热机热泵技术的研究进展

热机热泵技术的研究进展

赵思琪康智强夏晓东孙佳琳车文华

沈阳建筑大学市政与环境工程学院沈阳110168

汽轮机热泵系统是用工业汽轮机拖动用功机械，替代传统的电驱动设备，从而达到节电、降低投资的目的。热机热泵的技术最早起源于二十世纪20年代，现代蒸汽压缩式热泵的原型为霍尔丹（Haldance）在苏格兰安装与实验的家用热泵，其工质为氨，用空气作热源，供室内、采暖及水加热之用。由于工业汽轮机能够给热电厂带来良好的经济效益和节能利益，所以在热电厂改造工程和新建工程中得到了很好的利用[1]。采用工业拖动汽轮机拖动压缩机，是一种比较成熟的利用形式，在国外一些热电厂及工业企业都有了成功运行使用的案例，全世界在合成氨装置这一方面就已经有60多个利用汽轮机带动压缩机的例子，在应用在展现出了良好的经济效益和节能效益。2008年，太原理工大学的王宏等人[2]介绍了汽轮机拖动往复式压缩机的系统组成，在设计中需要考虑的减速器、高速联轴器、低速联轴器、飞轮等的要求，以及系统的正常开停机和紧急停机对汽轮机的影响，分析比较了汽轮机替代电机拖动往复式压缩机的经济性。采用汽轮机替代电机拖动往复式压缩机技术成熟，可实现节能降耗的目的。

热机热泵发展在日本与美国起步较早。在欧洲，热机热泵的研究相对迟缓。但是，像德国、英国、法国等国家很早就开始了燃气机热泵的研究。WolfeJV等人[3]对安装在南部的一台燃气机热泵的性能进行了测试。结果表明，在4619小时运行时间内，机组制热性能系数为1.37，制冷性能系数为1.15。T.Kaneko等人[4]测试了一台4RT的燃气机热泵。该装置中燃气机的余热被用于加热制冷剂，使得燃气机热泵的制热量在环境温度为7度和-10度时分别是电动热泵的1.5倍和1.6倍。在低环境温度时，关闭室外风机也可以获得与环境温度为0度时相当的制热量。HoweLA[5]研究了燃气机驱动吸收压缩式组合循环系统，对其性能进行了理论研究，结果表明制热量和COP比简单的吸收式循环和吸附式换热提高了21%和31%。YagyuS等人[6]设计了燃气机驱动的斯特林热泵循环，并计算了其性能，他们估计系统COP大约为1.9。如果热泵系统能加压到5Mpa，则COP将提高到2.42。ZhiGaoSun[7]对燃气机驱动的制冷制热相结合的系统进行了试验研究。试验结果表明系统的一次能源利用率能达到1.9，该系统比普通分开提供制冷制热的系统一次能源消耗量减少40.9%。

我国燃气机热泵的研究开始于20世纪80年代。天津大学于2002年成功建立了以天然气为能源的水-水燃气机热泵试验台。近年来国内清华大学、浙江大学、上海交通大学、天津大学、东南大学、同济大学和哈尔滨工业大学等单位对常规燃气热泵冷热联供技术进行了研究。吉林大学的徐振军等人对具有热湿联合处理能力的燃气机热泵的节能情况进行了研究。结果表明该系统比常规电力复合式空调系统节能效果明显[8]。方筝等人采用热经济学分析方法对空气源自备电燃气机热泵系统进行了分析，并指出空气源自备电燃气机热泵系统的设计需要注意传动比的合理设置问题[9]。马一太等人利用热力学第一定律，分析得出燃气机冷水机组在供暖时一次能源利用率高于其他供暖方式。同时对比了燃气机冷水机组和电动冷水机组的运行费用，得出燃气机冷水机组的运行成本低于电动冷水机组[10]。邓建强等人从理论上研究系统在环境温度改变时的运行特性。结果表明在夏季温度为33-35℃，冬季温度为0-5℃时系统运行性能最佳，当环境温度向两端偏离最佳温度区域时，都会导致一次能源利用率降低[11]。刘万福等人通过试验分析了内燃机拖动地源热泵系统的性能、及其应用研究和经济性分析[12]。马一太等通过试验得到了燃气机热泵的发动机负荷特性、发动机余热回收和燃气机热泵的总体性能曲线。结果表明：随着发动机转速的增加，燃气机热泵的COP和PER是下降的，通过对IPLVCOP值的分析，发现燃气机热泵的IPLVCOP比热泵系统的大，说明燃气机热泵的部分符合性能好。杨昭等人建立了燃气机热泵的全年优化模型，定义了燃气机热泵的全年性能系数，比较了采用不同目标函数得到的优化结果的差别，研究了冷负荷比例变化对全年性能优化的影响，分析了燃气机热泵在不同地区应用时全年性能优化目标的确定并且对燃气压缩式热泵空调系统进行了试验研究。试验结果表明：燃气机热泵是一项高效节能技术，试验条件下平均一次能源利用率为1.42，而且部分负荷好[13]。东南大学的李映林等人对燃气驱动冷热水机组变转速运行进行了实验研究，重点分析了发动机转速对系统余热回收量、制冷剂流量、燃气消耗量等的影响[14]。谢英柏等人建立了理想VM循环燃气热泵的理论模型，分析了热泵运行的温度区间对系统性能系数的影响，分析发现理想VM循环燃气机热泵的性能系数只与高温热源、低源热源和中间温度热源的温度有关，而与工质的性质无关[15]。田贯三等人用热力学理论和燃烧理论对天然气烟气的饱和含湿量、露点温度、水蒸气的冷凝率、烟气的焓和天然气的热利用率进行了理论分析和计算，并提出了一个换热器与三级热泵相结合利用天然气烟气废热工艺，可以充分利用冷凝热，热泵平均COP可达3以上[16]。

