陳煒^{1 ,2}  石文星¹  王寶龍¹  曹陽²  李先庭¹
1 清華大學，2 中國建筑科學研究院

    【摘  要】高效利用天然氣是清潔供暖、治理霧霾的重要途徑之一。本文提出一種基于天然氣燃燒驅動的引射式熱泵系統技術方案，通過對傳統引射式制冷循環的引射蒸氣增壓，避免引射器在大壓比下性能差的問題，使之適用于熱泵工況。以北京1050m2的住宅建筑為例，通過模擬仿真考察系統的供熱性能，系統的制熱量和能效隨著環境溫度的升高而提高，當環境溫度為0℃，制取45℃熱水時，其一次能源效率為1.37；采用引射式熱泵系統代替冷凝鍋爐供暖，整個供暖的季節能效比提高0.34，節能率達到25.9%。

    【關鍵字】引射器；增壓；熱泵；供暖

Abstract: High efficient use of natural gas is one of the most important way to reduce emission and protect environment. A novel enhance ejector heat pump driven by natural gas has been proposed in this paper. The secondary vapor of conventional ejector heat pump cycle is enhanced to avoid poor performance under the large pressure difference between evaporation pressure and condensation pressure. Ejector heat pump can be used for heating by using this kind of technical solution. And a residential building whose area is 1050m2 in Beijing is taken as a example to investigate heating performance of this system by simulation. The results indicate that the heating capacity and energy efficiency will increase while the ambient temperature increase. The primary energy efficiency will be 1.37 when the outlet water temperature is 45 oC and the ambient temperature is 0 oC. The seasonal energy efficiency of this system is 0.34 higher than condensing boiler in heating season. And energy consumption can be reduced by 25.9%.
Key wards: ejector, enhanced, heat pump, heating

1 引言

    隨著我國城鎮化進程的加快，北方城鎮供暖面積以及能耗均大量增加。2015年建筑能耗占據社會總能耗的20.2%，其中北方城鎮供暖能耗占建筑總能耗的22% ^[1] 。然而，我國供暖目前主要依靠燃煤鍋爐，據文獻顯示，燃煤鍋爐和分戶小煤爐供暖的北方城鎮面積占47%，其燃燒產物是北方供暖地區霧霾污染嚴重的重要原因之一^[1] 。為此，在“宜氣則氣，宜電則電”的用能政策引導下，“煤改電”和“煤改氣”已成為霧霾治理的重要舉措^[2] 。然而，常規燃氣鍋爐效率為90%左右^[3] ，雖然采用顯熱回收法、冷凝熱回收法和熱泵熱回收法等煙氣余熱回收技術^[4-6] ，但其一次能源效率仍難以突破100%。另一方面，燃氣燃燒所產生的熱量品位較高，而建筑熱源系統所需的熱量品位較低，因此，利用天然氣直接燃燒換熱的方式無法高效地利用此高品位能量。

    與燃氣鍋爐相比，由天然氣燃燒驅動的吸收式熱泵、GHP等熱泵設備是一種更為高效的建筑熱源設備，故受到行業的關注。1901年Le Blanc 和 Parson首次提出的引射式制冷循環概念也屬于直燃（熱源）驅動的循環^[7] ，但目前對于引射式制冷循環的研究均集中在工況較為穩定、升壓比較小的制冷領域，而對于壓縮比變化范圍很寬的制取熱水的熱泵領域卻少有人研究，其原因在于熱泵的工作工況蒸發壓力和冷凝壓力的壓比更大。常規引射器在蒸發溫度10℃，冷凝溫度33℃時，其引射比為0.25，但當蒸發溫度降低至-2℃時，引射器幾乎無法工作^[8] 。因此，本文提出一種天然氣直燃驅動的增壓型引射式系統技術方案制備熱水，一方面解決常規引射式制冷循環無法應用于大壓比的熱泵工況的問題，另一方面實現高效利用天然氣的高品位熱量制取熱水。

2 系統工作原理

    增壓型引射式熱泵系統的工作原理如圖1所示。圖中各個點的狀態表示在圖2所示的壓焓圖中。高溫高壓的制冷劑蒸氣（1點）通過引射器引射來自壓縮機出口的低溫低壓的制冷劑蒸氣（2點），引射器出口得到中溫中壓的制冷劑蒸氣（5點），進入冷凝器加熱來自用戶側的熱網回水。降溫降壓的制冷劑液體（6點）分為兩路，一路通過增壓泵增壓，進入鍋爐加熱成為高溫高壓的制冷劑蒸氣（1點）；另一路經過電子膨脹閥節流后進入蒸發器，吸收室外空氣的熱量，蒸發后的低溫低壓制冷劑蒸氣（11點）經壓縮機增壓至進入引射器入口的狀態（2點）。

