基于余熱回收的燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)高溫制熱特性

胡亞飛，呂杰，韓濤，宋文吉，馮自平

（1 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 中科廣能能源研究院（重慶）有限公司，重慶 401331）

燃?xì)鉄岜茫╣as engine-driven heat pump，簡稱GHP）是一種基于利用清潔一次能源天然氣的新型高效熱泵技術(shù)，近年來因其擁有低碳節(jié)能等系列優(yōu)勢而受到了人們的廣泛關(guān)注。相比于電驅(qū)動熱泵（EHP），GHP將系統(tǒng)中壓縮機(jī)驅(qū)動動力源由電動馬達(dá)更換為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，從而由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動開啟式壓縮機(jī)進(jìn)行熱泵循環(huán)。因壓縮機(jī)驅(qū)動源的改變而使得系統(tǒng)中存在大量的發(fā)動機(jī)缸套熱和排煙廢熱（統(tǒng)稱為發(fā)動機(jī)余熱），可通過構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，使得系統(tǒng)的一次能源利用率（primary energy ratio，PER）相比EHP得以顯著提高，具有能效高、制熱能力強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低等突出優(yōu)勢。此外，GHP 還可以通過回收發(fā)動機(jī)余熱實(shí)現(xiàn)制熱不停機(jī)化霜，耗電極少而無需電力增容，在夏季增加了低谷天然氣消耗而顯著降低高峰電力負(fù)荷，從而提高了氣網(wǎng)與電網(wǎng)的設(shè)備利用率，并且燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速可在較寬運(yùn)行范圍內(nèi)調(diào)節(jié)而方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)，具有良好的部分負(fù)荷特性。

因燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)具有眾多顯著優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)者將其應(yīng)用在供冷供暖、除濕、熱泵干燥等領(lǐng)域，主要開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析及與其他熱泵技術(shù)或供能方式相結(jié)合的混合技術(shù)等方面的研究。然而，系列研究中大多使用效率較差的活塞式壓縮機(jī)，冷媒使用R22、R407C 或R134a，且較多屬于安裝復(fù)雜的水源熱泵，致使熱泵冷媒側(cè)能效比偏低或制熱溫度下限偏高，從全年溫度范圍內(nèi)的實(shí)際制冷制熱運(yùn)行來看，所研究的GHP 機(jī)組相比最新技術(shù)EHP 機(jī)組而言優(yōu)勢并不明顯。與此同時，針對運(yùn)行溫度范圍寬且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的R410A 冷媒GHP 系統(tǒng)相關(guān)研究較少，使用運(yùn)行效率高的開啟式渦旋壓縮機(jī)空氣源燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的研究也鮮有報道。另外，隨著人們生活水平提高、人口老齡化及不同人體質(zhì)的差異，近年來過渡季節(jié)的高溫制熱特性受到了人們的重點(diǎn)關(guān)注，成為了熱泵供暖技術(shù)中的重要性能考察指標(biāo)?；诖耍瑸榧涌旖o我國現(xiàn)階段“碳達(dá)峰、碳中和”背景下的清潔供暖提供先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，本文創(chuàng)新性地自行設(shè)計(jì)并搭建了基于使用R410A 冷媒開啟式渦旋壓縮機(jī)配合燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的高能效GHP 實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了GHP 系統(tǒng)在高溫制熱環(huán)境下制熱性能的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由七大部分構(gòu)成，即進(jìn)氣模塊、動力模塊、控制器模塊、熱泵系統(tǒng)模塊、余熱回收系統(tǒng)模塊、循環(huán)水路模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。進(jìn)氣模塊由天然氣氣瓶組（本次實(shí)驗(yàn)使用的是壓縮天然氣CNG）與燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器組成；動力模塊為給燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)提供動力源的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)；控制器模塊由壓力、溫度等各種傳感器和控制器本體組成；熱泵系統(tǒng)模塊由開啟式渦旋壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、銅管件等組成；余熱回收系統(tǒng)模塊由冷卻液及相關(guān)管路、發(fā)動機(jī)缸套換熱器和煙氣廢熱回收器等組成；循環(huán)水路模塊主要由循環(huán)水路管路、循環(huán)水流量計(jì)、循環(huán)水泵、膨脹水箱等組成；數(shù)據(jù)采集模塊由拓普瑞數(shù)據(jù)采集儀及上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中動力模塊與熱泵系統(tǒng)模塊間通過多楔帶銜接，由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的皮帶輪通過多楔帶帶動開啟式壓縮機(jī)的皮帶輪進(jìn)行動能傳遞，從而保證渦旋壓縮機(jī)渦旋盤有動力進(jìn)行周期性運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)冷媒壓縮循環(huán)。

