空氣源燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)多制熱運(yùn)行模式下余熱回收特性

胡亞飛，馮自平，5，田佳垚，宋文吉

（1 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；5 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，GHP）是一種基于逆卡諾循環(huán)原理而直接使用天然氣的熱泵技術(shù)，可使用單一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷、供暖及生活熱水等多種功能需求。相比于電驅(qū)動(dòng)熱泵（electricdriven heat pump，EHP），GHP 系統(tǒng)不再使用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而是使用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)開式壓縮機(jī)完成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)[1-3]。GHP 系統(tǒng)中存在大量發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，在制冷或制熱模式下均可通過(guò)構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)高效利用，從而具有一次能源利用率高[4]、制熱能力強(qiáng)[5]、運(yùn)行費(fèi)用低[6]及可變?nèi)萘空{(diào)節(jié)[7]等突出優(yōu)勢(shì)。EHP系統(tǒng)冬天會(huì)因環(huán)境溫度的降低而制熱量大幅度衰減，并且機(jī)組頻繁結(jié)霜，極大影響用戶舒適性。而GHP 通過(guò)回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱使得制熱量遠(yuǎn)高于EHP，并且可直接利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為熱源進(jìn)行除霜，可實(shí)現(xiàn)在用戶室內(nèi)正常制熱的情況下同時(shí)完成室外機(jī)換熱器的除霜，極大提高了用戶側(cè)的舒適性。GHP技術(shù)因具有低碳、環(huán)保及節(jié)能等系列顯著優(yōu)勢(shì)而受到了人們廣泛關(guān)注，并將其應(yīng)用在區(qū)域冷暖供應(yīng)、除濕、熱泵干燥和生活熱水等場(chǎng)景[8-10]。

國(guó)際上針對(duì)GHP 技術(shù)進(jìn)行了系列研究，主要包括GHP系統(tǒng)的制冷與制熱性能特性[11-12]、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型[13-14]及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析[15-16]等。然而，眾多研究的GHP 系統(tǒng)多使用活塞壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的容積效率相比渦旋壓縮機(jī)明顯偏低，并且制冷劑也多使用R134a或R407C，較少涉及當(dāng)前國(guó)際主流GHP生產(chǎn)廠家應(yīng)用的環(huán)保制冷劑R410A。GHP 生產(chǎn)廠家主要從產(chǎn)品的角度進(jìn)行工程應(yīng)用開發(fā)，并且為了技術(shù)保密而較少公開使用R410A 制冷劑渦旋壓縮機(jī)的GHP 系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。R407C 制冷劑因?qū)儆诨旌戏枪卜泄べ|(zhì)，系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性低于R410A的系統(tǒng)。R134a制冷劑的熱泵系統(tǒng)制熱下限溫度通常僅為 -10℃，而R410A 系統(tǒng)通?？蛇_(dá) -20℃及以下，使用R134a 的GHP 系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱性能遠(yuǎn)不及R410A 系統(tǒng)。Elgendy 等[2,6,11]雖對(duì)使用R410A 制冷劑的GHP 系統(tǒng)有部分實(shí)驗(yàn)研究，但最低制熱環(huán)境溫度不低于 -4℃，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部分的研究?jī)H將發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)作黑匣子來(lái)處理，其研究中未測(cè)量或計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率（ηeng），對(duì)GHP系統(tǒng)的性能分析中也無(wú)法考慮ηeng的影響，而ηeng是GHP 系統(tǒng)中的重要影響因素。GHP 系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可以通過(guò)制冷劑與循環(huán)水兩種余熱回收載體進(jìn)行回收，兩種余熱回收載體對(duì)余熱的實(shí)際回收效果具有差異，當(dāng)前缺乏相關(guān)的具體直觀對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究?；诖?，為給我國(guó)的供暖領(lǐng)域提供低碳節(jié)能的熱泵技術(shù)，尤其是在北方和長(zhǎng)江流域，并有效緩解夏季空調(diào)巨大電力需求壓力，在自行設(shè)計(jì)的使用R410A制冷劑開式渦旋壓縮機(jī)的GHP實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，針對(duì)額定制熱（環(huán)境溫度7℃）與超低溫制熱（環(huán)境溫度 -15℃）進(jìn)行了GHP 系統(tǒng)的多制熱運(yùn)行模式下的余熱回收特性研究，為GHP 技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)和重要數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

