內(nèi)置熱泵的熱電冷聯(lián)合有機(jī)朗肯循環(huán)能效分析

洪 光， 張新銘， 李建軍

（1.重慶大學(xué) 動力工程學(xué)院，重慶 400030；2.中國·城市建設(shè)研究院，北京 100120）

低品位能源應(yīng)用技術(shù)是未來節(jié)能和低碳減排的一個重要研究方向，利用太陽能這種低品位能源越來越受到重視。分布式太陽能應(yīng)用主要是采用太陽能集熱裝置獲取熱水和采用太陽能光伏發(fā)電裝置光電轉(zhuǎn)換方式獲取電能的應(yīng)用，熱電冷聯(lián)合有機(jī)朗肯循環(huán)（Combined Cooling Heat and Power－Organic Rankine Cycle，簡稱CCHP－ORC）可以較好地結(jié)合這2種應(yīng)用。

CCHP源自于熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，簡稱CHP）技術(shù)，是建立在對低品位能量進(jìn)行梯級利用的概念基礎(chǔ)上，輸出動力的同時供熱或者制冷的綜合能源系統(tǒng)，近年來仍有不少對CCHP系統(tǒng)的研究［1－3］。ORC采用有機(jī)工質(zhì)的蒸汽朗肯循環(huán)，是應(yīng)用于分布式能源回收低品位熱能的一種方法［4－5］。這2種分布式能源技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在生物質(zhì)和太陽能等低品位能源的綜合利用中［6－7］。文獻(xiàn)［8］對應(yīng)用于該 CCHP系統(tǒng)的太陽能熱泵集熱器進(jìn)行了研究。

本文將內(nèi)置熱泵與外置熱泵和無熱泵的CCHP－ORC系統(tǒng)進(jìn)行比較，利用總能利用率、當(dāng)量火用效率和經(jīng)濟(jì)火用效率3種系統(tǒng)能效評價指標(biāo)對帶有內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)整體系統(tǒng)能量利用率的影響進(jìn)行評價分析，得出該系統(tǒng)運(yùn)行時的最佳工作參數(shù)范圍和運(yùn)行特點(diǎn)。

1 內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型CCHP－ORC系統(tǒng)可以分為無熱泵、外置熱泵和內(nèi)置熱泵3種。外置熱泵是在無熱泵CCHP系統(tǒng)中，用輸出的動力驅(qū)動熱泵工作。內(nèi)置熱泵系統(tǒng)直接將熱泵與CCHP系統(tǒng)循環(huán)相連。內(nèi)置熱泵的CCHP－ORC系統(tǒng)圖，如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括CCHP系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)包括工質(zhì)泵、發(fā)生器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)4個設(shè)備；熱量系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、引射器、四通轉(zhuǎn)向閥、三向閥6個設(shè)備。

圖1中，1點(diǎn)為膨脹機(jī)入口工質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)；2點(diǎn)為膨脹機(jī)出口工質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)；3點(diǎn)為冷凝器飽和液態(tài)工質(zhì)出口工質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)；4點(diǎn)為工質(zhì)泵加壓后工質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)；5點(diǎn)為發(fā)生器出口處狀態(tài)點(diǎn)。

圖1 內(nèi)置熱泵低溫太陽能ORC熱電冷聯(lián)合基本系統(tǒng)圖

系統(tǒng)為熱電輸出模式時，工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)做功后進(jìn)入冷凝器。從冷凝器流出的液態(tài)工質(zhì)部分通過節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)變?yōu)榈蛪猴柡驼羝?，另一部分工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入發(fā)生器吸熱蒸發(fā)為高壓過熱蒸汽，這兩部分蒸汽在引射器中混合升壓后進(jìn)入膨脹機(jī)中膨脹做功。當(dāng)系統(tǒng)為冷電模式時，CCHP循環(huán)系統(tǒng)通過四通轉(zhuǎn)向閥和三向閥將蒸發(fā)器和冷凝器互換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱電與冷電模式轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)CCHP－ORC系統(tǒng)將電能系統(tǒng)和熱能系統(tǒng)循環(huán)分離，而CCHP－ORC系統(tǒng)將熱能系統(tǒng)循環(huán)和電能系統(tǒng)循環(huán)結(jié)合在一起，工質(zhì)在電能系統(tǒng)和熱能系統(tǒng)中并不是獨(dú)立的循環(huán)，2個系統(tǒng)之間有物質(zhì)交換。這種結(jié)構(gòu)使小型CCHP－ORC系統(tǒng)的能量利用更加高效和靈活。

2 系統(tǒng)循環(huán)熱力計(jì)算與能效評價

2.1 ORC系統(tǒng)循環(huán)熱力計(jì)算

ORC系統(tǒng)循環(huán)熱力計(jì)算中設(shè)定冷凝溫度為定值；冷凝器入口為飽和蒸汽，冷凝器出口為飽和液；換熱器中夾點(diǎn)溫差為5℃，發(fā)生器出口處工質(zhì)過熱度為3℃；發(fā)生器中工質(zhì)的蒸發(fā)溫度在冷熱源溫度的變化步長為0.1℃。