圖1 燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)出水溫度使用PT100鉑電阻測量，其余溫度值由NTC熱敏電阻溫度傳感器及T型熱電偶測量獲得，天然氣的流量使用氣體羅茨流量計(jì)獲取。整個燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)由三個流體循環(huán)構(gòu)成，分別為熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)、余熱回收系統(tǒng)冷卻液循環(huán)和熱泵系統(tǒng)水路循環(huán)。下面對三個流體循環(huán)進(jìn)行相關(guān)解釋說明。

1.1 熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)

對于熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)，低溫低壓的氣態(tài)冷媒經(jīng)開啟式渦旋壓縮機(jī)的吸氣口吸入（對應(yīng)圖2 中1點(diǎn)），由壓縮機(jī)的動、靜渦旋盤配合壓縮形成高溫高壓氣態(tài)冷媒從壓縮機(jī)排氣口排出（對應(yīng)圖2 中2點(diǎn)），高溫高壓氣態(tài)冷媒經(jīng)油分離器及四通換向閥后流入（對應(yīng)圖2中3點(diǎn)）冷凝器中冷凝放熱，冷凝后的中溫高壓液態(tài)制冷劑（對應(yīng)圖2中4點(diǎn)）流經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)行節(jié)流降壓降溫，此過程中有一部分冷媒閃發(fā)成氣態(tài)而形成低溫低壓的氣液兩相態(tài)冷媒（對應(yīng)圖2中5點(diǎn)），該低溫低壓氣液兩相態(tài)冷媒流入蒸發(fā)器蒸發(fā)形成低溫低壓氣態(tài)冷媒（對應(yīng)圖2中6 點(diǎn)），隨后低溫低壓氣態(tài)冷媒經(jīng)氣液分離器回流到壓縮機(jī)吸氣口而繼續(xù)壓縮形成高溫高壓氣態(tài)冷媒從壓縮機(jī)排氣口排出，于此循環(huán)往復(fù)而構(gòu)成完整的熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)。熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)通過壓縮機(jī)的能量補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)了熱量從低溫?zé)嵩矗ㄕ舭l(fā)器）向高溫?zé)嵩矗ɡ淠鳎┑霓D(zhuǎn)移，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境空氣溫度的目的。

圖2 燃?xì)鉄岜醚h(huán)系統(tǒng)壓焓圖（lgp-h）

1.2 余熱回收系統(tǒng)冷卻液循環(huán)

對于余熱回收系統(tǒng)冷卻液循環(huán)，天然氣在燃?xì)獍l(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒后有30%～35%的熱量轉(zhuǎn)化為軸功輸出并傳遞給壓縮機(jī)完成熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)，其余65%～70%的主要熱量（散失的熱量比重較?。┮徊糠洲D(zhuǎn)移到發(fā)動機(jī)缸套內(nèi)冷卻液中，另有一部分余熱以高溫?zé)煔夥绞脚欧牛瑹煔鉁囟韧ǔ?50～700℃，整體上發(fā)動機(jī)軸功輸出、缸套換熱器回收余熱及高溫?zé)煔馀艧熡酂岣髡伎傒斎肽芰康娜种蛔笥?。本?shí)驗(yàn)臺加有發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收器，將排煙余熱的絕大部分回收到發(fā)動機(jī)冷卻液中，再通過發(fā)動機(jī)缸套換熱器及煙氣余熱回收器可將絕大部分余熱回收到發(fā)動機(jī)冷卻液中而加以利用，冷卻液溫度一般為70～90℃，能量品質(zhì)高，可根據(jù)需要將發(fā)動機(jī)余熱回收到熱泵系統(tǒng)中或者外接的水系統(tǒng)中而加強(qiáng)熱泵系統(tǒng)的制熱量，還可根據(jù)需要外接換熱器回收余熱而為用戶提供免費(fèi)的生活熱水。

1.3 熱泵系統(tǒng)水路循環(huán)

對于熱泵系統(tǒng)水路循環(huán)，水路循環(huán)水為閉式水系統(tǒng)，循環(huán)水路中的水作為載冷劑，作用為將熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)中的熱量或冷量轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中從而對末端實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)。若用戶需要制冷，則系統(tǒng)制取冷水，制取的冷水由水泵泵至室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行水與空氣的換熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣降溫的目的。若用戶需要供暖，則系統(tǒng)制取熱水，水泵將熱水泵至室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)盤管、暖氣片或地暖等末端，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣舒適溫暖，顯著改善用戶的體感舒適性。

2 數(shù)據(jù)分析

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)供暖循環(huán)水的制熱量計(jì)算見式(1)。

