带储能单元的燃气机热泵供暖季运行分析

杨 昭，高轶德，张 强，李 宁

(天津大学机械工程学院，天津 300350)

燃气机热泵(GEHP)是以燃气发动机驱动压缩机带动热泵系统运行的装置，可实现供热、供冷、供生活热水等功能.燃气机热泵的烟气余热以及发动机缸套余热可回收，具有一次能源利用率高、热经济性好等优点[1-3].燃气发动机的转速可调，能够实现对热泵系统容量的间接调节以匹配负荷[4].然而，在实际应用中，用户侧的冷热负荷呈现全天候变化且波动范围较大，受天气、人员流动等外部因素影响较多[5-6]，建筑负荷过高或过低时会导致燃气发动机产能不足或怠速运转，影响系统整体的稳定性与经济性[7].

储能技术因具有良好应用前景已被应用于多种领域[8-9]，本文提出将储能单元应用于燃气机热泵系统，以天津大学某小型建筑为样本进行了实验测试.对带储能单元的燃气机热泵(ESGEHP)系统在供暖季下的运行性能进行了实验研究，分析了系统在1,200～2,000,r/min转速范围内的运行情况.在满足建筑热负荷供应的前提下测试了系统不同工作模式的联运效果，并研究了储能单元对系统性能的影响，平衡了用户侧负荷需求，改善了燃气机热泵运行工况，对系统整体运行模式进行了分析探讨.

1 带储能单元的燃气机热泵系统

1.1 系统简介

系统原理如图1所示，整个系统分为发动机传动子系统、热泵子系统、余热回收子系统、储放供能联动子系统4个部分.系统以天然气/汽油为输入能源，通过传动装置将发动机动力传递给压缩机带动热泵系统运行，发动机缸套余热及烟气热量经余热换热器被回收用以加热生活热水.热泵系统通过四通换向阀进行制冷、制热模式的切换，对于冬季制热模式，室外侧换热器为蒸发器，室内侧板式换热器为冷凝器，冷凝器放出的热量用来加热空调水箱循环水，多余的热量被存储在储能单元中，按需放出.

图1 带储能单元的燃气机热泵系统示意Fig.1 Schematic diagram of ESGEHP

ESGEHP系统分为 4种工作模式：低负荷模式(Mode L)，建筑负荷过低，仅利用储能单元向建筑供热；部分负荷模式(Mode P)，建筑负荷较低，满足建筑负荷需求前提下将多余热量存储于储能单元；全部负荷模式(Mode F)，调整发动机转速，以热泵系统产热匹配建筑负荷实际需求；过负荷模式(Mode O)，建筑负荷过高，热泵系统产热不能满足实际负荷需求，开启储能单元与热泵系统联合供热.

1.2 冬季建筑热负荷

图 2为天津市一小型建筑冬季典型日实测热负荷，建筑面积 560,m2.冬季建筑热负荷全天近似正弦变化，在上午 6：00时达到峰值，下午 14：00时达到谷值.对于燃气机热泵系统，建筑负荷过高会引起系统运行效率的下降，甚至产能不足；建筑负荷过低导致发动机怠速运转或低速下产能过剩.建筑负荷的过高或过低对于燃气机热泵均是不利工况，因此，引入储能单元在全天建筑供能过程中，随时储、放能量，确保发动机工作在最佳经济区域内，实现系统高效运行，同时，储能单元还能够平衡建筑实时负荷波动，改善系统运行工况.

图2 冬季典型日采暖热负荷Fig.2 Heating load of a typical day in winter

1.3 实验测试条件与实验方案

实验台关键部件燃气发动机采用 TJ376Q燃气机，3缸 4冲程直列水冷，排量 0.993,L，怠速(900±50)r/min，最佳经济区 1,200～2,000,r/min.压缩机采用比泽尔 4PFCY开式 4缸压缩机，排气量 48.7(1,400,r/min)～100.8,m3/h(3,000,r/min).燃气机与压缩机采用单级传动比1.2.制冷工质选用R134a.

储能单元采用 2,000,mm×1,000,mm×1,200,mm不锈钢封闭水箱，外表覆盖聚氨酯发泡保温层，储能介质为水.

实验台以西门子 PLC作为下位机进行控制量输出、数据采集工作，上位机采用计算机完成数据记录及分析.系统关键部件进出口工质管路、冷媒管路，室内墙壁、工作区、送风口，室外测温百叶箱，储能单元及各水箱位置均布置有测温点；主要管路布置流量计，利用霍尔转速传感器及 PLC高速计数器功能完成燃气机转速测量.所用传感器及精度见表1.

