空气源燃气热泵系统多制热运行模式下余热回收特性

胡亚飞，冯自平，5，田佳垚，宋文吉

（1 中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2 中国科学院大学，北京 100049；3 中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；4 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东 广州 510640；5 中科广能能源研究院（重庆）有限公司，重庆 401331）

燃气热泵（gas engine-driven heat pump，GHP）是一种基于逆卡诺循环原理而直接使用天然气的热泵技术，可使用单一系统实现制冷、供暖及生活热水等多种功能需求。相比于电驱动热泵（electricdriven heat pump，EHP），GHP 系统不再使用电动马达驱动压缩机，而是使用燃气发动机直接驱动开式压缩机完成蒸气压缩式制冷循环[1-3]。GHP 系统中存在大量发动机余热，在制冷或制热模式下均可通过构建分布式能源系统实现能源的梯级高效利用，从而具有一次能源利用率高[4]、制热能力强[5]、运行费用低[6]及可变容量调节[7]等突出优势。EHP系统冬天会因环境温度的降低而制热量大幅度衰减，并且机组频繁结霜，极大影响用户舒适性。而GHP 通过回收发动机余热使得制热量远高于EHP，并且可直接利用发动机余热作为热源进行除霜，可实现在用户室内正常制热的情况下同时完成室外机换热器的除霜，极大提高了用户侧的舒适性。GHP技术因具有低碳、环保及节能等系列显著优势而受到了人们广泛关注，并将其应用在区域冷暖供应、除湿、热泵干燥和生活热水等场景[8-10]。

国际上针对GHP 技术进行了系列研究，主要包括GHP系统的制冷与制热性能特性[11-12]、构建数学模型[13-14]及运行经济性分析[15-16]等。然而，众多研究的GHP 系统多使用活塞压缩机，压缩机的容积效率相比涡旋压缩机明显偏低，并且制冷剂也多使用R134a或R407C，较少涉及当前国际主流GHP生产厂家应用的环保制冷剂R410A。GHP 生产厂家主要从产品的角度进行工程应用开发，并且为了技术保密而较少公开使用R410A 制冷剂涡旋压缩机的GHP 系统的测试数据。R407C 制冷剂因属于混合非共沸工质，系统的控制稳定性低于R410A的系统。R134a制冷剂的热泵系统制热下限温度通常仅为 -10℃，而R410A 系统通常可达 -20℃及以下，使用R134a 的GHP 系统在低温环境下的制热性能远不及R410A 系统。Elgendy 等[2,6,11]虽对使用R410A 制冷剂的GHP 系统有部分实验研究，但最低制热环境温度不低于 -4℃，对发动机部分的研究仅将发动机当作黑匣子来处理，其研究中未测量或计算出发动机热效率（ηeng），对GHP系统的性能分析中也无法考虑ηeng的影响，而ηeng是GHP 系统中的重要影响因素。GHP 系统中发动机的余热可以通过制冷剂与循环水两种余热回收载体进行回收，两种余热回收载体对余热的实际回收效果具有差异，当前缺乏相关的具体直观对比实验研究。基于此，为给我国的供暖领域提供低碳节能的热泵技术，尤其是在北方和长江流域，并有效缓解夏季空调巨大电力需求压力，在自行设计的使用R410A制冷剂开式涡旋压缩机的GHP实验台上，针对额定制热（环境温度7℃）与超低温制热（环境温度 -15℃）进行了GHP 系统的多制热运行模式下的余热回收特性研究，为GHP 技术大规模应用提供理论依据和重要数据支撑。

1 实验装置

GHP 系统实验装置如图1 所示，主要由进气、动力、热泵系统、余热回收系统和循环水路等模块构成。进气模块用于给GHP 系统的燃气发动机提供燃料天然气，本实验使用的是液化天然气（LNG），LNG经气化器气化并通过压力调节阀提供到发动机；动力模块为给GHP系统中开式压缩机提供驱动力的燃气发动机，负责将天然气在内燃机内燃烧后的热能转化成机械动力输出；热泵系统模块的作用完成GHP 系统制冷剂的蒸气压缩式制冷循环，制冷剂的循环原理同EHP 系统一样，主要由开式涡旋压缩机、两器（含蒸发器与冷凝器）、电子膨胀阀、直流风机、控制器等组成；余热回收系统模块用于将发动机的余热进行回收利用，该热量可以通过制冷剂或者水进行余热回收，主要由发动机冷却液、余热回收器1、余热回收器2、烟气废热回收器、缸套换热器和冷却水泵组成；循环水路模块用以将整个GHP 系统的可利用热量通过载冷剂水进行输出，主要由循环水泵、水流量计、膨胀水箱等组成。

