燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過(guò)程的計(jì)算與分析
1熱泵系統(tǒng)計(jì)算模型
熱泵系統(tǒng)的熱力模型主要考慮壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器三大部件的能量平衡關(guān)系，節(jié)流過(guò)程認(rèn)為是絕熱過(guò)程。
若忽略系統(tǒng)的熱損失，那么壓縮機(jī)的排熱量、冷凝器的換熱量和熱水的吸熱量應(yīng)該相等，同樣壓縮機(jī)的產(chǎn)冷量、蒸
發(fā)器的換熱量和室外空氣的放熱量也應(yīng)該相等。
對(duì)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)制造廠家提供的樣本數(shù)據(jù)擬合得到壓縮機(jī)的產(chǎn)冷量和排熱量同冷凝溫度，蒸發(fā)溫度及
壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
在燃?xì)鈾C(jī)熱泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量已知的情況下，聯(lián)立上述所有方程便可以對(duì)模型進(jìn)行求解
。該模型有兩種求解方式：(1)如給定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么可以得到該轉(zhuǎn)速下燃?xì)鈾C(jī)供熱能力；(2)如給定系統(tǒng)要求
的供熱能力，那么可以計(jì)算出要求的供熱能力下燃?xì)鈾C(jī)熱泵轉(zhuǎn)速。然后相應(yīng)地可以得到燃?xì)鈾C(jī)熱泵能耗、余熱等其
它量。由于風(fēng)機(jī)水泵的能耗占系統(tǒng)能耗的比重相對(duì)較小，且固定不變，因此計(jì)算中不涉及這部分能耗。
2發(fā)動(dòng)機(jī)余熱計(jì)算模型
由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程比較復(fù)雜，很難用純粹的數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱計(jì)算模型。一些文獻(xiàn)提供了發(fā)動(dòng)機(jī)
余熱的計(jì)算公式，但這些計(jì)算公式的通用性較差，僅適合于某一型式的發(fā)動(dòng)機(jī)。本文采用實(shí)驗(yàn)的辦法得到實(shí)際應(yīng)用
的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)模型中所需的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)出有關(guān)物理量，可以間接地計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱量。
穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)同發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀
態(tài)便確定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在某一工作狀態(tài)，然后測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量，冷卻水進(jìn)出口溫度，廢氣排氣溫
度，天然氣流量，過(guò)量空氣系數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱數(shù)據(jù)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體的余熱量、廢氣流量和排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速和扭矩的增加而增加。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷
卻水循環(huán)泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，因此冷卻水的流量?jī)H同轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)上述結(jié)果通過(guò)曲面插值和線性擬合的辦法可以得到
其它非測(cè)試狀態(tài)點(diǎn)下的物理量，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)余熱計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。
3、燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過(guò)程計(jì)算與分析
3.1供暖季節(jié)的熱負(fù)荷的計(jì)算
本文的目的主要是對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵在整個(gè)供暖季節(jié)的工作性能進(jìn)行計(jì)算和分析，因此必須首先確定建筑的熱負(fù)荷
。為便于計(jì)算，假設(shè)某建筑的熱負(fù)荷僅僅由室內(nèi)外溫差引起，那么在已知室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tn和室外設(shè)計(jì)溫度tout，d
以及設(shè)計(jì)負(fù)荷Qd的情況下，可以計(jì)算出任意室外溫度tout下該建筑的熱負(fù)荷Qx
3.2燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖過(guò)程特點(diǎn)
燃?xì)鈾C(jī)熱泵一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是就是燃?xì)鈾C(jī)有良好的調(diào)速性能，即當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)鈾C(jī)的供氣量
來(lái)調(diào)節(jié)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷下燃?xì)鈾C(jī)熱泵供熱能力的調(diào)節(jié)。需要指出的是，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的速度調(diào)節(jié)
是有限制的，并不能任意調(diào)節(jié)，這與發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的工作特性有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，和計(jì)算得到壓縮機(jī)的速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線。
不同室外溫度下的燃?xì)鈾C(jī)熱泵熱負(fù)荷、供熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱量、系統(tǒng)一次能耗的變化關(guān)系。