GHP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由進(jìn)氣、動(dòng)力、熱泵系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)和循環(huán)水路等模塊構(gòu)成。進(jìn)氣模塊用于給GHP 系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料天然氣，本實(shí)驗(yàn)使用的是液化天然氣（LNG），LNG經(jīng)氣化器氣化并通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥提供到發(fā)動(dòng)機(jī)；動(dòng)力模塊為給GHP系統(tǒng)中開式壓縮機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，負(fù)責(zé)將天然氣在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒后的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械動(dòng)力輸出；熱泵系統(tǒng)模塊的作用完成GHP 系統(tǒng)制冷劑的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，制冷劑的循環(huán)原理同EHP 系統(tǒng)一樣，主要由開式渦旋壓縮機(jī)、兩器（含蒸發(fā)器與冷凝器）、電子膨脹閥、直流風(fēng)機(jī)、控制器等組成；余熱回收系統(tǒng)模塊用于將發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行回收利用，該熱量可以通過(guò)制冷劑或者水進(jìn)行余熱回收，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、余熱回收器1、余熱回收器2、煙氣廢熱回收器、缸套換熱器和冷卻水泵組成；循環(huán)水路模塊用以將整個(gè)GHP 系統(tǒng)的可利用熱量通過(guò)載冷劑水進(jìn)行輸出，主要由循環(huán)水泵、水流量計(jì)、膨脹水箱等組成。

圖1 燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，本文GHP系統(tǒng)制冷劑可分為兩個(gè)支路（制冷劑支路1與制冷劑支路2），兩個(gè)支路的制冷劑在對(duì)應(yīng)電子膨脹閥開啟時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，支路1為熱泵系統(tǒng)從空氣側(cè)的吸熱量，支路2為系統(tǒng)從余熱回收器2進(jìn)行回收余熱；GHP系統(tǒng)的供暖水也分為兩個(gè)支路（供暖水支路1 與供暖水支路2），其中熱泵系統(tǒng)制冷劑冷凝器側(cè)的熱量全部轉(zhuǎn)移至供暖水支路1，通過(guò)開啟電磁閥SV1可以使用供暖水支路2大量回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱。

通過(guò)使用Pt100 鉑電阻獲取進(jìn)水與出水溫度，其他測(cè)量點(diǎn)的溫度值均通過(guò)使用T 型熱電偶得到，系統(tǒng)的高壓壓力、低壓壓力通過(guò)使用Sensata 壓力傳感器獲取，實(shí)驗(yàn)消耗的天然氣體積流量使用羅茨流量計(jì)讀取。表1列出了GHP系統(tǒng)的主要測(cè)量設(shè)備及相關(guān)不確定度。整個(gè)GHP 系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)（圖2所示的lgp-h）、余熱回收系統(tǒng)冷卻液循環(huán)和熱泵系統(tǒng)水路循環(huán)共3個(gè)流體循環(huán)構(gòu)成，各流體循環(huán)相互影響而構(gòu)建整個(gè)GHP 系統(tǒng)熱量傳遞，3個(gè)流體循環(huán)的具體介紹參見本文作者課題組前期的研究[17]。

表1 測(cè)量設(shè)備及不確定度

圖2 燃?xì)鉄岜美涿窖h(huán)系統(tǒng)壓焓圖

2 數(shù)據(jù)分析

GHP 系統(tǒng)回收的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱最終主要轉(zhuǎn)移到制取的供暖循環(huán)水中，供暖循環(huán)水的制熱量（Q?h）的計(jì)算如式(1)。

式中，cp,w為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；M?w為水的質(zhì)量流量，kg/s；tw,in與tw,out分別為如圖1 中所示的系統(tǒng)的總進(jìn)水和總出水溫度，℃。

供暖循環(huán)水在實(shí)測(cè)中體積流量G?w，將G?w轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量（M?w）如式(2)。

式中，ρw為水的密度，kg/m3；G?w為水的體積流量，m3/h。

基于圖2可計(jì)算得到GHP系統(tǒng)中供暖循環(huán)水從熱泵冷凝器側(cè)得到的熱量，該熱量記為計(jì)算制熱量（Q?h,cal），Q?h,cal如式(3)。