图1 燃气热泵系统实验装置

如图1所示，本文GHP系统制冷剂可分为两个支路（制冷剂支路1与制冷剂支路2），两个支路的制冷剂在对应电子膨胀阀开启时进行蒸发吸热，支路1为热泵系统从空气侧的吸热量，支路2为系统从余热回收器2进行回收余热；GHP系统的供暖水也分为两个支路（供暖水支路1 与供暖水支路2），其中热泵系统制冷剂冷凝器侧的热量全部转移至供暖水支路1，通过开启电磁阀SV1可以使用供暖水支路2大量回收发动机余热。

通过使用Pt100 铂电阻获取进水与出水温度，其他测量点的温度值均通过使用T 型热电偶得到，系统的高压压力、低压压力通过使用Sensata 压力传感器获取，实验消耗的天然气体积流量使用罗茨流量计读取。表1列出了GHP系统的主要测量设备及相关不确定度。整个GHP 系统由热泵系统冷媒循环（图2所示的lgp-h）、余热回收系统冷却液循环和热泵系统水路循环共3个流体循环构成，各流体循环相互影响而构建整个GHP 系统热量传递，3个流体循环的具体介绍参见本文作者课题组前期的研究[17]。

表1 测量设备及不确定度

图2 燃气热泵冷媒循环系统压焓图

2 数据分析

GHP 系统回收的发动机余热最终主要转移到制取的供暖循环水中，供暖循环水的制热量（Q̇h）的计算如式(1)。

式中，cp,w为水的比热容，kJ/(kg·℃)；Ṁw为水的质量流量，kg/s；tw,in与tw,out分别为如图1 中所示的系统的总进水和总出水温度，℃。

供暖循环水在实测中体积流量Ġw，将Ġw转化为质量流量（Ṁw）如式(2)。

式中，ρw为水的密度，kg/m3；Ġw为水的体积流量，m3/h。

基于图2可计算得到GHP系统中供暖循环水从热泵冷凝器侧得到的热量，该热量记为计算制热量（Q̇h,cal），Q̇h,cal如式(3)。

式中，Ṁref为制冷剂循环质量流量，kg/s；h3与h4分别为热泵冷凝器的进口和出口处的单位制冷剂质量流量的焓值，kJ/kg。

为表征Q̇h与Q̇h,cal的偏差，定义两者间偏差率为Rdevi，如式(4)。

GHP 系统的耗能直接来自于天然气，一次能源的功率Pgas如式(5)。

式中，V̇gas为天然气的体积流量，m3/h；LHV为天然气的低位热值（本文使用LNG 的LHV=35540kJ/m3）。

GHP 系统的燃气发动机消耗天然气后，Pgas中有30%～35%的能量转化为机械轴功Peng，其余的都以热量释放（此处记为系统的总余热量Pres），故Pgas还满足式(6)。

GHP系统在制热运行使用供暖水支路2与发动机冷却液进行热交换而回收发动机余热时，此时使用供暖水支路2回收的余热量为式(7)。

燃气发动机有效功率Peng如式(8)[17]。

式中，ηeng为燃气发动机热效率；Ttq为发动机传递压缩机的扭矩，N·m；Neng为发动机的转速，r/min。

GHP系统的压缩机功率Pcomp如式(9)。

式中，ηt为GHP系统发动机与压缩机间的机械传动效率，本文GHP系统使用多楔带进行连接，ηt取95%[17]。

GHP 系统基于使用一次能源的总能效特征可使用一次能源利用率（primary energy ratio，PER）来进行表征[18]，如式(10)。

此处使用性能系数（coefficient of performance，COP）来表征本文GHP系统热泵的性能，如式(11)。

GHP系统的发动机余热可通过制冷剂与供暖水两种载体进行热回收，为表征系统冷凝器侧的制冷剂对供暖水的制热量的性能影响，定义COPcal为系统制热量基于Q̇h,cal得到的热泵性能系数，如式(12)。