式中，為燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)單位時間的總制熱量，kW；c為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；供暖循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；為供暖循環(huán)水的總出水溫度，℃；為供暖循環(huán)水的總進(jìn)水溫度，℃。

實(shí)際測試時測量的是供暖循環(huán)水的體積流量，故質(zhì)量流量需使用進(jìn)行轉(zhuǎn)化，計(jì)算見式(2)。

式中，為供暖循環(huán)水的密度，kg/m；供暖循環(huán)水的體積流量，m/h。

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)冷媒側(cè)與供暖循環(huán)水之間的換熱量為計(jì)算制熱量，可通過圖2的壓焓圖（lg-）來獲得，計(jì)算見式(3)。

式中，為燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)冷媒側(cè)計(jì)算制熱量，kW；為系統(tǒng)流經(jīng)冷凝器的冷媒循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；為冷凝器入口處的冷媒焓值，kJ/kg；為冷凝器出口處的冷媒焓值，kJ/kg。

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的能量動力源來自于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)在運(yùn)行期間一次能耗計(jì)算見式(4)。

式中，為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的一次能耗功率，也即耗氣功率，kW；為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)消耗的天然氣的體積流量，m/h；LHV 為使用天然氣的低位熱值，本研究使用的天然氣為壓縮天然氣CNG，經(jīng)檢測其低位熱值為33.5MJ/m。

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的一次能耗總熱量（即耗氣功率）有四個去向：①由發(fā)動機(jī)熱效率而轉(zhuǎn)化來的有效功；②發(fā)動機(jī)冷卻液中的缸套余熱功率；③發(fā)動機(jī)排煙尾氣攜帶的余熱功率；④發(fā)動機(jī)雜項(xiàng)損失熱功率。即滿足關(guān)系式(5)。

其中，式(5)中除去即為發(fā)動機(jī)總余熱量，滿足關(guān)系式(6)。

當(dāng)燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)在制熱運(yùn)行期間回收有發(fā)動機(jī)余熱，則從發(fā)動機(jī)總余熱中回收的余熱量為式(7)。

發(fā)動機(jī)的有效功率表達(dá)為式(8)。

式中，為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的輸出扭矩N·m；為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。本研究發(fā)動機(jī)的與均可通過發(fā)動機(jī)ECU監(jiān)控軟件進(jìn)行直接讀取獲得。

發(fā)動機(jī)與壓縮機(jī)間通過多楔帶連接，多楔帶傳動效率為通常為92%～97%，本文取95%，則壓縮機(jī)從發(fā)動機(jī)側(cè)得到的功率滿足關(guān)系式(9)。

因燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)壓縮機(jī)動力源是直接來自于一次能源天然氣，此處引入一次能源利用率PER（primary energy ratio）來表征系統(tǒng)的總能耗性能特征，如式(10)。

為了表征燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)壓縮機(jī)的性能表現(xiàn)，定義COP 為燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的壓縮機(jī)性能系數(shù)，如式(11)。

3 結(jié)果與討論

本文在環(huán)境溫度為24℃下，考察了出水溫度（41～50℃）、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（1200～1800r/min）和進(jìn)水流量（5.8～11.5m/h）對制熱量（）、耗氣功率（）、壓縮機(jī)功率（）、PER及COP的影響。為了對比得到增加了發(fā)動機(jī)余熱回收后系統(tǒng)的性能參數(shù)變化，在為11.5m/h 時，對為1200r/min 與1500r/min 兩狀態(tài)進(jìn)行了發(fā)動機(jī)余熱回收的實(shí)驗(yàn)研究。

為了表征發(fā)動機(jī)的性能特征，對發(fā)動機(jī)在不同下的空載狀態(tài)進(jìn)行耗氣功率測定，用以綜合評估本文燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的性能狀態(tài)?？蛰d狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)不對外輸出有效機(jī)械功，有效熱效率也就為零，此時中一部分能量轉(zhuǎn)化為指示功率用以全部克服發(fā)動機(jī)自身內(nèi)部各運(yùn)動件的機(jī)械摩擦損失，但整體上全部以熱量的形式對外釋放。圖3 為發(fā)動機(jī)在環(huán)境溫度為24℃時不同轉(zhuǎn)速下空載耗氣量及耗氣功率曲線，從圖中可知，隨著從800r/min增加到2400r/min，燃?xì)庀牧繌?.04m/h 增至3.18m/h，對應(yīng)為9.68～29.59kW?？梢婋S著增大，基本呈現(xiàn)線性增加，空載下每800r/min對應(yīng)耗氣功率10kW左右，說明了在發(fā)動機(jī)空載不輸出功的情況下，耗氣功率也較為明顯，該部分能量主要為系統(tǒng)的摩擦消耗、發(fā)動機(jī)缸套熱及煙氣帶走的尾氣余熱，均以發(fā)熱的形式會轉(zhuǎn)移到余熱回收系統(tǒng)中，對于燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)而言可以進(jìn)行回收加以利用，并且在壓縮機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下系統(tǒng)也可以對外輸出大量熱量。

