燃气压缩式与双效吸收式耦合热泵的制冷性能

马振西 ，刘凤国 ，张 蕊 ，李 盛

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 102616；3.天津泰达燃气有限责任公司 工程建设部，天津 300457）

随着清洁能源利用政策的不断推进，近年来，燃气机热泵因其具有较高的一次能源利用率等特点，受到国内外研究者的广泛关注[1-4].但是，燃气机热泵在制冷模式运行时，通常将燃气发动机余热通过散热器直接排放至室外环境中，导致燃气机热泵系统在制冷模式运行时的一次能源利用率较低.为此有研究者提出了燃气压缩式与单效吸收式耦合热泵（GECSAHP）[5-8]，采用单效吸收式热泵回收燃气发动机余热，提高系统的制热量.孙志高[9]搭建了GECSAHP实验台，利用发动机余热驱动单效溴化锂吸收式冷水机组，结果表明，该系统的一次能源利用率达到1.84.Jeong等[10]建立了GECSAHP的仿真模型，对比分析了采用不同控制方法时系统的性能特征.Mohammadi等[11]建立了GECSAHP采用不同冷却方式的仿真模型，研究结果显示，燃气压缩式热泵和吸收式热泵都采用水冷的方式时，系统的一次能源利用率和效率最高.

在单效吸收式热泵中，由于受发生器发生压力的限制，过高的热源温度将会导致发生器中的浓溶液结晶，从而破坏循环.为了防止结晶产生，通常利用循环水回收发动机高温烟气和缸套水的热量，再驱动吸收式热泵的发生器.这种余热回收方法无法直接利用燃气发动机烟气的高温热能，导致其损较大.为此，本文将双效吸收式热泵系统与燃气压缩式热泵系统相结合，提出一种燃气压缩式与双效吸收式耦合热泵系统，从而实现燃气发动机余热的梯级利用，通过仿真模拟方法分析变工况下系统的热力学特性.

1 系统介绍

燃气压缩式与双效吸收式耦合热泵（GECDAHP）的流程如图1所示，其中包括燃气压缩式热泵（GEHP）和双效吸收式热泵（DAHP）两部分.图1中：1-4是GEHP的状态参数；5-24是DAHP的状态参数；25-31是水的状态参数；32-33是翅片式换热器中空气进出口的状态参数；34-35是燃气发动机烟气的状态参数.在GEHP中，压缩机由燃气发动机直接驱动，其制冷循环与常规电动热泵循环类似，工质采用R134a.在DAHP中，溴化锂稀溶液5离开吸收器，并经溶液泵加压后进入低温溶液换热器，在低温溶液换热器换热后分成两路：一路经减压阀3后进入低压发生器1，在低压发生器1中被缸套热水解析生成溴化锂溶液16和过热制冷剂蒸气17′；另外一路经高温溶液换热器后进入高压发生器，经高温烟气解析产生中间浓度溴化锂溶液12和过热制冷剂蒸气11，中间浓度溴化锂溶液12经高温溶液换热器和减压阀2后，进入低压发生器2.在低压发生器2中，中间浓度的溴化锂溶液14和16被过热制冷剂蒸气11的冷凝热解析，产生溴化锂浓溶液19和过热制冷剂蒸气17′′.制冷剂17′、17′′和18′在冷凝器中冷凝放热，经节流阀进入蒸发器，在蒸发器中吸收冷冻水的热量后汽化成水蒸气24，水蒸气进入吸收器中被溴化锂浓溶液21吸收，并放出热量，从而完成DAHP制冷循环.在制冷模式下，冷冻水先进入DAHP的蒸发器进行预冷，之后进入GEHP的蒸发器进一步降温后供给用户.GEHP的冷凝器采用翅片式换热器散热，DAHP的吸收器和冷凝器采用冷却塔散热.

图1 GECDAHP系统流程

2 系统模型

图2所示为燃气发动机在不同转速和负载率下的输出功率和燃气消耗量.采用数据拟合软件得到燃气消耗量和输出功率的表达式为

式中：QPE为燃气发动机的燃气消耗量，kW；nEng为燃气发动机转速，r/min；φ为燃气发动机负载率；PEng为燃气发动机的输出功率，kW；aij、bij为系数，其值见表1.

采用模块化建模的思路，将GECDAHP中的每个设备划分为各个模块，对各模块分别建立质量平衡、能量平衡以及LMTD模型，并根据各模块的输入、输出参数之间的逻辑关系，组成整个系统的仿真模型.系统各关键部件的能量平衡方程如表2所示.

表2中：c为比热容，kJ/（kg·℃）；m为质量流量，kg/s；h为比焓，kJ/kg；t为温度，℃；下标 a、r、exh、w分别对应空气、制冷剂、烟气、水；下标数字对应图1中的状态点.

图2 燃气发动机模型

表 1 式（1）-（2）中各系数的值

表2 系统各关键部件能量平衡方程

GECDAHP系统的性能评价参数包括的制冷量（QE）、压缩式热泵制冷系数（COPC）、吸收式热泵制冷系数（COPA）和一次能源利用率（PER）.