表1 数据采集传感器参数Tab.1 Parameters of data sensors

实验台利用变频水泵调节末端分集水器流量对系统供应负荷与建筑热负荷进行匹配.

实验分为燃气机热泵性能测试及 ESGEHP系统运行测试两部分.燃气机热泵性能测试以燃气机转速 1,300,r/min为起点，步进100,r/min至 1,900,r/min结束.期间记录燃料箱减重量、各换热器进出口管路温差以获得燃料消耗量、热泵制热量、余热量等数据.ESGEHP系统运行测试依据实测实时建筑热负荷结合空调水箱与储能单元实时温度，手动切换系统各工作模式，人工干预发动机转速调整及末端变频水泵流量调整.Mode P下保持空调水箱水温不低于40,℃，多余产热向储能单元储能，储能高限至空调水箱水温不高于45,℃；Mode O下储能单元向空调水箱放能，放能低限至储能单元水温不低于 38,℃，储放能期间至少保证2,℃传热温差，以此完成热泵和储能单元的供热分配.

2 系统分析与评价指标

热平衡方程作为分析描述燃气机热泵系统的直观形式已被广泛应用，已有多位学者在其文章中有所描述[10-12].

2.1 ESGEHP热平衡分析

系统输入能源为燃料燃烧产生的热能，由燃气机将热能转化为机械能驱动压缩机带动热泵系统将低位热能转为高位热能.在冬季工况下，输出热量包括冷凝器放热、发动机缸套及烟气余热.

系统热平衡方程可表达为

式中：Qf为燃料燃烧热，kW；Qeva为蒸发器吸收外界热量，kW；Qcon为冷凝器制热量，kW；Qcl为缸套余热，kW；Qeg为烟气余热，kW；Qs为系统热损，kW.

储热水箱的储热容量可表示为

式中：Qes为储热水箱储热量，kW；Qs为空调水箱向储能单元输送的冷凝器过余制热量，kW，管路保温性能良好前提下，可认为其值为冷凝器制热量与建筑热负荷差值；Ql为储热水箱热损，kW；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；m为换热管路水的质量流量，kg/s；Tin、Tout分别为管路进、出口温度，℃；Qload为建筑热负荷，kW；U为热损失系数，本文为6.82,W/℃；Ts为储热水箱水温，℃；Ta为环境温度，℃.

2.2 评价指标

制热性能系数COP常用来评价热泵系统的工作能力，对于燃气机热泵系统，也采用一次能源利用率PER来评价其单工况性能.

ESGEHP系统各评价参数可表达为

式中：C OPh、C OPth分别为供暖季下不考虑余热回收与考虑余热回收的热泵制热性能系数；P ERh,GEHP、PERh,ESGEHP分别为供暖季下普通燃气机热泵与带储能单元的燃气机热泵一次能源利用率；Pcom为压缩机功率，kW；Qr= Qcl+Qeg，为总余热量，kW；α为余热利用系数，定义为回收的余热量与总余热量之比，取α＝0.7.

3 结果与讨论

3.1 燃气机热泵性能测试

图3为燃料消耗量与发动机转速的关系，所用燃料热值为 44,kJ/g，发动机 1,300,r/min、1,600,r/min、1,900,r/min转速下燃料发热量分别为 35.0,kW、43.4,kW、51.7,kW.压缩机功率在此转速区间随发动机转速在10～20,kW内呈线性变化，如图4所示.

图3 燃料消耗量与发动机转速的关系Fig.3 Relationship between fuel consumption and rotating speed of engine

图4 压缩机功率与发动机转速的关系Fig.4 Relationship between compressor power and rotating speed of engine

实验测试了蒸发温度-5,℃、冷凝温度 45,℃工况下，燃气机热泵冷凝器制热量、总余热量随转速的变化关系，如图 5和图 6所示.测试结果显示，制热量的升高与转速并非严格的线性关系，在总体趋势上，冷凝器的制热量及系统的总余热量均随发动机转速的增加而升高.

图5 冷凝器制热量与发动机转速的关系Fig.5 Relationship between condenser heat production and rotating speed of engine

燃气机热泵 PERh、COPh随发动机转速变化如图7所示.1,200～2,000,r/min转速范围内，系统 PERh在 1.5～1.3之间，COPh在 3.0～4.0之间.随转速的增加，PERh及 COPh呈下降趋势，在 1,200～1,600,r/min之间，系统具有较高的运行效率；1,600～2,000,r/min系统效率变化不大，但数值较低，实际工作中应避免长期运行在此转速区间.结合图 2可知，ESGEHP系统超负荷运行时间较短，80%,的时间可运行在部分负荷工况，即燃气发动机工作在最佳经济区内，ESGEHP系统在对建筑进行供暖时均能保持较高的一次能源利用率以及系统COPh.