式中，M?ref為制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；h3與h4分別為熱泵冷凝器的進(jìn)口和出口處的單位制冷劑質(zhì)量流量的焓值，kJ/kg。

為表征Q?h與Q?h,cal的偏差，定義兩者間偏差率為Rdevi，如式(4)。

GHP 系統(tǒng)的耗能直接來(lái)自于天然氣，一次能源的功率Pgas如式(5)。

式中，V?gas為天然氣的體積流量，m3/h；LHV為天然氣的低位熱值（本文使用LNG 的LHV=35540kJ/m3）。

GHP 系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)消耗天然氣后，Pgas中有30%～35%的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械軸功Peng，其余的都以熱量釋放（此處記為系統(tǒng)的總余熱量Pres），故Pgas還滿足式(6)。

GHP系統(tǒng)在制熱運(yùn)行使用供暖水支路2與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行熱交換而回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱時(shí)，此時(shí)使用供暖水支路2回收的余熱量為式(7)。

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有效功率Peng如式(8)[17]。

式中，ηeng為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞壓縮機(jī)的扭矩，N·m；Neng為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

GHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率Pcomp如式(9)。

式中，ηt為GHP系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)間的機(jī)械傳動(dòng)效率，本文GHP系統(tǒng)使用多楔帶進(jìn)行連接，ηt取95%[17]。

GHP 系統(tǒng)基于使用一次能源的總能效特征可使用一次能源利用率（primary energy ratio，PER）來(lái)進(jìn)行表征[18]，如式(10)。

此處使用性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）來(lái)表征本文GHP系統(tǒng)熱泵的性能，如式(11)。

GHP系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱可通過(guò)制冷劑與供暖水兩種載體進(jìn)行熱回收，為表征系統(tǒng)冷凝器側(cè)的制冷劑對(duì)供暖水的制熱量的性能影響，定義COPcal為系統(tǒng)制熱量基于Q?h,cal得到的熱泵性能系數(shù)，如式(12)。

聯(lián)立式(8)～式(11)可得PER 和COP 間關(guān)系如式(13)。

可認(rèn)為ηt保持定值95%不變，可見GHP的一次能效PER 受到熱泵性能系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的雙重影響。

聯(lián)立式(8)、式(9)可得Pgas和Pcomp間滿足式(14)。

3 結(jié)果與討論

在自行設(shè)計(jì)的基于使用R410A 制冷劑的高能效空氣源GHP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行了制熱運(yùn)行時(shí)的余熱回收特性研究。為了得到GHP 系統(tǒng)使用制冷劑與供暖水這兩種余熱回收載體的余熱回收效果，針對(duì)GHP 系統(tǒng)在額定制熱（7℃）與超低溫制熱（-15℃）兩種環(huán)境溫度下，進(jìn)行了制熱運(yùn)行的余熱回收特性的研究。GHP 系統(tǒng)的余熱回收特性研究有4 種制熱運(yùn)行模式（mode-1～mode-4）：① mode-1 指不進(jìn)行余熱回收的制熱運(yùn)行模式；② mode-2指僅使用制冷劑為余熱回收載體的制熱運(yùn)行模式；③ mode-3指同時(shí)使用制冷劑與供暖水兩種余熱回收載體的制熱運(yùn)行模式；④ mode-4指僅使用供暖水為余熱回收載體的制熱運(yùn)行模式。表2顯示出了mode-1～mode-4各運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)相關(guān)閥體開關(guān)及使用的吸熱換熱器的情況，將表2與圖1結(jié)合起來(lái)便可以清楚知道4種制熱模式的具體運(yùn)行方式。

表2 不同制熱運(yùn)行模式的換熱器使用及相關(guān)閥體開關(guān)情況

3.1 額定制熱下余熱回收特性

圖3 為熱泵系統(tǒng)在額定制熱環(huán)境溫度為7℃下保持相同進(jìn)水流量12.20m3/h 的不同制熱運(yùn)行模式（mode-1～mode-4）對(duì)GHP 系統(tǒng)制熱性能的影響。在Neng為1700r/min和tw,in為39.2℃下，研究了不同制熱運(yùn)行模式對(duì)Q?h、Pgas、Pcomp、PER、COP 和COPcal的影響規(guī)律。圖4 為對(duì)應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下的Q?h、Q?h,cal、Q?h,rec、Rdevi、Rrec,res、Rrec,h及ηeng在不同制熱運(yùn)行模式下的變化。