(1)在負(fù)荷率較低時(shí)，采用的壓縮機(jī)卸缸的辦法進(jìn)行能量調(diào)節(jié)對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵能耗的改善不明顯。從本文的計(jì)算
結(jié)果來(lái)看，采用壓縮機(jī)卸缸的能量調(diào)節(jié)方式后，一定程度上克服了能耗上升的趨勢(shì)。進(jìn)一步分析表明，能耗不能降
低的原因仍然是因?yàn)檗D(zhuǎn)速被穩(wěn)定在*低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行所致。因此在部分負(fù)荷較低的情況下，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利
用率較低。為使機(jī)組在低負(fù)荷下節(jié)能，采用啟/?？刂品绞竭M(jìn)行能量調(diào)節(jié)仍然非常必要。
(2)燃?xì)鈾C(jī)熱泵供熱量中，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱占相當(dāng)大的份額(約占總供熱量的1/3)。因此，即使在溫度很低的情況
下，燃?xì)鈾C(jī)熱泵仍能滿足供熱要求，不會(huì)出現(xiàn)供熱量不足的情況。廢熱量的大小同發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和工作狀態(tài)很有關(guān)
系。
(3)由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在*小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速問(wèn)題，燃?xì)鈾C(jī)熱泵在室外溫度高于2℃時(shí)出現(xiàn)了供熱量和熱負(fù)荷不能匹配的現(xiàn)
象。這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)已無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供熱量。計(jì)算表明，熱負(fù)荷率較高時(shí)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵具備較好的負(fù)荷
調(diào)節(jié)特性，供熱量和熱負(fù)荷能較好匹配，系統(tǒng)也有較高的一次能利用率。但隨著負(fù)荷率的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被限制
在*小轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，系統(tǒng)的一部分供熱量被浪費(fèi)，一次能利用率降低。
3.3燃?xì)鈾C(jī)熱泵供暖的季節(jié)能耗及運(yùn)行費(fèi)用分析比較
若考慮各個(gè)溫度下空調(diào)運(yùn)行的累積時(shí)間，可以計(jì)算出燃?xì)鈾C(jī)熱泵冬季運(yùn)行時(shí)的能耗。根據(jù)上海地區(qū)空調(diào)運(yùn)行期
間室外溫度頻率表[5]計(jì)算的燃?xì)鈾C(jī)熱泵在冬季各個(gè)溫度下的運(yùn)行能耗?？梢钥闯瞿芎妮^高的點(diǎn)集中在室外溫度為5
～10℃的區(qū)域，這是因?yàn)檫@個(gè)溫度區(qū)域空調(diào)運(yùn)行小時(shí)數(shù)很多。將各個(gè)溫度下的能耗值累加起來(lái)，可得到整個(gè)供暖季
節(jié)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的能耗量。
燃?xì)鈾C(jī)熱泵能耗計(jì)算的另一目的是考察燃?xì)鈾C(jī)熱泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。影響燃?xì)鈾C(jī)熱泵運(yùn)行費(fèi)用的因素不僅是該地
區(qū)的氣候條件，更重要的是當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格因素。
目前上海地區(qū)能源價(jià)格條件下對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵同變頻調(diào)節(jié)方式的電驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行費(fèi)用比較分析。從比較結(jié)果可以
看出，燃?xì)鈾C(jī)熱泵在低溫下的運(yùn)行費(fèi)用明顯低于電動(dòng)熱泵，在室外溫度較高的情況下燃?xì)鈾C(jī)熱泵稍差于電動(dòng)熱泵，
這主要是因?yàn)楸疚闹胁捎玫娜細(xì)鈾C(jī)在部分負(fù)荷較低時(shí)調(diào)節(jié)性能較差所致。對(duì)于整個(gè)供暖季節(jié)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的運(yùn)行費(fèi)
用要比電動(dòng)熱泵的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約16.8%。
4、結(jié)論
(1)計(jì)算表明，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性在不同的室外條件下各不相同，總的來(lái)說(shuō)，在上海地區(qū)氣候和能源價(jià)
格條件下，燃?xì)鈾C(jī)熱泵同電動(dòng)熱泵相比仍然具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
(2)通過(guò)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)余熱實(shí)驗(yàn)以及整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱在燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)供熱量中占相當(dāng)
大的份額。發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱使得燃?xì)鈾C(jī)熱泵在低溫下有良好的供熱能力，且余熱對(duì)系統(tǒng)供熱性能有較大的影響。
(3)盡管燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)具備調(diào)速機(jī)構(gòu)，但要維持發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能太低。這一特點(diǎn)限制了燃?xì)?p>機(jī)熱泵的部分負(fù)荷性能的發(fā)揮，要獲得好的部分負(fù)荷特性，發(fā)動(dòng)機(jī)需要有較低的*低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。對(duì)于*低轉(zhuǎn)速較高
的燃?xì)鈾C(jī)熱泵，為使機(jī)組節(jié)能，壓縮機(jī)的啟/?？刂品绞饺匀皇直匾?p>