圖3 發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下空載耗氣量及耗氣功率曲線

3.1 出水溫度的影響

圖4 為在環(huán)溫24℃制熱時不同出水溫度對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)性能的影響，考察了在1200r/min下不考慮余熱回收時不同（41～50℃）對、、、PER和COP的影響規(guī)律。

圖4 出水溫度對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱性能的影響

從圖4 可知，隨著升高，和越大，、PER和COP則呈現(xiàn)遞減的趨勢。這是因?yàn)殡S著的升高，系統(tǒng)高壓將逐步升高，而系統(tǒng)控制低壓基本維持不變，此時熱泵系統(tǒng)的壓比不斷增加，壓縮機(jī)的容積效率及等熵效率下降，致使壓縮機(jī)單位容積冷媒循環(huán)流量減小和單位容積耗功增加，而冷媒循環(huán)流量減小造成減小，單位容積耗功增加則增大。增大后將使得發(fā)動機(jī)需輸出更大的功率，對應(yīng)發(fā)動機(jī)需要消耗更多的天然氣，因而也逐步增加。由式(10)與式(11)可知，PER 與COP分別為對應(yīng)和的比值，而隨著的升高而減小，與則隨著的升高而增加，從而PER與COP均隨著的升高而減小。

從圖4 可知，從41℃升至50℃時，減小的幅度為3.12%，和分別增加了11.57%和19.51%， PER 和COP 分別減少了13.17% 和18.92%，PER下降的幅度明顯小于COP。這是因?yàn)殡S著增加，熱泵壓縮機(jī)能效下降顯著，而發(fā)動機(jī)在更高的時可輸出更大的有效功率，此時系統(tǒng)壓縮機(jī)能效雖有下降，但發(fā)動機(jī)熱效率卻不降反升，從而致使燃?xì)鉄岜谜麢C(jī)系統(tǒng)的性能系數(shù)PER下降幅度明顯小于熱泵側(cè)壓縮機(jī)性能系統(tǒng)COP。PER反映的是系統(tǒng)相對于一次能源的能效，COP反映的是系統(tǒng)相對于壓縮機(jī)實(shí)際使用機(jī)械能的能效，說明了在制熱期間隨著的升高，反映燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)能效特征的PER 下降的幅度要明顯低于電動壓縮機(jī)熱泵?？梢姡诔鏊疁囟壬邥r，燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)具有更好的節(jié)能優(yōu)勢，這也是燃?xì)鉄岜孟鄬τ陔娍諝庠礋岜玫囊淮箫@著優(yōu)勢。

圖5 為圖4 運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)測制熱量（）與計(jì)算制熱量（）隨的變化規(guī)律及相對于的偏差百分比（），其中是基于圖2 所示的逆卡諾循環(huán)的原理計(jì)算所得。由圖5可知，與變化趨勢一致，均隨著的增加而減小，兩者之間的偏差值小于3%，偏差值較小?？梢?，本研究的燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)測試條件并使用式(3)得到的具有較高的準(zhǔn)確度，該計(jì)算方式可以準(zhǔn)確地反映出本文燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)冷媒側(cè)實(shí)際換熱效果。

圖5 不同出水溫度下計(jì)算與實(shí)測制熱量對比圖

3.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的動力源是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，的變化沿皮帶進(jìn)行傳遞同步引起開啟式渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，即熱泵側(cè)的核心部件壓縮機(jī)的變化是由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)變化主動引起的。因調(diào)速范圍寬，相應(yīng)可在較寬范圍內(nèi)變化，從而燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)具有較好的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)特征，可通過研究對系統(tǒng)性能的影響得到燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)特性。圖6 與圖7 為在環(huán)溫24℃制熱時不同對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)性能的影響。圖6 考察了在不考慮余熱回收時不同（1200r/min，1500r/min，1800r/min）對、、的影響規(guī)律，圖7則為對PER 及COP 的影響。圖8 為對應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下與隨的變化規(guī)律及相對于的偏差百分比。圖6、圖7和圖8中圖例各性能參數(shù)后括號中數(shù)字代表，如(1200)表示在為1200r/min時的制熱量。