圖3 額定制熱下不同制熱運(yùn)行模式對(duì)燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱性能的影響

圖4 額定制熱下不同制熱運(yùn)行模式對(duì)計(jì)算與實(shí)測(cè)制熱量對(duì)比、余熱回收效率及發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的變化

如圖3 所示，隨著制熱模式由mode-1 變化至mode-4，Q?h、PER與COP呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，4種運(yùn)行模式下Pgas與Pcomp的變化幅度小，其中Pgas與Pcomp的最大偏差率分別為5.66%和9.20%。COPcal呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中mode-2 與mode-3 的COPcal數(shù)值明顯大于mode-1 與mode-4。mode-1 變化至mode-4 改變的是發(fā)動(dòng)機(jī)余熱通過(guò)制冷劑與供暖水兩種余熱回收載體的余熱回收比例變化過(guò)程，期間GHP 系統(tǒng)的冷凝器側(cè)制冷劑一直與供暖水進(jìn)行熱交換，余熱部分從不進(jìn)行余熱回收（mode-1），到僅使用制冷劑余熱回收（mode-2），到制冷劑與供暖水同時(shí)余熱回收（mode-3），最后到僅使用供暖水進(jìn)行余熱回收（mode-4）。從mode-1 變化至mode-4，Q?h分別為58.38kW、63.90kW、71.52kW和83.39kW，PER分別為1.127、1.245、1.406和1.552，COP 分別為3.712、4.294、4.861 和5.191。相比于mode-1，mode-2～mode-4 的Q?h分別增加了9.46%、22.51%和42.84%，PER分別增加了10.47%、28.41%和37.73%，COP 分別增加了15.67%、30.95%和39.83%。在制冷劑與供暖水這兩種余熱回收載體中，mode-4相比于mode-2在Q?h與PER上分別增加了30.50%和24.68%?？梢?，將GHP系統(tǒng)的余熱通過(guò)循環(huán)水進(jìn)行回收可以使GHP 系統(tǒng)達(dá)到更優(yōu)的綜合制熱效果，并且以供暖水作為余熱回收載體時(shí)余熱回收效果更顯著。

由圖4可知，隨著mode-1變化至mode-4，Q?h,cal呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，ηeng處于30.46%～31.95%之間微小波動(dòng)。Q?h,cal是GHP系統(tǒng)通過(guò)制冷劑吸收的總熱量，將系統(tǒng)中的制冷劑分一支路（圖1中制冷劑支路2）流經(jīng)余熱回收器2 可以使系統(tǒng)中制冷劑吸收的總熱量得以提高。mode-1～mode-4 對(duì)應(yīng)的Q?h,cal分別為59.11kW、63.81kW、62.47kW和59.23kW，其中全部使用制冷劑進(jìn)行余熱回收的mode-2 相比mode-1 僅提高7.94%，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)Q?h，mode-2 相比mode-1提高9.45%，可見使用制冷劑進(jìn)行余熱回收系統(tǒng)制熱量提升幅度較小。主要原因是使用制冷劑進(jìn)行余熱回收后，系統(tǒng)的低壓得以提高，流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑支路1 從空氣中吸收的熱量明顯減小，制冷劑支路2的余熱回收作用使得系統(tǒng)總制熱量雖有提升，但提升不足10%，提升幅度較小。此外，mode-1 與mode-4 的Q?h,cal相近，說(shuō)明了僅使用供暖水進(jìn)行余熱回收對(duì)熱泵系統(tǒng)制冷劑側(cè)的換熱量影響較小。從圖4中可知，對(duì)于僅使用制冷劑進(jìn)行熱交換的mode-1與mode-2，實(shí)測(cè)制熱量與基于圖2中壓焓圖并使用式(3)的計(jì)算制熱量偏差百分比分別為1.25%與-0.14%，偏差值極小，說(shuō)明了GHP系統(tǒng)制冷劑與冷凝器的換熱量使用式(3)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較高，也說(shuō)明了式(7)中針對(duì)供暖水支路2實(shí)際回收的余熱量Q?h,rec的計(jì)算結(jié)果可靠。在圖4中，mode-3與mode-4均有供暖水支路2參與余熱回收，該部分余熱回收量占余熱量的百分比Rrec,res分別為25.04%和64.15%，供暖水余熱回收量占總制熱量的百分比Rrec,h分別為12.65%和28.97%，在mode-4下回收的余熱量為24.16kW，可見僅使用供暖水進(jìn)行余熱回收的mode-4 為4 種制熱運(yùn)行模式中最優(yōu)的制熱方式，此時(shí)GHP系統(tǒng)的實(shí)際余熱回收效果最佳。