联立式(8)～式(11)可得PER 和COP 间关系如式(13)。

可认为ηt保持定值95%不变，可见GHP的一次能效PER 受到热泵性能系数与发动机热效率的双重影响。

联立式(8)、式(9)可得Pgas和Pcomp间满足式(14)。

3 结果与讨论

在自行设计的基于使用R410A 制冷剂的高能效空气源GHP 系统实验平台上，进行了制热运行时的余热回收特性研究。为了得到GHP 系统使用制冷剂与供暖水这两种余热回收载体的余热回收效果，针对GHP 系统在额定制热（7℃）与超低温制热（-15℃）两种环境温度下，进行了制热运行的余热回收特性的研究。GHP 系统的余热回收特性研究有4 种制热运行模式（mode-1～mode-4）：① mode-1 指不进行余热回收的制热运行模式；② mode-2指仅使用制冷剂为余热回收载体的制热运行模式；③ mode-3指同时使用制冷剂与供暖水两种余热回收载体的制热运行模式；④ mode-4指仅使用供暖水为余热回收载体的制热运行模式。表2显示出了mode-1～mode-4各运行模式对应相关阀体开关及使用的吸热换热器的情况，将表2与图1结合起来便可以清楚知道4种制热模式的具体运行方式。

表2 不同制热运行模式的换热器使用及相关阀体开关情况

3.1 额定制热下余热回收特性

图3 为热泵系统在额定制热环境温度为7℃下保持相同进水流量12.20m3/h 的不同制热运行模式（mode-1～mode-4）对GHP 系统制热性能的影响。在Neng为1700r/min和tw,in为39.2℃下，研究了不同制热运行模式对Q̇h、Pgas、Pcomp、PER、COP 和COPcal的影响规律。图4 为对应运行状态下的Q̇h、Q̇h,cal、Q̇h,rec、Rdevi、Rrec,res、Rrec,h及ηeng在不同制热运行模式下的变化。

图3 额定制热下不同制热运行模式对燃气热泵系统制热性能的影响

图4 额定制热下不同制热运行模式对计算与实测制热量对比、余热回收效率及发动机热效率的变化

如图3 所示，随着制热模式由mode-1 变化至mode-4，Q̇h、PER与COP呈现增大的趋势，4种运行模式下Pgas与Pcomp的变化幅度小，其中Pgas与Pcomp的最大偏差率分别为5.66%和9.20%。COPcal呈现先增后减的趋势，其中mode-2 与mode-3 的COPcal数值明显大于mode-1 与mode-4。mode-1 变化至mode-4 改变的是发动机余热通过制冷剂与供暖水两种余热回收载体的余热回收比例变化过程，期间GHP 系统的冷凝器侧制冷剂一直与供暖水进行热交换，余热部分从不进行余热回收（mode-1），到仅使用制冷剂余热回收（mode-2），到制冷剂与供暖水同时余热回收（mode-3），最后到仅使用供暖水进行余热回收（mode-4）。从mode-1 变化至mode-4，Q̇h分别为58.38kW、63.90kW、71.52kW和83.39kW，PER分别为1.127、1.245、1.406和1.552，COP 分别为3.712、4.294、4.861 和5.191。相比于mode-1，mode-2～mode-4 的Q̇h分别增加了9.46%、22.51%和42.84%，PER分别增加了10.47%、28.41%和37.73%，COP 分别增加了15.67%、30.95%和39.83%。在制冷剂与供暖水这两种余热回收载体中，mode-4相比于mode-2在Q̇h与PER上分别增加了30.50%和24.68%。可见，将GHP系统的余热通过循环水进行回收可以使GHP 系统达到更优的综合制热效果，并且以供暖水作为余热回收载体时余热回收效果更显著。

