供暖季节燃气机热泵传动比的选择

摘 要

摘要：介绍了燃气机热泵的原理及一次能源利用率，分析了单级传动比和多级传动比的确定。以一次能源利用率作为评价标准，针对沈阳、北京、武汉和上海4个城市的不同气候条件，计算和
摘要：介绍了燃气机热泵的原理及一次能源利用率，分析了单级传动比和多级传动比的确定。以一次能源利用率作为评价标准，针对沈阳、北京、武汉和上海4个城市的不同气候条件，计算和分析了燃气机热泵采用不同单级传动比运行时的一次能源利用率。在此基础上设置了多级传动比，对比分析了采用多级传动比和单级传动比的燃气机热泵的供暖季节一次能源利用率。采用多级传动比的燃气机热泵弥补了采用单级传动比的燃气机热泵的不足，拓宽了燃气机热泵的适用地区。
关键词：燃气机热泵；单级传动比；多级传动比；供暖季节一次能源利用率
Selection of Drive Ratio of Gas Engine Driven Heat Pump in Heating Season
FANG Zheng，ZHANG Xiaosong，LIU Jianwei
Abstract：The working principle and primary energy ratio(PER)of gas engine driven heat pump are introduced.and the determination of single-stage drive ratio and multi-stage drive ratio are analyzed.Using PER as evaluation criteria，the PERs of gas engine driven heat pump operated with different single-stage drive ratios are calculated and analyzed under different climate conditions of Shenyang，Beijing，Wuhan and Shanghai.Under this，the multi-stage drive ratio is established，and the PERs of gas engine driven heat pump operated with multi-stage drive ratio and single-stage drive ratio in heating season are compared and analyzed.The deficiency of gas engine driven heat pump operated with single-stage drive ratio is remedied by gas engine driven heat pump operated with multi-stage drive ratio，which widens the application area of gas engine driven heat pump.
Key words：gas engine driven heat pump；single-stage drive ratio；multi-stage drive ratio；primary energy ratio in heating season
1 燃气机热泵的原理及一次能源利用率
燃气机热泵(原理见图1)在一次能源利用率方面具有明显的优势[1]，我国对燃气机热泵的研究很多[2～10]。通常采用一次能源利用率(缩写为PER，量符号为，IPER)[11]对燃气机热泵的经济性能进行评价，PER的定义式为：
 
式中IPER,c——制冷运行时的一次能源利用率
    Φ0——制冷量，kW
    Φe——回收的余热量，kW
    Φg——燃气机耗热量，kW
    IEER——制冷运行时热泵的性能系数
    ηe——燃气机的热效率
    ηi——燃气机与压缩机的传动效率
δ——燃气机的余热回收系数
 
式中IPER,h——供热运行时的一次能源利用率
    Φc——制热量，kW
    ICOP——供热运行时热泵的性能系数

由式(1)、(2)可知，燃气机热泵的一次能源利用率与热泵的性能系数、燃气机的热效率及余热回收系数有关，各因素对PER的影响程度不同。IPER,c、IPER,h分别对ηe、IEER或ICOP求偏导，得：
 
根据热泵机组和燃气机的运行特性可知：燃气机与压缩机的传动效率ηi≈1，一般ηe＜0.4，则1＞1-ηe＞ηe。由于δ＜1，一般IEER、ICOP＞2，因此IEER-δ＞1，ICOP-δ＞1。因此有：
 