圖6 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱各能量性能的影響

圖7 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱能效的影響

圖8 不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下計(jì)算與實(shí)測制熱量對比圖

從圖6 可知，隨著升高，、與呈現(xiàn)遞增的變化趨勢。這是因?yàn)殡S著的升高而增大，相應(yīng)系統(tǒng)冷媒循環(huán)量增大，從而使得增大。另外，隨著的升高系統(tǒng)高壓逐步增大，而低壓有一定程度下降，從而壓縮機(jī)壓比增大，壓縮機(jī)的耗功相應(yīng)增加，即逐步增加，進(jìn)而導(dǎo)致提供動力源的也對應(yīng)增大。以圖6 中的50℃出水為例，以下進(jìn)行說明從1200r/min 升至1800r/min 期間、和的變化幅度情況。當(dāng)從1200r/min 升到1500r/min 與1800r/min 時，分別增加了15.11kW 和29.69kW，增加幅度分別為25.98%和51.03%；對而言，分別增加了9.95kW 和19.71kW，增加幅度分別22.20% 和43.98%；對而言，分別增加了3.41kW 和6.71kW，對應(yīng)增加了28.17%和55.37%?？梢姷淖兓瘜?、和三者的影響均較為顯著，其中對與的影響幅度相對更大，增加幅度相對較小，這是因?yàn)樵黾臃冗€受到發(fā)動機(jī)有效熱效率的影響，而在輸出更高負(fù)荷時通常更高，在此處三種下滿足更高時具有更大的，因而增加幅度相比與較小。

從圖7可知，對系統(tǒng)COP的影響幅度較小，但從眾多出水溫度對應(yīng)的COP數(shù)值影響整體來看，越高，COP會略低。這是因?yàn)樵礁?，在增加幅度上通常要大于所致。而對PER 而言，1500r/min和1800r/min兩轉(zhuǎn)速相比1200r/min具有更高的PER，這是因?yàn)镻ER 是熱泵側(cè)壓縮機(jī)軸效率與發(fā)動機(jī)有效熱效率兩者耦合導(dǎo)致的結(jié)果，在本文制熱工況下，在1500r/min 和1800r/min時相對更高，從而導(dǎo)致隨著的變化PER出現(xiàn)與COP 變化趨勢相反的結(jié)果，而在1500r/min 與1800r/min 兩轉(zhuǎn)速時PER 數(shù)值接近，可見此時兩種下的與兩者的耦合綜合效率接近，也說明了1500r/min 與1800r/min 是發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

圖8 列出了變化時與的變化規(guī)律及相對于的偏差百分比。從圖8 可知，與變化趨勢一致且同外界條件下數(shù)值接近，兩者之間的偏差值最大滿足不超過3%，偏差值較小，也進(jìn)一步說明本文采用的制熱量計(jì)算方式所得數(shù)值準(zhǔn)確可靠。

3.3 進(jìn)水流量的影響

圖9 與圖10 為在環(huán)境溫度24℃制熱時不同進(jìn)水流量（）對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)性能的影響。圖9考察了在1200r/min 下不考慮余熱回收時不同（5.8m/h，8.8m/h，11.5m/h）對、、的影響規(guī)律；圖10 則為對PER 及COP 的影響。圖11為對應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下的與隨的變化規(guī)律及相對于的偏差百分比。圖9、圖10 和圖11 中圖例各性能參數(shù)后括號中的數(shù)字代表進(jìn)水流量，如(8.8)表示在進(jìn)水流量為8.8m/h 下的實(shí)測制熱量。

圖9 進(jìn)水流量對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱各能量性能的影響

圖10 進(jìn)水流量對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱能效的影響

圖11 不同進(jìn)水流量下計(jì)算與實(shí)測制熱量對比圖

從圖9 可知，在相同下，隨著的升高，整體呈現(xiàn)微弱減小的趨勢，但在8.8m/h 與11.5m/h兩流量時則十分接近。這是因?yàn)樵诒ＷC相同的條件下，隨著升高，系統(tǒng)進(jìn)出水溫差Δ（Δ=-）逐步減小，即進(jìn)水溫度逐步增大，而直接影響板式換熱器冷媒側(cè)冷凝后的過冷度，越大將導(dǎo)致冷凝過冷度越小，從而導(dǎo)致單位質(zhì)量流量制冷劑的焓差值Δ（圖2中Δ=-）減小，也即單位換熱量減小。系統(tǒng)高壓在相同下基本無差別，并且的變化對系統(tǒng)高、低壓幾乎無影響，即冷媒質(zhì)量流量相近，而隨著的增大冷凝器側(cè)單位質(zhì)量流量制冷劑Δ減小，故在一定的范圍內(nèi)增大呈現(xiàn)遞減的趨勢。然而，增大將引起換熱器側(cè)換熱系數(shù)的增大，進(jìn)而引起增大，這與前文所述因增大使得換熱器冷凝過冷度減小所引起換熱量減小的變化趨勢相反，故的大小是兩種相反影響作用綜合影響的結(jié)果。在低流量5.8m/h 時，冷凝過冷度引起增大的幅度大于換熱系數(shù)減小引起減小的幅度，綜合導(dǎo)致此時的更大，而在8.8m/h 與11.5m/h 兩流量時，引起向不同趨勢變化的兩種作用影響幅度相當(dāng)，故在不同狀態(tài)下時兩者的大小關(guān)系略有變化，且未有嚴(yán)格一致的大小關(guān)系。由圖9可知，隨著的增加，呈現(xiàn)微量遞增的趨勢，則幾乎無變化?？梢妼Φ挠绊懽饔眯?，而微量遞增是由于在更小時發(fā)動機(jī)具有相對更高的所致。