3.2 超低溫制熱下余熱回收特性

圖5 為熱泵系統(tǒng)在超低溫制熱環(huán)境溫度為-15℃下保持相同進(jìn)水流量12.20m3/h的不同帶余熱回收的制熱運(yùn)行模式（mode-2～mode-4）對(duì)GHP系統(tǒng)的制熱性能的影響。在Neng為2400r/min 和tw,in為40.7℃時(shí)，研究了不同制熱運(yùn)行模式對(duì)Q?h、Pgas、Pcomp、PER、COP 和COPcal的影響規(guī)律。在上文得到mode-1 與mode-4 的Q?h,cal相近，可見mode-1 的制熱量可通過(guò)計(jì)算mode-4 的Q?h,cal得到，故本部分的研究未進(jìn)行mode-1 的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，僅測(cè)試實(shí)際進(jìn)行了余熱回收的mode-2～mode-4的實(shí)驗(yàn)研究。圖6為對(duì)應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下的Q?h、Q?h,cal、Q?h,rec、Rdevi、Rrec,res、Rrec,h及ηeng在不同制熱運(yùn)行模式下的變化規(guī)律。

圖5 超低溫制熱下不同制熱運(yùn)行模式對(duì)燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制熱性能的影響

圖6 超低溫制熱下不同制熱運(yùn)行模式對(duì)計(jì)算與實(shí)測(cè)制熱量對(duì)比、余熱回收效率及發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的變化

如圖5 所示，由mode-2 變化至mode-4，Q?h、PER 與COP 呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，COPcal呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，Pgas與Pcomp的變化幅度較小，其中Pgas與Pcomp的最大偏差率分別為3.73%和1.28%。從mode-2變化至mode-4，Q?h分別為51.15kW、59.17kW和63.21kW，PER分別為0.773、0.887和0.983，COP分別為2.712、3.137 和3.394。相比于mode-2，mode-3 與mode-4的Q?h分別增加了15.68%和23.58%，PER 分別增加了14.86%和27.28%，COP 分別增加了15.69%和25.17%?？梢?，相比于僅使用制冷劑作為余熱回收載體，將GHP系統(tǒng)的余熱通過(guò)供暖水支路2進(jìn)行回收可達(dá)到更優(yōu)的綜合制熱效果。

圖6中，mode-2變化至mode-4，Q?h,cal呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，ηeng處于29.77%～30.49%間微小波動(dòng)。mode-2～mode-4 對(duì)應(yīng)的Q?h,cal分別為51.29kW、48.91kW 和40.09kW。以額定制熱下的Q?h,cal變化情況可知，可使用mode-4 的Q?h,cal直接代替未進(jìn)行余熱回收的mode-1的Q?h,cal，即可認(rèn)為此時(shí)超低溫制熱下mode-1的Q?h,cal為40.09kW，則mode-2相比mode-1提高了27.95%，遠(yuǎn)高于額定制熱時(shí)的提升幅度7.94%。由圖6可知，對(duì)于僅使用制冷劑進(jìn)行熱交換的mode-2，實(shí)測(cè)制熱量與使用式(3)的計(jì)算制熱量偏差百分比為0.29%，偏差值極小，也進(jìn)一步說(shuō)明了本文計(jì)算制熱量Q?h,cal計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高。圖6中，mode-3與mode-4 的供暖水支路2 回收的余熱量占余熱量的百分比Rrec,res分別為21.45%和50.63%，供暖水余熱回收量占總制熱量的百分比Rrec,h分別為17.34%和36.58%，進(jìn)一步說(shuō)明了mode-4為3種帶余熱回收模式中最優(yōu)的制熱運(yùn)行方式。其中mode-4 下回收的余熱量為23.12kW。對(duì)比額定制熱與超低溫制熱下的Rrec,res與Rrec,h，可得超低溫制熱下回收的余熱占余熱中的比例相對(duì)較小，而占總制熱量的比例相對(duì)較高。這是因?yàn)槌蜏叵掠酂峄厥障到y(tǒng)向環(huán)境中散失的熱量增加，并且此時(shí)熱泵側(cè)制冷劑從空氣中的吸熱量明顯下降。可見GHP 系統(tǒng)在超低溫時(shí)制熱量提升比例更大，低溫時(shí)GHP 系統(tǒng)具有更大的性能優(yōu)勢(shì)。