式中：QE为GECDAHP的制冷量，kW；QEC为GEHP的制冷量，kW；QEA为DAHP的制冷量，kW；Pcom为GEHP中压缩机的耗功率，kW（假定PEng=Pcom）；Qcy1为燃气发动机缸套的热回收量，kW；Qexh为燃气发动机烟气的热回收量，kW；Wfan为GEHP中冷凝器风机的耗电量，kW；Wpump为DAHP中溶液泵的耗电量；ψ为燃气发电效率，取值0.35.

3 结果与分析

3.1 额定工况下系统性能参数分析

定义额定工况为：发动机转速1 600 r/min，室外空气温度35℃，相对湿度60%，冷冻水出水温度7℃.基于EES仿真软件计算图1各点的状态，结果见表3.

表3 额定工况下系统各点的状态参数

将表3中的状态参数代入表2中的计算模型，可得出，DAHP的制冷量为29.30 kW，GEHP的制冷量为45.94kW，二者制冷量比为1∶1.5.此外可以看出，采用DAHP可直接将烟气温度从580℃降至136.6℃，充分回收了燃气发动机烟气的余热.额定工况下，GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能对比见表4.

由表4可知：相比于GEHP和GECSAHP，本文提出的GECDAHP制冷能力分别提高了57%和10%，一次能源利用率分别提高了35%和11%.

表4 额定工况下三种燃气机热泵系统的性能对比

3.2 变工况下系统性能分析

3.2.1 环境温度的影响

当燃气发动机转速为1 600 r/min、空气相对湿度为60%时，GEHP、GECSAHP和 GECDAHP三种热泵系统的制冷量、COP和PER随环境温度的变化见图3.

图3 GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能随环境温度的变化曲线

由图3可知，随着环境温度的升高，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三种热泵系统的总制冷量、COP和PER都呈现降低的趋势.这是由于环境温度升高导致燃气压缩式热泵和吸收式热泵的冷凝温度和冷凝压力升高，制冷循环恶化，进而使压缩机耗功和燃气消耗量的增加.由图3a可以看出，采用吸收热泵与燃气压缩式热泵耦合可使制冷量有明显的提高；当环境温度从26℃增加到40℃时，GEHP的制冷量从51.2 kW降低到42.5 kW，GECSAHP的制冷量从 70.8 kW降低到61.1 kW，GECDAHP的制冷量从78.1 kW降低到68.1 kW.此外还可以看出，采用GECDAHP可使燃气机热泵的制冷量提升约60%，采用GECSAHP可使燃气机热泵的制冷量提升约40%.由图3b可知，当环境温度从26℃增加到40℃时，GEHP、SAHP和DAHP的 COP分别降低17%、14%和13%.由图 3c可知，GECDAHP的PER比GEHP高约35%，比GECSAHP高约10%.因此，燃气机热泵在制冷模式下，采用DAHP回收燃气发动机余热可有效提高系统的制冷量和PER.

3.2.2 冷冻水出水温度的影响

当燃气发动机转速为1 600 r/min、空气相对湿度为60%时，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三种热泵系统的制冷量、COP和PER随冷冻水出水温度的变化如图4所示.

图4 GEHP、GECSAHP和GECDAHP的性能随冷冻水出水温度的变化曲线

由图4可知，随着冷冻水出水温度的升高，GEHP、GECSAHP和GECDAHP三种热泵系统的制冷量、COP和PER都呈现升高的趋势.这是由于冷冻水出水温度升高导致了燃气压缩式热泵和吸收式热泵的蒸发温度和蒸发压力的升高，对制冷循环更加有利.由图4a可知，当冷冻水供水温度从5℃增加到12℃时，GEHP的制冷量从41.7 kW增加到57.1kW，GECSAHP的制冷量从59.7 kW增加到78.8 kW，GECDAHP的制冷量从66.5 kW增加到86.6 kW.由图4b-4c可知，当冷冻水供水温度从5℃增加到12℃时，GEHP、SAHP和 DAHP的 COP分别提高 20%、6%和 5%；GEHP、GECSAHP和GECDAHP三种热泵系统的PER分别提高21%、14%和13%.

4 结论

（1）对现有的燃气压缩式与单效吸收式耦合热泵（GECSAHP）系统进行改进，提出燃气压缩式与双效吸收式耦合热泵（GECDAHP），采用双效吸收式热泵回收燃气发动机余热，可实现余热的梯级利用，制冷量可在GECSAHP的基础上提高10%.

（2）在额定工况下，相比于燃气压缩式热泵（GEHP）和GECSAHP，本文提出的GECDAHP的一次能源利用率分别提高了35%和11%.从能源高效利用角度，该系统具有较大的节能潜力.

（3）环境温度和冷冻水出水温度均对GECDAHP的性能有显著影响，因此在满足用户末端冷负荷情况下，适当提高冷冻水出水温度有利于系统节能.