    由式(5)可知，按对燃气机热泵一次能源利用率的影响大小排列，依次是ηe、δ和IEER或ICOP。因此要想提高PER，应优先提高燃气机的热效率。
    由于燃气机和压缩机之间以等功率传递，传动比不同时，燃气机与压缩机的匹配运行状态也不同。传动比决定了燃气机的运行状态，合适的传动比可使燃气机高效运行，使燃气机热泵有较好的经济性。
2 单级传动比和多级传动比
2.1 单级传动比
    通常燃气机热泵的最大负荷工况是单级传动比确定的主要依据。在设计燃气机与压缩机的匹配时，满足压缩机最大负荷状态的传动比值就是使燃气机具有最好经济性的最小传动比值。当传动比大于该值时，燃气机经济性变差；当传动比小于该值时，则不能满足热泵机组最大负荷时的功率需求。
    燃气机热泵供热的系统特性见图2，显示了燃气机在不同转速时，热泵能提供的供热量与建筑物在不同环境温度下所需热负荷之间的关系。假设在满足建筑物最大热负荷(即压缩机最大负荷，P1点)条件下确定传动比，此时燃气机具有最好的经济性，即燃气机工作在经济转速区间内，热泵的其他工作状态点(P2，P3等点)也都唯一确定。而实际E燃气机热泵大部分时间都处于部分负荷运行状态，最大负荷运行时间不超过总运行时间的10%。因此当机组处于部分负荷运行状态时，以最大负荷工况确定的传动比将使燃气机低效率运行，燃料消耗量大，全年运行经济性差。因此单级传动比是以牺牲燃气机的经济性为代价来满足压缩机的动力性要求，且当建筑物热负荷变化范围较大时，燃气机在低速、低负荷状态下工作时，可能会出现燃气机效率过低的问题。因此，这种方案并不理想。
 

2.2 多级传动比
    分析可知，单级传动比的燃气机热泵在建筑物热负荷变化较大的地区使用是不经济的，为解决这一问题，可以采用多级传动比。采用多级传动比自动变速器取代离合器连接燃气机与压缩机，可根据负荷需求实时改变传动比，从而大大改善燃气机的运行特性，充分利用燃气机的高效运行工况区，改善燃气机热泵的部分负荷运行性能。即P1点不唯一，其他状态点也随着传动比改变，但P1点所对应的燃气机转速都应处于经济转速区间内，热效率较高。
    多级传动比自动变速器中传动比的确定应遵循以下原则：
   ① 从改善压缩机容量调节范围角度考虑，应至少包含两个传动比：在燃气机运行转速范围内，使压缩机分别达到转速上限、下限的传动比i1、i2。i1、i2可分别实现压缩机的最大和最小容量调节。
   ② 应有1个较小传动比，适于常见部分负荷运行，以充分利用燃气机的高效低耗运行工况，提高机组全年运行性能。
   ③ 各传动比之间不宜差别太大，以保证系统平稳运行。
   ④ 传动比不宜设置过大，避免增加变速器的结构复杂性。
   采用多级传动比后，在每个热负荷阶段，选择能够满足压缩机功率要求的最小传动比，作为该热负荷阶段的传动比，保证燃气机的高效运行。
3 计算实例
   燃气机热泵的优势在于回收了大量的燃气机余热，使燃气机热泵在供暖季节具有供热量大、一次能源利用率高等优点，因此本文着重计算分析燃气机热泵在供暖季节采用不同单级传动比与多级传动比时的性能。
3.1 计算参数的设置
    为体现燃气机热泵在不同地区使用的优势，笔者对燃气机热泵在4个城市(沈阳、北京、武汉、上海)的使用性能进行了计算分析，这4个城市分别代表东北、华北、华中和江南地区。4个城市在供暖季节等于或低于室外某一温度的平均延续时间[12～13]见表1。
表1 各城市供暖季节等于或低于室外某一温度的平均延续时间 h
温度/℃
8
5
4
3
2
1
沈阳
—
3648
—
3229
—
—
北京
—
3096
—
2599
—
—
武汉
1167
 