由图4可知，随着mode-1变化至mode-4，Q̇h,cal呈现先增后减的趋势，ηeng处于30.46%～31.95%之间微小波动。Q̇h,cal是GHP系统通过制冷剂吸收的总热量，将系统中的制冷剂分一支路（图1中制冷剂支路2）流经余热回收器2 可以使系统中制冷剂吸收的总热量得以提高。mode-1～mode-4 对应的Q̇h,cal分别为59.11kW、63.81kW、62.47kW和59.23kW，其中全部使用制冷剂进行余热回收的mode-2 相比mode-1 仅提高7.94%，对应实测Q̇h，mode-2 相比mode-1提高9.45%，可见使用制冷剂进行余热回收系统制热量提升幅度较小。主要原因是使用制冷剂进行余热回收后，系统的低压得以提高，流经蒸发器的制冷剂支路1 从空气中吸收的热量明显减小，制冷剂支路2的余热回收作用使得系统总制热量虽有提升，但提升不足10%，提升幅度较小。此外，mode-1 与mode-4 的Q̇h,cal相近，说明了仅使用供暖水进行余热回收对热泵系统制冷剂侧的换热量影响较小。从图4中可知，对于仅使用制冷剂进行热交换的mode-1与mode-2，实测制热量与基于图2中压焓图并使用式(3)的计算制热量偏差百分比分别为1.25%与-0.14%，偏差值极小，说明了GHP系统制冷剂与冷凝器的换热量使用式(3)的计算结果准确度较高，也说明了式(7)中针对供暖水支路2实际回收的余热量Q̇h,rec的计算结果可靠。在图4中，mode-3与mode-4均有供暖水支路2参与余热回收，该部分余热回收量占余热量的百分比Rrec,res分别为25.04%和64.15%，供暖水余热回收量占总制热量的百分比Rrec,h分别为12.65%和28.97%，在mode-4下回收的余热量为24.16kW，可见仅使用供暖水进行余热回收的mode-4 为4 种制热运行模式中最优的制热方式，此时GHP系统的实际余热回收效果最佳。

3.2 超低温制热下余热回收特性

图5 为热泵系统在超低温制热环境温度为-15℃下保持相同进水流量12.20m3/h的不同带余热回收的制热运行模式（mode-2～mode-4）对GHP系统的制热性能的影响。在Neng为2400r/min 和tw,in为40.7℃时，研究了不同制热运行模式对Q̇h、Pgas、Pcomp、PER、COP 和COPcal的影响规律。在上文得到mode-1 与mode-4 的Q̇h,cal相近，可见mode-1 的制热量可通过计算mode-4 的Q̇h,cal得到，故本部分的研究未进行mode-1 的实验测试，仅测试实际进行了余热回收的mode-2～mode-4的实验研究。图6为对应运行状态下的Q̇h、Q̇h,cal、Q̇h,rec、Rdevi、Rrec,res、Rrec,h及ηeng在不同制热运行模式下的变化规律。

图5 超低温制热下不同制热运行模式对燃气热泵系统制热性能的影响

图6 超低温制热下不同制热运行模式对计算与实测制热量对比、余热回收效率及发动机热效率的变化

如图5 所示，由mode-2 变化至mode-4，Q̇h、PER 与COP 呈现增大的趋势，COPcal呈现递减的趋势，Pgas与Pcomp的变化幅度较小，其中Pgas与Pcomp的最大偏差率分别为3.73%和1.28%。从mode-2变化至mode-4，Q̇h分别为51.15kW、59.17kW和63.21kW，PER分别为0.773、0.887和0.983，COP分别为2.712、3.137 和3.394。相比于mode-2，mode-3 与mode-4的Q̇h分别增加了15.68%和23.58%，PER 分别增加了14.86%和27.28%，COP 分别增加了15.69%和25.17%。可见，相比于仅使用制冷剂作为余热回收载体，将GHP系统的余热通过供暖水支路2进行回收可达到更优的综合制热效果。