4 不確定度分析

本研究中Q?h、Pgas和PER 這3 個(gè)間接測(cè)量參數(shù)可直觀反映系統(tǒng)性能特征，其不確定度可基于直接測(cè)量量由誤差傳播定律獲得。間接測(cè)量量y與直接測(cè)量量x1-xn的表達(dá)式記為式(15)。

則y的不確定度Uy可使用xi的不確定度Uxi來(lái)表示，如式(16)[19-20]。

基于式(1)與式(2)可知Q?h為G?w、tw,in和tw,out的函數(shù)，為簡(jiǎn)化表述，記?tw=tw,out-tw,in，故Q?h滿足如式(17)。

由式(5)可知，Pgas滿足式(18)。

由式(10)、式(17)及式(18)則有式(19)。

綜合以上表達(dá)式可得Q?h、Pgas和PER 三參數(shù)的不確定度計(jì)算式為式(20)～式(22)。

Q?h、Pgas和PER 的相對(duì)不確定度最大值在?tw取最小值時(shí)取得，?tw最小值為3.64℃。基于表1與式(20)～式(22)可得Q?h、Pgas和PER 的最大相對(duì)不確定度分別為3.92%、1.00%與4.04%，最大不確定度不到5%，本文GHP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度高。

5 結(jié)論

本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)并搭建了基于使用R410A制冷劑的高能效GHP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在額定制熱（環(huán)境溫度7℃）與超低溫制熱（環(huán)境溫度-15℃）下，研究了不同制熱運(yùn)行模式（mode-1～mode-4）對(duì)系統(tǒng)制熱性能參數(shù)的影響，研究了空氣源GHP 系統(tǒng)多制熱運(yùn)行模式下的余熱回收特性，得到以下結(jié)論。

（1）相比于不進(jìn)行余熱回收的mode-1，進(jìn)行余熱回收的mode-2～mode-4這3種制熱運(yùn)行模式均可明顯提升GHP 系統(tǒng)的制熱性能，在額定制熱下Q?h分別增加了9.46%、22.51%和42.84%，PER分別增加了10.47%、28.41%和37.73%?？梢妋ode-4提升效果最為顯著，其是4種制熱模式中最優(yōu)的制熱運(yùn)行模式。

（2）對(duì)比mode-2 與mode-4 的實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)，mode-4相比于mode-2在額定制熱與超低溫制熱下PER 分別增加了24.68%和27.28%?？梢娫谥评鋭┡c供暖水這兩種余熱回收載體中，以供暖水作為余熱回收載體時(shí)余熱回收效果更顯著。

（3）在mode-4 下，當(dāng)環(huán)境溫度為7℃和-15℃時(shí)，PER分別為1.552和0.983，余熱回收量分別為24.16kW和23.12kW，Rrec,res分別為64.15%和50.63%，Rrec,h分別為28.97%和36.58%，可見本文GHP 系統(tǒng)的實(shí)際余熱回收效果優(yōu)良。

（4）對(duì)比額定制熱與超低溫制熱下的Rrec,res與Rrec,h，超低溫制熱下回收的余熱量占發(fā)動(dòng)機(jī)余熱中的比例相對(duì)較小，而占總制熱量的比例相對(duì)較高?？梢奊HP 系統(tǒng)在超低溫時(shí)制熱量提升比例更大，低溫時(shí)具有更大的性能優(yōu)勢(shì)。