    增壓型引射式熱泵系統的優勢在于利用壓縮機提高引射器的引射蒸氣壓力，改善引射器性能，從而使蒸發器能夠從室外空氣中獲取更多的熱量，提高整個系統的性能和供熱效率。

    引射器是引射式熱泵循環的核心部件，其結構如圖3所示。

    引射器結構分為3個部分，吸入室、混合室和擴壓室。引射器噴管入口的高溫高壓的蒸氣稱之為工作蒸氣。工作蒸氣進入噴管，膨脹加速并在噴管喉部t達到當地音速，最后以超音速的速度從噴嘴噴出，進入吸入室內，在吸入室內營造一個低壓環境并卷吸噴射器入口的低溫低壓的蒸氣。被卷吸的低溫低壓的蒸氣稱之為引射蒸氣。工作蒸氣和引射蒸氣在混合室中進行充分混合，最終速度達到均勻。混合流體進入擴壓室，發生動能向勢能或者熱能的轉換。在擴壓室的出口，混合蒸氣的壓力介于高壓工作蒸氣和低壓引射蒸氣之間。由此可見，引射器是一種壓力驅動的蒸氣壓縮設備。

    引射器的性能不僅與入口蒸氣的狀態有關，還與其結構有關。引射器的性能指標以引射比表征，引射比定義為引射蒸氣的質量流量與工作蒸氣的質量流量的比值。引射比越大，說明引射器的性能越好。引射器的理論上的性能曲線如圖4所示。對于結構一定，蒸氣狀態確定的引射器，存在最大的引射比，稱之為臨界引射比ω*；其對應的出口壓力稱之為臨界背壓Pc*。根據實際出口背壓與臨界背壓的關系，引射器的工作性能可分為3種情況。當Pc≤Pc*時，引射器工作于臨界工況，其引射比為常數；當Pc*＜Pc≤Po*時，引射器工作于亞臨界工況，引射比隨著出口背壓的增大而減小；當Pc＞Po*時，引射器處于回流工況，無法正常工作。

3 數學模型

    3.1 計算模型的建立

    本文的研究中，采用EES對增壓型引射式熱泵建模，并計算該系統在供暖季的變工況運行性能。系統模型的建立主要分為引射器、壓縮機、換熱器以及性能計算方法。

    （1）引射器

    由于引射器是系統中的核心部件，因此，對于引射器模型的準確性成為系統模型的關鍵。引射器模型既需要考慮熱力學性質，同時也需要考慮到氣體動力學的性質。國內外有許多學者對引射器的模型進行研究，目前 以Huang^[9]的一維穩態氣體動力學模型應用最為廣泛。本文采用基于Huang模型的改進模型^[10] ，計算引射器臨界工況及亞臨界工況下的性能。

    引射器工作時，工作蒸氣在噴管喉部達到當地音速，通過（1）式計算工作蒸氣流量。

 

    式中：m_p—工作蒸氣流量，kg/s；P_p—工作蒸氣壓力，Pa；A_t—喉部面積，m²；T_p—工作蒸氣溫度，K； —絕熱指數；η_p—工作蒸氣等熵效率，取0.95；R_g—摩爾常數，J/(kg.K)。

    工作蒸氣以超音速的速度從噴嘴噴出并卷吸引射蒸氣，兩股蒸氣在混合室中的y-y斷面開始等壓混合（即P_py=P_sy），并在m-m斷面達到均勻，該過程滿足能量守恒方程、質量守恒方程和動量守恒方程，如（2）-（4）式所示。

    m_p+m_s=m_m    （2）

        

    式中：m_s—引射蒸氣流量，kg/s；m_m—混合蒸氣質量，kg/s；v_py、v_sy—工作蒸氣、引射蒸氣在y-y斷面的速度，m/s；v_m—混合蒸氣速度，m/s；T_py、T_sy—工作蒸氣、引射蒸氣在y-y斷面的溫度，K；T_m—混合蒸氣溫度，K；C_p—定壓比熱，J/(kg.K)；Ψ_m—混合效率，取0.8-0.84。

    當引射器工作于臨界狀態時，引射蒸氣在y-y斷面的速度達到當地聲速，即M_sy=1，此時計算得到的引射比和出口壓力均為臨界值。當M_sy＜1，計算得到的引射比和出口壓力為亞臨界值。引射蒸氣的流量通過（5）式計算。

    

    式中：A_sy—引射蒸氣在y-y斷面占據的面積，m²；ρ_sy—引射蒸氣在y-y斷面的密度，kg/m³；η_s—引射蒸氣等熵效率，取0.85。

    混合蒸氣進入擴壓室，發生動能向熱能或勢能的轉化。擴壓過程滿足（6）式。

     

