基于余热回收的燃气热泵性能及控制系统

燃气热泵(gas engine-driven heat pump,GHP)具有环境适应性强、能效高、耗电量少等优点,能够解决一次能源利用率低、资源浪费和环境污染等问题。当前研究重点是通过模拟和实验方法开展燃气热泵的运行特性研究,而忽略了控制系统。控制系统是燃气热泵的重要组成部分,对于保障机组高效、稳定运行至关重要。本文提出一种嵌入式控制系统,监控GHP冷热水机组(gas engine driven heat pump cold-hot water equipment,GHPW)。详细阐述了多输入输出控制模块、发动机控制模块、蒸发温度控制模块、人机交互模块等燃气热泵核心控制模块的设计原则和方法。通过实验验证了GHPW的运行性能,实验结果表明,控制系统能够准确、稳定地控制机组,实现快速制冷/制热。通过主控制器对发动机转速和蒸发温度的双闭环控制,实现对系统出水温度的稳定性和准确性控制。当环境温度较低时,由于回收发动机余热,GHPW系统的制热能力优于EHP(电热泵)系统。随着环境温度从-20℃上升到7℃,实验系统的制热量从52.94kW逐渐上升到105.87kW,系统一次能源利用率(primary energy ratio,PER)从0.819上升到1.489。发动机余热回收显著提高了系统制热能力和PER。

燃料驱动无电热泵系统的节能模拟与运行经济性分析

创新性提出了一种燃料驱动无电热泵系统(NEHP)的热泵新技术,NEHP使用一套系统解决了夏季供冷、冬季供暖、生活热水及一定量生活用电,是一种可冷热电多联供的分布式能源系统。本文从原理及设计思路上对NEHP新技术进行了具体说明,对NEHP技术应用的节能性进行了模拟计算,并对运行经济性作了全面分析。NEHP技术适宜应用于缺电和无电地区,具有电热泵(EHP)无法比拟的适用性优势,也适用于燃气与电力均较为充裕的地区,具有广阔的应用场景。对于使用燃气的NEHP-G系统,若气电比rge小于某一数值,则在供热或供冷方面NEHP-G将比EHP具有更低的运行费用,其中额定制热时该值为4.17,额定制冷回收与不回收余热时该值分别为5.62和3.06。以重庆地区2021年商业气价与电价为例,NEHP-G在制热季可节省费用42.17%~47.49%,在制冷季回收与不回收余热可分别节省费用48.22%与32.26%。

基于R410A制冷剂的空气源燃气热泵系统制冷特性

该文搭建了使用R410A制冷剂涡旋式压缩机的高能效空气源燃气热泵实验平台。在实验台上进行不同进水温度tw,in(8.8~18.8℃)、发动机转速Neng(1400~2400 r/min)、环境温度Tamb(24~43℃)、进水流量Gw(9.16~18.32 m^(3)/h)影响下的制冷特性研究,得到制冷量(Qc)、耗气功率(P_(gas))、压缩机功率(Pcomp)、一次能源利用率(RPER)、总一次能源利用率(RPER,all)及性能系数(RCOP)的变化规律。结果表明,RPER受RCOP与发动机热效率η_(eng)的双重影响,制冷运行时RPER、RPER,all与η_(eng)分别处于0.935~1.224、1.388~1.720与27.56%~35.25%之间。由不确定度分析可得Qc、P_(gas)和RPER的相对不确定度分别为5.61%、1.00%和5.70%,表明系统测试结果稳定可靠。

空气源燃气热泵系统多制热运行模式下余热回收特性

燃气热泵(GHP)是一种高效的天然气分布式能源系统,可通过回收发动机余热而显著改善空气源热泵在冬季低温制热量大幅度衰减的不足。本文在自行设计并搭建的使用R410A制冷剂开启式涡旋式压缩机的GHP实验平台上,针对额定制热和超低温制热两种环境温度T_(amb)(7℃和-15℃),研究了不同制热运行方式(mode-1~mode-4)对GHP系统制热性能参数的影响。结果表明,相比不进行余热回收的制热模式(mode-1),进行余热回收的制热模式(mode-2~mode-4)可明显提升系统的制热性能,mode-4是一种更优的制热运行模式。在mode-4下,当环境温度为7℃与-15℃时,一次能源利用率分别为1.552和0.983,回收的余热量占总余热量的百分比(R_(rec,res))分别为64.15%和50.63%,回收的余热量占总制热量的百分比(R_(rec,h))分别为28.97%和36.58%,系统的余热回收效果优良。相比于额定制热下的R_(rec,res)与R_(rec,h),超低温制热下回收的余热量占发动机总余热中的比例相对较小,但占总制热量的比例相对较高。

基于余热回收的燃气热泵系统高温制热特性

燃气热泵(GHP)是一种先进的低碳节能清洁供暖技术。针对当前GHP技术研究中普遍使用的R134a冷媒制热环境温度下限偏高及活塞式压缩机能效偏低等局限,本文创新性地搭建了基于使用R410A冷媒涡旋式压缩机的高能效GHP实验平台,在实验台上进行了不同出水温度(t_(w,out))、发动机转速(N_(eng))、进水流量(G_(w))及是否余热回收下的高温制热特性研究,得到了制热量(Q_(h))、耗气功率(P_(gas))、压机功率(P_(comp))、一次能源利用率(PER)及性能系数(COP)的变化规律,并对关键性能参数进行了误差分析。结果表明,t_(w,out)由41℃增至50℃时,Q_(h)、PER和COP分别减小了3.12%、13.17%和18.92%,PER下降的幅度明显小于COP;N_(eng)从1200r/min增至1800r/min时,在50℃出水下Q_(h)、P_(gas)与P_(comp)分别增加了51.03%、43.98%和55.37%,PER因受到发动机有效热效率升高的影响而增加了4.90%;G_(w)从5.8m^(3)/h增至11.5m^(3)/h时,系统各性能参数随G_(w)变化不敏感;系统考虑余热回收后,Q_(h)、PER与COP均显著增加,在N_(eng)为1200r/min且41℃出水下分别增加了31.18%、36.06%与31.54%,系统余热回收量占总制热量和发动机总余热量的比例分别为17.48%~24.54%和44.16%~63.39%。由误差分析可得Q_(h)、P_(gas)和PER的误差分别为3.29%、1.00%和3.44%,表明了系统测试结果具有较高的准确度。