從圖10 可知，隨著的增大，PER 在整體趨勢表現(xiàn)為越小。這是因?yàn)樵趫D9中已有越大時整體趨勢上越小，并且越大，從而作為與比值的PER 越小。另外，由圖10 可知，系統(tǒng)COP在為5.8m/h時要大于8.8m/h與11.5m/h兩狀態(tài)，但8.8m/h 與11.5m/h 兩流量下的COP 較為接近。這是因?yàn)槿N流量下較為接近，但在5.8m/h時更大，從而此時的COP 更大，而8.8m/h 與11.5m/h 兩流量的較為接近，差異也較小，故兩者的COP也相近。

圖11 列出了變化時與的變化規(guī)律及相對于的偏差百分比。從圖11可知，此時與變化趨勢一致，并且三種流量下的與共計(jì)6個值十分接近，整體上對的影響作用微弱。另外與兩者之間的偏差值最大不超過3%，偏差值較小，更進(jìn)一步說明了本文采用的制熱量計(jì)算方式所得數(shù)值準(zhǔn)確可靠。

3.4 余熱回收的影響

圖12 與圖13 為在環(huán)溫24℃制熱時回收與不回收發(fā)動機(jī)余熱對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)性能的影響。圖12考察了在1200r/min 與1500r/min 兩轉(zhuǎn)速下考慮回收與不回收發(fā)動機(jī)余熱對、和的影響規(guī)律，圖13則為對PER及COP的影響。圖14為對應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下的與在回收與不回收余熱時的變化規(guī)律。圖15 為考慮余熱回收后余熱回收量的數(shù)值及余熱占比圖。圖12～圖15中圖例各參數(shù)后括號中的數(shù)字均代表發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖12 余熱回收對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱各能量性能的影響

圖13 余熱回收對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱能效的影響

圖14 回收與不回收余熱時計(jì)算與實(shí)測制熱量對比圖

圖15 回收余熱下余熱回收量及余熱占比圖

從圖12 可知，在相同和下，回收發(fā)動機(jī)余熱后對與幾乎無影響，但對有顯著增大的影響。這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的熱效率為30%～35%，余下65%～70%能量以余熱的形式釋放，本文的燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)加有發(fā)動機(jī)余熱回收模塊，可將大量余熱回收到熱量載體循環(huán)水供暖使用，從而將顯著提升，而冷媒側(cè)與循環(huán)水的換熱相對獨(dú)立，余熱回收幾乎不影響到冷媒側(cè)的熱量交換，從而使得在回收發(fā)動機(jī)余熱后與幾乎沒有變化。以41℃出水為例，在1200r/min時回收與不回收發(fā)動機(jī)余熱的數(shù)量分別為78.76kW 和60.04kW，在1500r/min 時則分別為92.94kW 和76.89kW，兩種下回收余熱后增加的數(shù)量分別為18.72kW和16.05kW，增加的幅度分別為31.18%和20.87%，幅度增長顯著。從圖12 中可知，在1200r/min時回收余熱的(1200)與在1500r/min時不回收余熱的(1500)相當(dāng)，而由圖3可知與耗氣功率密切相關(guān)，這使得回收余熱狀態(tài)下消耗更小的能量便可制得相同的熱量。