    式中：P_c—出口壓力，Pa；P₃—3-3斷面蒸氣壓力，Pa；M₃—流體在3-3斷面的馬赫數。

    （2）壓縮機

    通過以上公式求解得到引射器的性能，而壓縮機的采用效率模型，其等熵效率、容積效率以及壓縮機耗功通過（7）-（9）式進行計算[11]。

   

    式中：η_ise—壓縮機等熵效率；η_vol—壓縮機容積效率；PR—壓縮機進出口壓比；W_com—壓縮機耗功，kW；h_comi、h_como—壓縮機進出口焓值，kJ/kg。

    （3）蒸發器和冷凝器

    換熱器的換熱過程滿足能量守恒和傳熱方程，如式（10）-（12）。

    

    式中：Q—換熱量，kW；m_f、m_l—制冷劑和換熱流體流量，kg/s；Δh—制冷劑側的進出口焓差，kJ/kg；ΔT—流體側的進出口溫差，K；ΔT_log—換熱器對數平均溫差，K；U—換熱器綜合換熱系數，kW/(m²K)；A_he—換熱面積，m²。

    （4）系統性能計算

    系統的性能采用系統COP和一次能源效率表征，計算中取燃氣熱效率0.95和燃氣發電效率0.5。如式（13）、（14）所示。

   

    式中：COP—機組性能系數；Q_c、Q_g—冷凝換熱量和鍋爐加熱量，kW；W_pump、W_comp—增壓泵和壓縮機功耗，kW；η_primary—一次能源效率。

    3.2 模型驗證

    計算模型中，引射器的模型是關鍵，引射器模型計算的準確度直接影響到最終計算的結果。因此，著重對引射器臨界工況和亞臨界工況的引射比以及臨界壓力進行驗證。Huang^[9]采用R141b作為工作介質，對多種結構的引射器進行了實驗研究，本文采用文獻[9]的實驗數據驗證模型的臨界工況計算結果。Hemidi^[12]對以空氣作為介質的引射器進行了CFD模擬以及實驗研究，本文同時采用文獻[12]的實驗數據驗證其亞臨界狀態的計算結果。本文所建模型的精度驗證結果如圖5所示。

 

    從誤差分析結果可以看出，該模型計算臨界工況的引射比誤差在±10%之間，臨界壓力值得計算誤差0~-10%之間；而亞臨界工況的引射比計算誤差在0%~20%之間，可用于系統的模擬分析。

4 增壓型引射式熱泵的供暖季運行性能分析

    4.1 建筑信息及負荷計算

    選取位于北京的一棟建筑為例，進行增壓型引射式熱泵系統供暖季的運行性能以及節能分析。該建筑總共7個單元，建筑面積共1050m2，每個單元的客廳和主臥室及次臥室采用輻射地板末端的全天供暖方式，廚房和衛生間不供暖。室內采暖出水設計溫度為45℃。設定室內溫度的最高溫度為26℃，最低溫度為18℃；采用北京典型年供暖季室外逐時溫度（圖6），利用DEST計算建筑在供暖季的逐時熱負荷。按照11月15日起至次年3月15日為供暖季，其總供暖時間為2904小時，建筑的逐時負荷如圖7所示。

    從計算結果可知，該建筑尖峰熱負荷為79kW，因此機組設計容量應滿足出現峰值負荷溫度下的的熱負荷需求，即熱泵容量在-9℃環境溫度下容量為80kW。

    4.2 設備及系統選型

    根據建筑的尖峰負荷選取相應的系統設備，并對增壓型引射式熱泵系統和常規的冷凝鍋爐系統進行對比分析。設冷凝鍋爐的效率（以天然氣低位發熱值為基準）不隨外界的溫度變化而變化，其容量及效率如表1所示。

    增壓型引射式熱泵在北京供暖室外設計溫度-7.6℃^[13] 、冷凝器出水溫度為45℃工況下，其性能參數如表2所示。

    引射式熱泵采用R152a為工質，其主要物性如表3所示。該制冷劑臨界溫度不高，但臨界壓力較高，其物性特點有利于引射器的工作。

    在設計工況下，引射器的工作蒸氣和引射蒸氣的狀態以及引射比如表4所示。

    4.3 供暖季運行性能分析比較

    取北京典型年供暖季室外逐時氣候參數，計算增壓型引射式熱泵在整個供暖季的逐時一次能源效率，進而根據需要處理的建筑負荷，計算產生高溫高壓的驅動蒸氣所需要的天然氣量，并與傳統的冷凝鍋爐比較。圖8為增壓型引射式熱泵隨室外環境變化的一次能效逐時變化情況。圖中結果結合室外氣象參數變化情況可知，系統的一次能源效率和室外環境溫度同步變化，當室外溫度較高時，系統的一次能源效率較高。當環境溫度為0℃，出水溫度為45℃時，一次能源效率能夠達到1.37。

