境温度的升高，系统制取生活热水制热量随之增加，因此所需制取等量的生活热水的时间随之减少．利用式(3)可求得春/秋自然通风兼制生活热水模式下系统在转速为1,000,r/min运行时的SPERsa为1.99．

图8 转速为1,000,r/min时不同环境温度下系统运行时间百分比Fig.8Operating time percentage changes with the ambient temperature at 1,000,r/min

2.4 热经济性分析

以天津大学热泵研究所的燃气机热泵热水器示范工程为例，夏季燃气机热泵热水器对该建筑进行供冷兼制取生活热水，该示范工程的建筑面积为250,m2，办公人员为30人，每人每天需要生活热水10,L，每年夏季工作天数为75,d，平均电价为0.49元/度，天津市天然气价为2.8元/m3，天然气热值取36,MJ/m3，取夏季空调制冷系数为3.4，取电加热器的效率为95%，生活热水由24,℃加热到60,℃．

经计算可知，利用燃气机热泵热水器满足夏季生活热水需求时需天然气费用为180元，同时为建筑提供冷量；而利用电加热器和制冷空调生产等量的热水和冷量需要电费555元．因此，该建筑在夏季利用燃气机热泵热水器可节省费用371元，约为总费用的67%．

2.5 实验结果的误差分析

本系统利用计算机进行温度数据自动采集，其中温度测量选用T型热电偶测量，其测量精度为±0.2,℃；流量测量选用涡轮流量计，水流量计测量精度为测量数值的±0.5%；天然气流量计测量精度为测量数值的±2.3%．实验中的直接测量值(xi)的不确定度可以表示为

式中δx为直接测量值绝对不确定度．

假设间接计算量(R)为n个独立的测量值的函数，即

实验中的不确定度分析计算式为

根据不确定度式(6)以及热电偶和流量计的测量精度，可以得出本次实验过程中制冷量的误差为6.4%，制热量的误差为5.04%～5.15%，单位时间能耗误差为2.3%，季节一次能源利用率误差为8.47%～8.53%．

3 结 论

(1) 燃气机热泵热水器不同季节采用3种不同的运行模式，在满足全年提供生活热水的同时，亦可满足对房间夏季供冷、冬季供暖的需求．利用SPER对系统进行评价，夏季供冷兼制生活热水模式系统季节一次能源利用率为2.16，春/秋自然通风兼制生活热水模式系统季节一次能源利用率为1.99，冬季供暖兼制生活热水模式系统季节一次能源利用率为1.82.

(2) 燃气机热泵热水器与单纯制生活热水热水器相比，其季节性能明显提高．夏季供冷兼制生活热水模式比单纯制生活热水模式季节性能提高了46.9%；冬季供暖兼制生活热水模式比单纯制生活热水模式季节性能提高了15.9%．

(3) 春/秋自然通风兼制生活热水模式，因系统无需供冷、供热，为提高系统性能，转速采用为1,000,r/min即可．

(4) 根据热经济性分析可知，夏季工况下，利用燃气机热泵热水器与常规供冷、制生活热水方式相比，每250,m2的建筑可节省费用371元，约为总费用的67%．

［1］ Ndoye B，Sarr M. Analysis of domestic hot water energy consumption in large buildings under standard conditions in Senegal [J]. Build Environ，2008，43(7)：16-24.

［2］ Aydinalp M，Ugursal V I，Fung A S. Modeling of space and domestic hot-water heating energy-consumption in the residential sector using neural networks[J]. Applied Energy，2004，79(2)：59-78.

［3］ Chua K J，Chou S K，Yang W M. Advances in heat pump systems：A review[J]. Applied Energy，2010，87(12)：11-24.

［4］ Hepbasli A，Kalinci Y. A review of heat pump water heating systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(6)：1211-1229.

［5］ Guo J J，Wu J Y，Wang R Z. Experimental research and operation optimization of an air-source heat pump water heater[J]. Applied Energy，2011，88(11)：4128-4138.

［6］ Pei G，Li G Q，Ji J. Comparative study of air-source heat pump water heater systems using the instantaneous heating and cyclic heating modes[J]. Applied Energy Engineering，2011，31(2)：342-347.

［7］ 刘圣春，马一太，刘秋菊. CO2热泵热水器实验研究[J]. 天津大学学报，2008，41(2)：238-242.

Liu Shengchun，Ma Yitai，Liu Qiuju. Experimental research of heat pump water heater with CO2[J]. Journal of Tianjin University，2008，41(2)：238-242(in Chinese).

［8］ Zhang R R，Lu X S，Li S Z. Analysis on the heating performance of a gas engine driven air to water heat pump based on a steady-state model[J]. Energy Conversion and Management，2005，46(11)：1714-1730.

［9］ Arif H，Zafer E，Filiz I. A review of gas engine driven heat pumps(GEHPs)for residential and industrial applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(1)：85-99.

［10］ Yang Z，Wang W B，Wu X. Thermal modeling and operating tests for a gas-engine driven heat pump working as a water heater in winter[J]. Energy and Buildings，2013，58：219-226.

［11］ Elgendy E，Schmidt J，Khalil A. Performance of a gas engine driven heat pump for hot water supply systems[J]. Energy，2011，36(5)：2883-2889.

［12］ GB/T 7725—2004 房间空气调节器[S]. 2014-12-02. GB/T 7725—2004 Room Air Conditioner[S]. 2014-12-02(in Chinese).

（责任编辑：田 军）

Seasonal Operating Mode and Performance Experiment of Gas Engine-Driven Heat Pump Water Heater

Yang Zhao1，Zhang Xin1，Shi Yongzheng2
(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Beijing Key Laboratory of Heating，Gas Supply，Ventilating and Air Conditioning Engineering， Beijing 100089，China)

A gas engine-driven heat pump water heater(GEHPWH)was designed and built to experimentally test its heating and cooling performances under different seasonal operating modes，which could provide domestic hot water all year round，and at the same time could meet the heating and cooling requirements of building in winter and in summer spaces. Furthermore，an index of seasonal primary energy ratio(SPER)was presented to evaluate the performance of the whole system. The experimental results show that the SPER is 2.16 for providing cooled air and domestic hot water simultaneously in summer，which can be up to 46.9%higher than the running mode of providing domestic hot water only. In spring and autumn，the highest SPER is about 1.99 atthe rotating speed of 1 000 r/min when the GEHPHW is used to provide hot water as well as fresh air. In winter，the SPER is about 1.82 since the double requirements of both space and water heating，which is 15.9% higher than the running mode of providing domestic hot water only.

gas engine-driven heat pump water heater(GEHPWH)；seasonal operating mode；seasonal primary energy ratio(SPER)

TK11

A

0493-2137(2014)11-1017-06

10.11784/tdxbz201309003

2013-09-02；修回日期：2013-09-27.

国家自然科学基金资助项目(51076112，51276124)；天津市科技计划资助项目(12ZCDGGX49400)；供热供燃气通风及空调工程北京市重点实验室研究基金资助项目．

杨 昭（1960— ），女，教授.

杨 昭，zhaoyang@tju.edu.cn．

时间：2013-11-08.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131108.1538.008.html．