036
 
—
—
上海
—
269
235
197
188
185
温度/℃
0
-1
-2
-3
-4
-5
沈阳
2726
—
2431
—
2130
—
北京
1989
—
1469
—
934
—
武汉
400
—
—
—
86
—
上海
142
102
63
30
17
6
温度/℃
-6
-7
-8
-10
-12
-14
沈阳
1815
—
1469
1123
794
528
北京
474
—
188
106
—
—
武汉
—
—
11
—
—
—
上海
11
9
—
—
—
—
温度/℃
-16
-18
-20
—
—
—
沈阳
310
148
106
—
—
—
北京
—
—
—
—
—
—
武汉
—
—
—
—
—
—
上海
—
—
—
—
—
—
建筑物为某高档别墅，建筑面积为800m2，已知室内、外计算温度θin、θout和采暖设计热负荷Φd，则室外温度为θ0时建筑物的热负荷计算公式为：
 
式中Φ1——建筑物的热负荷，kW
    Φd——采暖设计热负荷，kW
    θin——室内计算温度，℃
    θ0——室外温度，℃
    θout——室外计算温度，℃
    各城市的采暖热指标推荐值[14](武汉和上海市的采暖热指标值为经验估算值)及采暖室内外计算温度见表2。取热泵的冷凝温度为50℃，蒸发温度比室外温度低2℃，燃气机余热回收系数δ为0.6，热泵形式为空气源热泵。
表2 各城市的采暖热指标推荐值及采暖室内外计算温度
城市
采暖热指标推荐值/(W·m-2)
采暖室内计算温度/℃
采暖室外计算温度/℃
沈阳
65
18
-19
北京
55
18
-9
武汉
50
18
-2
上海
50
18
-2
3.2 燃气机及压缩机的性能参数
    选用的燃气机及压缩机的性能参数分别见表3、4，该燃气机的实验负荷特性曲线见图3、4[15]，表3中燃气的低热值为35.17MJ/m3。
表3 TJ376Q燃气机的主要性能参数
项目
性能参数
型号
TJ376Q
型式
3缸，直列水冷，四冲程，顶置凸轮轴，带平衡轴
总排量/L
0.993
缸径/mm
76
冲程/mm
73
最大功率(转速为5600r/min)/kW
37.5
最低燃气消耗率/(g·kW-1·h-1)
≤301
最大扭矩(转速为3200～3600r/min)/(N·m)
74.0
压缩比
9.5
怠速/(r·min-1)
900±50
表4 4PFCY压缩机的主要性能参数
项目
性能参数
型号
4PFCY
气缸数
4
气缸容积/L
0.558
1400r/min时的排气量/(m3·h-1)
48.7
3000r/min时的排气量/(m3·h-1)
100.8
转速/(r·min-1)
500～3500
制冷剂
R134a

根据图3拟合出该燃气机燃气消耗量(q)与燃气机转速(n)、输出功率(Pe)的关系式：
    q=a0+a1n+a2Pe+a3n2+a4Pe2+a5nPe+a6nPe2+a7n2Pe+a8n3+a9Pe3    (7)
式中q——燃气机的燃气消耗量，m3/h
    n——燃气机的转速，r/min
    Pe——燃气机的输出功率，kW
    式(7)中各项系数见表5。
表5 式(7)中各项系数
a0
-14.051007167
a1
0.016187886
a2
-0.498665957
a3
-5.806620493×10-6
a4
-0.011193844
a5
0.000560115
a6
-1.823509731×10-6
a7
-1.139741468×10-7
a8
7.374189819×10-10
a9
0.001003343
    由式(7)计算所得数据与实测数据的平均相对误差为1.93%，最大相对误差为4.48%。式(7)与图3中曲线的相关系数为0.998。
3.3 计算结果及分析
3.3.1燃气机热泵采用单级传动比时的性能
    分别计算了4个城市的燃气机热泵在不同热负荷(室外温度)下，单级传动比i分别为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2时的一次能源利用率，计算结果见图5～8。