    圖9為供暖季增壓型引射式熱泵逐時的天然氣消耗量的曲線。從圖中可以看出，天然氣消耗量的變化趨勢和機組的一次能源效率的變化趨勢相反，這是因為室外溫度較高時，機組的性能較好，但此時機組所需要處理的建筑負荷較低，因此燃氣消耗量小。整個供暖季的季節能效比為1.32，比天然氣冷凝鍋爐提高0.34。

    若采用冷凝鍋爐進行供暖，按照冷凝鍋爐效率98%計算，增壓型引射式熱泵相比冷凝鍋爐，天然氣消耗量有所減少，其逐時的燃氣消耗減少量如圖10所示。圖中結果顯示，當室外環境溫度較低，建筑負荷較大時，增壓型系統相比于冷凝鍋爐的節能量更大。供暖季各月兩種系統消耗的天然氣量對比如圖11所示。從圖中的結果可以看到，在最冷月1月份，由于建筑負荷最大，因此消耗的天然氣量為各月最大，天然氣的節約量達725 m3，但節能率僅為24.5%，而11月份和3月份的節能率分別達到25%以上。因此，引射式熱泵系統相比于冷凝鍋爐，在室外環境溫度較高時，節能效果更顯著。從整個供暖季看，采用冷凝鍋爐供暖，一共消耗7857m3天然氣，而采用引射式熱泵供暖共消耗天然氣5822 m3天然氣，天然氣消耗量減少2035 m3，節能率達到25.9%。

5 結論

    本文提出了一個新型的熱水制備系統的技術方案，通過壓縮機增壓解決傳統引射式制冷循環在大壓比下性能極差而無法用于熱泵用途的問題。同時，建立了系統的數學計算模型和建筑的負荷模型，對系統供暖季的運行性能進行了分析與比較。模擬結果表明：以北京1050m2建筑為例，考察系統的供熱性能，系統的制熱量和能效隨著環境溫度的升高而提高，當環境溫度為0℃，出水溫度為45℃時，一次能源效率能夠達到1.37。而引射式熱泵系統在最冷月的節能量最大，但節能率最低，說明引射式熱泵在環境溫度較高時，節能性更好。相比于冷凝鍋爐供暖，季節能效比提高0.34，天然氣可節約2035 m3，節能率達到25.9%。

參考文獻

    [1] 清華大學建筑節能研究中心. 中國建筑節能年度發展研究報告2009 [M]. 北京，中國建筑工業出版社, 2009.
    [2] 關欣, 聶海亮, 宋立麗. 北京煤改氣問題分析 [J]. 區域供熱, 2015 (6): 22-25.
    [3] 徐俊芳, 王隨林, 潘樹源, et al. 天然氣鍋爐煙氣冷凝熱回收利用技術工程應用方案探討 [J]. 暖通空調, 2009, 39(11): 128-132.
    [4] 穆連波, 燃氣鍋爐煙氣余熱回收熱泵系統應用與分析[J]. 暖通空調, 2014(12): 第49-54頁.
    [5] Shang Sheng, Li Xianting, Chen Wei, et al. A total heat recovery system between the flue gas and oxidizing air of a gas-fired boiler using a non-contact total heat exchanger [J]. Applied Energy, 2017.
    [6] 夏建軍, 新型煙氣余熱回收技術在燃氣鍋爐中的應用[J]. 區域供熱, 2013(3): 第46-51頁.
    [7] Eames I W, Aphornratana S, Haider H. A theoretical and experimental study of a small-scale steam jet refrigerator[J]. International Journal of Refrigeration, 1995, 18(6):378-386.
    [8] Thongtip T, Aphornratana S. An experimental analysis of the impact of primary nozzle geometries on the ejector performance used in R141b ejector refrigerator[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 110:89-101.
    [9] Huang B J, Chang J M, Wang C P, et al. A 1-D analysis of ejector performance[J]. International Journal of Refrigeration, 1999, 22(5):354-364.
    [10] Chen W X, Liu M, Chong D T, et al. A 1D model to predict ejector performance at critical and sub-critical operational regimes[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(6):1750-1761.
    [11] Y. Hwang, Potential energy benefits of integrated refrigeration system with microturbine and absorption chiller[J]. International Journal of Refrigeration, 2004. 27 (8) 816–829.
    [12] Hemidi A, Henry F, Leclaire S, et al. CFD analysis of a supersonic air ejector. Part I: Experimental validation of single-phase and two-phase operation[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(8–9):1523-1531.
    [13] 住房和城鄉建設部發布. 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范:GB50736-2012[M]. 北京，中國建筑工業出版社, 2012.

    備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會青年優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
              版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。