從圖13 可知，相比于不回收發(fā)動機(jī)余熱，回收后的PER 與COP 會得以顯著提升。這是因?yàn)榛厥沼酂岷蟮娘@著增大，但與幾乎無差別，從而PER與COP得以顯著提升。以41℃出水為例，在1200r/min 不回收發(fā)動機(jī)余熱時的PER 和COP 分別為1.49 和5.99，回收余熱后的PER 和COP 分別為1.96 和8.15，增加的幅度分別為31.54% 和36.06%。同理在1500r/min 不回收余熱時的PER 和COP分別為1.58和5.68，回收余熱后的PER和COP則分別為1.99 和7.75，增加的幅度分別為25.95%和36.44%。從壓縮機(jī)的能效比COP 來看，GHP 回收余熱后相比于EHP 能效比提升了36.44%，可見增加余熱回收后，燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢明顯，這也是燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)相對于電動熱泵最大的節(jié)能優(yōu)勢。

圖14 列出了回收與不回收發(fā)動機(jī)余熱時與的變化規(guī)律。由前文可知，通過冷媒側(cè)計(jì)算的換熱量與基于水側(cè)實(shí)測的換熱量偏差值不超過3%，準(zhǔn)確度高，從而回收余熱時的可以較為準(zhǔn)確的反映燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)冷媒側(cè)釋放給循環(huán)水的熱量，則實(shí)測包含了余熱回收的熱量，兩者的差值（=－）可以真實(shí)地反映系統(tǒng)實(shí)際回收的發(fā)動機(jī)余熱量。由圖14 可知，回收余熱時的與不回收時的和相近，說明了回收的余熱對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)自身冷媒側(cè)與循環(huán)水的熱交換基本無影響。

圖15 列出了在1200r/min 與1500r/min 兩轉(zhuǎn)速下回收余熱時的余熱回收量及在系統(tǒng)總制熱量和發(fā)動機(jī)總余熱量中的占比（與）情況。從圖15 可知，在處于41～50℃區(qū)間，=1200r/min 下的為16.94～19.33kW，與分別為22.43%～24.54%和51.28%～63.39%。相應(yīng)=1500r/min下的在15.97～18.27kW間，與分別為17.48%～19.80%和44.16%～50.88%。如圖15 中，在不大于47℃下，=1200r/min 比=1500r/min 時的相對更大。這是因?yàn)殡m然=1200r/min 時的發(fā)動機(jī)總余熱量相對較小，但此時余熱回收比例相對更大，故為1200r/min下可比為1500r/min時更大。

4 誤差分析

本文燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)高溫制熱性能研究中可最直觀反映系統(tǒng)的性能特征的參數(shù)量有、和PER，此三參數(shù)量均為間接測量量，其不確定性由相關(guān)直接測量量通過誤差傳播定律獲得。若=（,, …, p），其中～p為直接測量量，則間接測量量的誤差計(jì)算如式(12)。

由式(1)與式(2)可知，為和Δ的函數(shù)（Δ=－），故滿足式(13)。

由式(4)可知，為的函數(shù)，故滿足式(14)。

由式(10)可知，PER 由與兩參數(shù)決定，再結(jié)合式(13)和式(14)，則滿足式(15)。

、和PER 三參數(shù)的誤差計(jì)算如式(16)～式(18)。

上述式中，e為循環(huán)供暖水流量計(jì)的測量誤差，選用的流量計(jì)誤差為±0.5%，即e=0.5%；為循環(huán)供暖水的出水與進(jìn)水溫度差值的誤差，因兩溫度傳感器為同種規(guī)格PT100 鉑電阻，精度為±0.1℃，本文實(shí)測出口與進(jìn)口的最小溫差為4.35℃左右，則由誤差傳遞理論可知最大的=(0.1× 2)/4.35=4.60%；e為燃?xì)饬髁坑?jì)的測量誤差，本研究選用的燃?xì)饬髁坑?jì)誤差為±1.0%，即e=1%。將e、和e的數(shù)值分別代入到式(16)～式(18)，則、和PER 三參數(shù)的誤差分別為3.29%、1.00%和3.44%，誤差均小于5%，可見，本文GHP 關(guān)鍵性能參數(shù)值準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)可靠。三關(guān)鍵性能參數(shù)中誤差最大量是Δ，也即PT100 鉑電阻溫度傳感器的測量準(zhǔn)確度是整個誤差分析中的最大決定因素，實(shí)驗(yàn)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注，盡可能每次開機(jī)前都進(jìn)行精度校準(zhǔn)，提高測試數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)論

本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)并搭建了基于使用R410A 冷媒開啟式渦旋壓縮機(jī)配合燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的高能效GHP 實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了帶有余熱回收模塊的燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)在高溫制熱下的機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)研究，在環(huán)境溫度為24℃下，考察了（41～50℃）、（1200～1800r/min）、（5.8～11.5m/h）及是否余熱回收對、、、PER及COP的影響，并對關(guān)鍵性能參數(shù)、和PER 進(jìn)行了誤差分析，得到了以下結(jié)論。