    由图5～8可知：①在供暖季节使用燃气机热泵，若采用单级传动比，则高传动比时的一次能源利用率比较低。即传动比越大，燃气机热泵的运行越不经济。②相同传动比的燃气机热泵，其一次能源利用率随纬度的升高而降低。③热负荷较小时，低传动比燃气机的输出功率无法满足压缩机的功率需求，此时燃气机会熄火甚至无法启动。只有通过增大燃气机的节气门开度，提高燃气机的转速来满足需要的热负荷，但此时燃气机已处于高速低效工作区，机组的经济性较差。④当热负荷较小时，燃气机热泵的一次能源利用率较高，原因是：a.工作环境改善使热泵的供热系数比较高；b.当热负荷较小、燃气机转速较低时，供热量中回收的燃气机余热比例较大；c.当热负荷最大时，燃气机热泵在4个城市中的一次能源利用率都比较低，约为0.6～0.8，但这种恶劣极端天气的时间在供暖期中所占的比例很小。d.在热负荷为30～40kW(供暖时间比较集中)时，采用不同单级传动比的燃气机热泵，其一次能源利用率较高，基本都大于1.2。
3.3.2燃气机热泵采用多级传动比时的性能
    遵循多级传动比的确定原则，结合单级传动比的计算结果，针对4个城市的不同热负荷阶段，确定了采用多级传动比的燃气机热泵的不同传动比i(即档位)，见表6。
 

为比较采用多级传动比与单级传动比的优劣，将供暖季节一次能源利用率(缩写为HPER，量符号为IHPER)[12]作为评价标准，定义式为：
 
式中IHPER——供暖季节一次能源利用率
    n——不同室外温度的数量
    Φc,j——第j个室外温度时的制热量，kW
    Φe,j——第j个室外温度时回收的余热量，kW
    △tj——第j个室外温度延续的时间，h
    Φg,j——第j个室外温度时燃气机消耗的燃气热量，kW
   4个城市中的燃气机热泵，能够满足所有室外温度条件下的热负荷，采用单级传动比和多级传动比时的供暖季节一次能源利用率见表7。
表7 4个城市燃气机热泵供暖季节一次能源利用率
传动比
沈阳
北京
武汉
上海
1.6
—
1.4355
—
1.4432
1.8
—
1.2813
—
1.3134
2.0
0.9929
1.1714
1.4956
1.2177
2.2
0.9276
1.0873
1.3363
1.1420
多级
1.2892
1.6707
1.6306
1.6750
    由表7可知：只有传动比较大时，才能满足所有室外温度条件下的热负荷，即此时燃气机热泵在供暖季节均可使用，但传动比越大，HPER越小。采用多级传动比的燃气机热泵，其HPER明显比采用单级传动比时高。因此采用多级传动比的燃气机热泵，对提高供暖季节的一次能源利用率作用显著。
4 结论
    ① 采用多级传动比的燃气机热泵拓宽了燃气机热泵的适用地区，其能够在东北、华北、华中和江南地区大力推广使用，尤其是在华北、华中和江南地区使用时，供暖季节一次能源利用率均大于1.6。多级传动比燃气机热泵弥补了单级传动比燃气机热泵的不足(在冬季极端恶劣环境地区，如东北地区，使用受限制，经济性较差)。
    ② 在设计燃气机热泵的多级传动比时，应将室外温度延续时间较长、热负荷较大的供暖时间段内的传动比设置得较小。在多数情况下，传动比越小，一次能源利用率越高，而供暖季节一次能源利用率取决于不同传动比时运行时间的长短，小传动比运行时间越长，供暖季节一次能源利用率越高，节能效果越明显。
    ③ 对于多级传动比，传动比的数量不宜过多。虽然传动比数量越多，燃气机热泵的控制精确度越高，但会增加变速器的结构复杂程度，既增加了设备造价和维护费用，又增加了故障源。我国使用的多级传动比燃气机热泵，其传动比一般设置为3～4级。
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(本文作者：方筝1、2 张晓松1 刘建伟1 1.北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032；2.天津大学 机械工程学院 天津 300072)