就目前来看，对热机热泵的研究还主要集中于燃气机热泵方面。美国、日本等国家对燃气机热泵的研究已经相当成熟，应用也非常普遍。由最初的以大型机组为主，发展到80年代中后期已经实现了中小型空气源机组的商业化大批量生产，并且得到燃气公司、电力公司以及政府的鼓励与支持，发展非常迅速。然而，在较长一段时间内我国煤炭资源仍旧是能源利用的主导力量；另一方面，燃气的开发与进行较大规模普及应用还处于发展阶段，对推广燃气机热泵还不具备充足条件。而且，现有的燃气机热泵的研究成果在很大程度上对蒸汽机热泵等其他热机热泵的研究有着巨大的理论指导作用。所以基于我国现阶段国情，应该加大对汽轮机热泵的研究力度，将燃气机热泵较为先进的理论成果进行深入探索并加以利用，这对蒸汽轮机的理论与实践应用是非常具有实用价值与现实意义的。

参考文献：

[1]李大勇.工业汽轮机在热电企业的应用分析[J].建筑热能通风空调，2009，15（6）：82-84.

[2]王宏，吴凤林.汽轮机替代电机拖动往复式压缩机的探讨分析[J].煤化工，2008（2）：35-37.

[3]WolfeJV，GetmanRP，Gasengineheatpumpperformanceinasouthernclimate[J].ASHRAETrans，1995，101（part.2）：1389-1395

[4]T.Kaneko，M.Obitani，T.Imura.Theperformanceofafour-tonGas-Engine-Driveheatpum[J].ASHRAETransSymposia，1992：989-993.

[5]HoweLA，RadermacherR，HeroldKE.Combinedcyclesforenginedrivenheatpumps.InternationalJournalofRefrigeration，1989；12（1）：21–28.

[6]YagyuS，FujishimaI，CoreyJ，IsshikiN，SatohI.Design，simulationandtestresultsofaheat-assistedthree-cylinderStirlingheatpump（C-3）[J].Proceedingof32ndIECEC，1997，2：1033–1038.

[7]Zhi-GaoSun.Acombinedheatandcoldsystemdrivenbyagasindustrialengine[J].EnergyConversion&Management，2007，48（2007）：366-369.

[8]徐振军.具有湿处理功能的燃气机热泵节能分析[J].吉林大学学报，2008，38（Sup.2）：34-38.

[9]方筝.燃气机热泵冷热电三联供系统热经济学分析[J].热能动力工程，2009，24（5）：597-603.

[10]马一太，刘胜春，管海清等.燃气机冷水机组热经济性分析[J].流体机械，2005，33（9）：59-61.

[11]邓建强.家用燃气热泵系统变环境温度性能分析[J].西安交通大学学报，2007，41（1）：28-31.

[12]刘万福，马一太等.内燃机拖动地源热泵系统的实验研究[J].工程热物理学报，2002，23：9-12.

[13]杨昭，赵海波等.燃气机热泵全年性能优化研究[J].工程热物理学报，2008，29（2）：187-190.

[14]李应林等.燃气驱动冷热水机组变转速运行实验研究[J].东南大学学报，2005，35（2）：298-301.

[15]谢英柏等.热源温度对VM循环燃气热泵性能系数的影响[J].流体机械，2008，36（11）：83-85.

[16]田贯三.用天然气烟气废热作为低温热源热泵循环的分析[J].太阳能学报，2003，24（4）：472-476.

基金项目：沈阳市科技计划项目（F16-211-6-00）。