（1）隨著增大，和增加，、PER和COP 逐漸減小，但PER 下降的幅度明顯小于COP。PER 反映的是系統(tǒng)相對于一次能源的能效，COP反映的是壓縮機(jī)實(shí)際使用機(jī)械能的能效，也即隨著的升高，燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)能效衰減幅度明顯小于電動熱泵，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

（2）隨著增加，、與均顯著增大，其中因受到的影響而使得其增加幅度相對更小。在整體上，越高則COP 越低，但影響幅度較小。PER在變化時受到與雙重作用耦合綜合影響，使得PER(1500)與PER(1800)比PER(1200)更高，且PER(1500)與PER(1800)十分接近。

（3）隨著升高，微量增加，幾乎無影響，而、PER 與COP 整體呈現(xiàn)小幅度下降的趨勢，整體上系統(tǒng)性能受的變化不敏感。其中，增加時，系統(tǒng)冷凝過冷度引起的增大與換熱器換熱系數(shù)減小引起的減小兩種作用綜合影響著的變化。

（4）系統(tǒng)考慮余熱回收后，、PER與COP均顯著增加，與幾乎無變化。系統(tǒng)回收余熱量占總制熱量和發(fā)動機(jī)總余熱量的比例分別為17.48%～24.54% 和44.16%～63.39%。其中在=1200r/min 下考察余熱回收后保持41℃出水溫度時系統(tǒng)PER 高達(dá)1.96，相比非余熱回收時增加31.54%，能效增加顯著。

（5）反映燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)三大關(guān)鍵性能參數(shù)、和PER 的誤差分別為3.29%、1.0%和3.44%，可見本文測試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。其中影響誤差最大量是Δ，即PT100 鉑電阻溫度傳感器的測量準(zhǔn)確度是影響測試結(jié)果的最大決定因素，研究時需要重點(diǎn)關(guān)注。

c—— 水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

COP—— 壓縮機(jī)性能系數(shù)，kW/kW

—— 供暖循環(huán)水的進(jìn)水體積流量，m/h

—— 冷凝器入口處的冷媒焓值，kJ/kg

—— 冷凝器出口處的冷媒焓值，kJ/kg

LHV—— 天然氣的低位熱值，MJ/m

—— 系統(tǒng)流經(jīng)冷凝器的冷媒循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s

—— 供暖循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s

—— 壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min

—— 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min

—— 壓縮機(jī)功率，kW

—— 發(fā)動機(jī)冷卻液中的缸套余熱功率，kW

—— 發(fā)動機(jī)的有效功率，kW

—— 發(fā)動機(jī)排煙尾氣攜帶的余熱功率，kW

—— 耗氣功率，kW

—— 發(fā)動機(jī)雜項(xiàng)損失熱功率，kW

—— 發(fā)動機(jī)總余熱量，kW

PER—— 一次能源利用率，kW/kW

—— 熱泵制熱量，kW

—— 燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)基于壓焓圖的冷媒側(cè)計(jì)算制熱量，kW

—— 系統(tǒng)不回收余熱時的制熱量，kW

—— 系統(tǒng)回收余熱時的制熱量，kW

—— 系統(tǒng)回收余熱時的冷媒側(cè)計(jì)算制熱量，kW

—— 系統(tǒng)實(shí)際回收的發(fā)動機(jī)余熱量，kW

—— 系統(tǒng)計(jì)算制熱量相對于實(shí)測制熱量的偏差，%

—— 實(shí)際余熱回收量占總制熱量的比，%

—— 實(shí)際余熱回收量占總發(fā)動機(jī)余熱量的比，%

—— 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的輸出扭矩，N·m

，—— 分別為供暖循環(huán)水的總進(jìn)水溫度、總出水溫度，℃

—— 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)消耗的天然氣的體積流量，m/h

Δ—— 冷凝器入口處與出口處的冷媒焓值差，kJ/kg

Δ—— 供暖循環(huán)水的總出水與總進(jìn)水的溫度差，℃

—— 供暖循環(huán)水的密度，kg/m

—— 壓縮機(jī)軸效率，%

—— 發(fā)動機(jī)有效熱效率，%

—— 發(fā)動機(jī)與壓縮機(jī)間的傳動效率，%

下角標(biāo)

cal—— 計(jì)算值

comp—— 壓縮機(jī)

cyl—— 缸套

devi—— 偏差

eng—— 發(fā)動機(jī)

exh—— 排煙廢氣

gas—— 天然氣

h—— 制熱

in—— 入口

loss—— 損失

nrec—— 非余熱回收

out—— 出口

rec—— 余熱回收

ref—— 冷媒

res—— 余熱

t—— 傳動

tq—— 扭矩

w—— 水