采用R245fa為工質(zhì)的低溫CCHP－ORC系統(tǒng)循環(huán)的溫熵圖如圖2所示。在該循環(huán)中，冷凝后的工質(zhì)被分流出一部分后經(jīng)過節(jié)流器進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)。然后與高溫蒸發(fā)器出來的工質(zhì)在引射器中混合，再進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功。熱泵系統(tǒng)在該系統(tǒng)中由ORC蒸發(fā)器出口的氣態(tài)工質(zhì)驅(qū)動下進(jìn)行工作。2S和4S分別為膨脹機(jī)和工質(zhì)泵理想狀態(tài)等熵變化的工質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)。

圖2 采用R245fa工質(zhì)ORC熱力循環(huán)溫熵圖

冷凝器冷凝溫度應(yīng)該高于系統(tǒng)輸出熱量的溫度，該計(jì)算中設(shè)定一個與蒸發(fā)器相同的夾點(diǎn)溫差，冷凝溫度由系統(tǒng)輸出熱量溫度和夾點(diǎn)溫差決定。冷凝器入口為飽和蒸汽；冷凝器出口為飽和液；系統(tǒng)與外界熱源交換熱量時，換熱器中的夾點(diǎn)溫差為5℃；發(fā)生器出口處工質(zhì)過熱度為3℃；將發(fā)生器中工質(zhì)的蒸發(fā)溫度在冷熱源溫度間平均取400個值后對系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算。

內(nèi)部管理制度的制定和實(shí)施不僅需要一套科學(xué)合理的監(jiān)督制度，而且還需要科學(xué)的評價制度進(jìn)行衡量。在企業(yè)范圍內(nèi)要引導(dǎo)員工認(rèn)識到監(jiān)督評價機(jī)制的存在并不是為了尋找內(nèi)部控制管理的短板，也不僅僅是為了監(jiān)視內(nèi)部控制管理制度是否正常運(yùn)行，而是需要通過及時的獎懲來不斷調(diào)動員工工作積極性。

引射器出口1點(diǎn)處的焓值為：

其中，u為引射器的噴射系數(shù)，即引射流體的質(zhì)量流量與工作流體質(zhì)量流量之比；hb為引射流體焓值；h5為工作流量焓值。

系統(tǒng)輸入熱量Q1為：

其中，qcyc為系統(tǒng)質(zhì)量流量；h4為發(fā)生器入口焓。

系統(tǒng)可利用熱量Q2為：

其中，h2為冷凝器入口焓；h3為冷凝器出口焓。

系統(tǒng)凈輸出功Wnet為：

其中，Wse為膨脹機(jī)輸出功；Wcp為工質(zhì)泵輸入功。

ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率ηorc為：

2.2 CCHP－ORC系統(tǒng)能效評價指標(biāo)

總能量利用率是數(shù)量指標(biāo)，不能表明熱、電2種能量產(chǎn)品在品位上的差別，只能表明高溫?zé)嵩茨芰吭跀?shù)量上的有效利用程度，因此對能量品級進(jìn)行分析，提出了系統(tǒng)的當(dāng)量火用效率。系統(tǒng)的當(dāng)量火用效率ηex為：

其中，Egain為系統(tǒng)獲得的火用值；Epay為系統(tǒng)消耗的火用值；Enet為系統(tǒng)輸出凈功的火用值；E2為系統(tǒng)輸出熱量火用值；E1為系統(tǒng)輸入熱量火用值。

系統(tǒng)當(dāng)量火用效率雖然考慮到CCHP系統(tǒng)能量輸出品級，但不同性質(zhì)能量火用因用途不同導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)地位不同。經(jīng)濟(jì)火用效率考慮到熱量與動力在經(jīng)濟(jì)上的差異，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)火用效率ηec為：

其中，B為同樣單位下熱量（冷）與功量（電量）售價的比值。在不同地區(qū)熱、電價有著不小的差異。本文根據(jù)文獻(xiàn)［9］所給出的熱電價值比，取熱電售價比值B＝0.5。

3 系統(tǒng)仿真與能效指標(biāo)分析

對內(nèi)置熱泵的CCHP－ORC系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能計(jì)算。設(shè)定系統(tǒng)為穩(wěn)定運(yùn)行，高溫?zé)嵩礈囟取h(huán)境溫度和工作溫度恒定。R245fa適合用于低溫ORC循環(huán)［11］，本文中采用R245fa為循環(huán)工質(zhì)，系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算給定條件見表1所列。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行條件