3.2 储能单元储放能与运行模式分区

图 8给出了储热水箱在不同转速下储放能与建筑实时热负荷之间的关系，图中所示为储能单元的名义储放能量，作为实际运行中系统不同工作模式下的参考.

图7 PERh、COPh与发动机转速的关系Fig.7 Relationship between PERh，COPh and rotating speed of engine

热负荷低于 20,kW 时，系统工作于 Mode L，发动机转速已偏离经济区下限，燃料燃烧利用率大幅降低，此时发动机停机，储能单元放能以保证对建筑持续供能.

热负荷高于20,kW、低于30,kW时，系统工作于Mode P，发动机依旧能够工作在最佳经济区，转速处于经济区的下限附近，多余的能量可通过储能单元进行存储.

热负荷高于30,kW时，系统可工作于Mode F，系统制热量产出与建筑热负荷需求一致，此模式适用于建筑负荷相对稳定时段，避免发动机转速大幅波动；系统亦可灵活工作于 Mode O，储能单元储能量足够前提下，适当放能降低发动机转速，保证系统稳定对建筑进行供能前提下，提高系统运行效率及经济性.

图8 储放能与热负荷的关系Fig.8 Relationship between energy storage/release and heating load

当建筑热负荷高于 45,kW 时，系统全面进入Mode O，适当匹配发动机转速并配合储能单元放能，避免发动机转速超过经济区上限，提高负荷供应的保证度.

图 9所示为 ESGEHP系统工作模式的分区.考虑到储能单元储放能均与空调水箱直接联动，故换热强度有一定限制.图中灰区Ⅰ表示建筑负荷相对过低，热泵系统产热的富余热量已不能全部蓄存入储能单元，会产生过余热量散失；灰区Ⅱ表示建筑负荷相对过高，即使配合储能单元放热也已不足以满足建筑热负荷的需求.实际工作中应避免系统在灰区中运行.

图9 建筑热负荷与ESGEHP系统模式分区Fig.9 Partition of ESGEHP system mode according to building heating load

3.3 供暖季日逐时效率

本文测试了 ESGEHP系统各工作模式的联动运行效果，并与普通 GEHP系统进行了对比.图 10所示为测试日逐时热负荷变化情况与相应的工作模式区间，图11所示为测试日ESGEHP系统与GEHP系统逐时PERh对比.GEHP系统PERh在15∶00达到峰值，这是因为此时建筑热负荷达到最低，发动机以低转速即可满足热负荷需求；4∶00—8∶00由于建筑热负荷大，发动机转速高，系统效率不高.ESGEHP系统6∶00—12∶00 储热水箱放能，系统工作于 Mode O，发动机转速得以降低，系统 PERh远高于 GEHP系统；12∶00—18∶00属于建筑负荷相对较低时段，储热水箱储能，系统工作于Mode P，为了获得更好的储能效果及储能量，适当提高发动机转速，系统 PERh略低于GEHP系统.其余时段系统工作于Mode F，与GEHP系统无异.总体来讲，加入储能单元后ESGEHP系统日均PERh达到1.48，较GEHP系统提高4.2%,，并且避免了发动机持续低速或高速运转，燃料消耗量减少 12.5%,，提升了系统经济性，优化了负荷的产出能力.

图10 测试日逐时热负荷Fig.10 Hourlyheating load of the test day

图11 ESGEHP/GEHP供暖季逐时PERhFig.11 Hourly PERh of ESGEHP/GEHP in heating season

3.4 储热水箱热损

储热水箱热损取决于水箱内水温与环境间温差及结构材料因素决定的水箱热损系数，储热水箱热损如图 12所示，日间环境温度较高，热损较低；夜间环境温度较低，热损较高.但对于储能单元日节能能力来讲，热损是极小的，甚至是可以忽略的.

图12 储热水箱热损Fig.12 Heat loss of energy storage unit

4 结 论

(1) 增加了储能单元后的燃气机热泵系统，燃气发动机可一直运行在1,200～2,000,r/min经济转速范围内，系统效率随发动机转速的升高而降低，1,600,r/min以下系统具有较好经济性.

(2) ESGEHP系统可根据实时建筑负荷变化情况，随时调整工作模式以匹配波动较大的建筑负荷，建筑热负荷低于 30,kW 时应储存过余热量，高于45,kW 时放能以配合燃气机热泵产热补足建筑负荷需求.

(3) 应用储能单元后，ESGEHP系统日均 PERh提升 4.2%,，燃料消耗量降低了 12.5%,，且较好地平衡了燃气机热泵产出与建筑负荷间的供需关系，改善了系统运行工况.

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