图6中，mode-2变化至mode-4，Q̇h,cal呈现递减趋势，ηeng处于29.77%～30.49%间微小波动。mode-2～mode-4 对应的Q̇h,cal分别为51.29kW、48.91kW 和40.09kW。以额定制热下的Q̇h,cal变化情况可知，可使用mode-4 的Q̇h,cal直接代替未进行余热回收的mode-1的Q̇h,cal，即可认为此时超低温制热下mode-1的Q̇h,cal为40.09kW，则mode-2相比mode-1提高了27.95%，远高于额定制热时的提升幅度7.94%。由图6可知，对于仅使用制冷剂进行热交换的mode-2，实测制热量与使用式(3)的计算制热量偏差百分比为0.29%，偏差值极小，也进一步说明了本文计算制热量Q̇h,cal计算结果准确度高。图6中，mode-3与mode-4 的供暖水支路2 回收的余热量占余热量的百分比Rrec,res分别为21.45%和50.63%，供暖水余热回收量占总制热量的百分比Rrec,h分别为17.34%和36.58%，进一步说明了mode-4为3种带余热回收模式中最优的制热运行方式。其中mode-4 下回收的余热量为23.12kW。对比额定制热与超低温制热下的Rrec,res与Rrec,h，可得超低温制热下回收的余热占余热中的比例相对较小，而占总制热量的比例相对较高。这是因为超低温下余热回收系统向环境中散失的热量增加，并且此时热泵侧制冷剂从空气中的吸热量明显下降。可见GHP 系统在超低温时制热量提升比例更大，低温时GHP 系统具有更大的性能优势。

4 不确定度分析

本研究中Q̇h、Pgas和PER 这3 个间接测量参数可直观反映系统性能特征，其不确定度可基于直接测量量由误差传播定律获得。间接测量量y与直接测量量x1-xn的表达式记为式(15)。

则y的不确定度Uy可使用xi的不确定度Uxi来表示，如式(16)[19-20]。

基于式(1)与式(2)可知Q̇h为Ġw、tw,in和tw,out的函数，为简化表述，记∆tw=tw,out-tw,in，故Q̇h满足如式(17)。

由式(5)可知，Pgas满足式(18)。

由式(10)、式(17)及式(18)则有式(19)。

综合以上表达式可得Q̇h、Pgas和PER 三参数的不确定度计算式为式(20)～式(22)。

Q̇h、Pgas和PER 的相对不确定度最大值在∆tw取最小值时取得，∆tw最小值为3.64℃。基于表1与式(20)～式(22)可得Q̇h、Pgas和PER 的最大相对不确定度分别为3.92%、1.00%与4.04%，最大不确定度不到5%，本文GHP系统的数据测量准确度高。

5 结论

本文创新性设计并搭建了基于使用R410A制冷剂的高能效GHP 系统实验平台，在额定制热（环境温度7℃）与超低温制热（环境温度-15℃）下，研究了不同制热运行模式（mode-1～mode-4）对系统制热性能参数的影响，研究了空气源GHP 系统多制热运行模式下的余热回收特性，得到以下结论。

（1）相比于不进行余热回收的mode-1，进行余热回收的mode-2～mode-4这3种制热运行模式均可明显提升GHP 系统的制热性能，在额定制热下Q̇h分别增加了9.46%、22.51%和42.84%，PER分别增加了10.47%、28.41%和37.73%。可见mode-4提升效果最为显著，其是4种制热模式中最优的制热运行模式。

（2）对比mode-2 与mode-4 的实测性能数据，mode-4相比于mode-2在额定制热与超低温制热下PER 分别增加了24.68%和27.28%。可见在制冷剂与供暖水这两种余热回收载体中，以供暖水作为余热回收载体时余热回收效果更显著。

（3）在mode-4 下，当环境温度为7℃和-15℃时，PER分别为1.552和0.983，余热回收量分别为24.16kW和23.12kW，Rrec,res分别为64.15%和50.63%，Rrec,h分别为28.97%和36.58%，可见本文GHP 系统的实际余热回收效果优良。

（4）对比额定制热与超低温制热下的Rrec,res与Rrec,h，超低温制热下回收的余热量占发动机余热中的比例相对较小，而占总制热量的比例相对较高。可见GHP 系统在超低温时制热量提升比例更大，低温时具有更大的性能优势。