3.1 系統(tǒng)最佳工作參數(shù)的分析

對于一個帶有熱泵的CCHP－ORC來說，系統(tǒng)僅輸出熱量時能量利用率最高。在蒸發(fā)溫度一定時，通過改變引射器噴射系數(shù)可以得到系統(tǒng)能量利用率的提升并使ORC效率降低，適度提高蒸發(fā)溫度可以提高ORC系統(tǒng)效率。在不同蒸發(fā)溫度時系統(tǒng)能量利用率、系統(tǒng)當(dāng)量火用效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)火用效率的變化范圍如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)能效參數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化范圍

圖3中，當(dāng)系統(tǒng)分液率為0時，得到系統(tǒng)能量利用率的下邊界；當(dāng)系統(tǒng)輸出凈功為0時，得到系統(tǒng)能量利用率的上邊界。由圖3可知，對于同一系統(tǒng)，這3種評價指標(biāo)具有一致性。指標(biāo)的上限隨著蒸發(fā)溫度的上升先緩慢上升，79.8℃時達(dá)到最大，之后系統(tǒng)能量利用率變化范圍急劇減少。系統(tǒng)能量利用率和當(dāng)量火用效率的下限隨著蒸發(fā)溫度的升高基本不變，當(dāng)蒸發(fā)溫度超過80℃時急劇下降；經(jīng)濟(jì)火用效率的下限隨著蒸發(fā)溫度的上升而上升，當(dāng)溫度超過80℃后急劇下降。由此可看出，經(jīng)濟(jì)火用效率由于考慮到了動力輸出與能量輸出的經(jīng)濟(jì)地位差異，可以更好地評價一個系統(tǒng)的能量利用狀況。當(dāng)蒸發(fā)溫度為79.8℃時，這3種系統(tǒng)評價指標(biāo)均達(dá)到頂點(diǎn)。由此可得，該CCHP－ORC系統(tǒng)在給定的工作條件下，采用R245fa為工質(zhì)的最佳工作蒸發(fā)溫度為79.8℃。

3.2 內(nèi)置熱泵對CCHP－ORC系統(tǒng)能效影響

在高溫?zé)嵩礈囟取h(huán)境溫度和輸出溫度恒定時，無熱泵的CCHP系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的功熱比為定值。在CCHP系統(tǒng)中，熱泵運(yùn)行時所需要的驅(qū)動力是由CCHP系統(tǒng)部分動力輸出提供的。加入熱泵使得系統(tǒng)的動力輸出下降，熱量輸出上升，使得系統(tǒng)功熱比下降。不同功熱比下的系統(tǒng)能效參數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，在同一蒸發(fā)溫度下，隨著功熱比的下降，系統(tǒng)的ORC效率下降；總能利用率、當(dāng)量火用效率和經(jīng)濟(jì)火用效率均上升。由此可見，熱泵系統(tǒng)的加入在一定程度上使得系統(tǒng)的整體能效上升。

圖4 不同功熱比下系統(tǒng)能效參數(shù)與ORC效率

用表1給定的系統(tǒng)運(yùn)行條件，對無熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)、外置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)和內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，結(jié)果見表2所列。

由表2可看出，熱泵系統(tǒng)的加入可以使系統(tǒng)的能量利用率得到提升。無熱泵的CCHP－ORC系統(tǒng)能量利用率為0.942；帶有熱泵系統(tǒng)的CCHP－ORC的能量利用率可以提升到1以上。因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)在ORC輸出的部分動力驅(qū)動下獲得低溫?zé)嵩吹哪芰?，?nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)的最高能量利用率比外置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)的最高能量利用率高0.05。在各自最佳蒸發(fā)溫度下外置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)和內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)能量利用率隨功熱比的變化情況如圖5所示。

由圖5可以看出，在相同功熱比下，內(nèi)置熱泵系統(tǒng)比外置熱泵系統(tǒng)有更高的系統(tǒng)能量利用率。當(dāng)功熱比為0.043時，2系統(tǒng)的能量利用率最接近，此時內(nèi)置熱泵比外置熱泵能量利用率高0.07。功熱比偏離0.043越大，則內(nèi)置熱泵能量利用率越大于外置熱泵。整體來說采用內(nèi)置熱泵結(jié)構(gòu)的CCHP－ORC系統(tǒng)比外置熱泵結(jié)構(gòu)和無熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)的能量利用率更高。

表2 系統(tǒng)熱力計(jì)算結(jié)果與能效指標(biāo)

4 結(jié)束語

與外置熱泵和無熱泵的CCHP－ORC系統(tǒng)相比，內(nèi)置熱泵結(jié)構(gòu)的CCHP－ORC系統(tǒng)的內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)合并為一。這種結(jié)構(gòu)的CCHP－ORC系統(tǒng)部件較精簡，降低了系統(tǒng)之間的傳熱損失。對系統(tǒng)進(jìn)行熱力循環(huán)分析可知，與系統(tǒng)循環(huán)控制相比，內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)可以靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷量或熱量輸出；熱泵加入使得CCHP系統(tǒng)的能效系數(shù)得到提高，并且在相同功熱比的情況下，內(nèi)置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)比外置熱泵CCHP－ORC系統(tǒng)有更高的能量利用率。

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