陈炜^{1 ,2}  石文星¹  王宝龙¹  曹阳²  李先庭¹
1 清华大学，2 中国建筑科学研究院

    【摘  要】高效利用天然气是清洁供暖、治理雾霾的重要途径之一。本文提出一种基于天然气燃烧驱动的引射式热泵系统技术方案，通过对传统引射式制冷循环的引射蒸气增压，避免引射器在大压比下性能差的问题，使之适用于热泵工况。以北京1050m2的住宅建筑为例，通过模拟仿真考察系统的供热性能，系统的制热量和能效随着环境温度的升高而提高，当环境温度为0℃，制取45℃热水时，其一次能源效率为1.37；采用引射式热泵系统代替冷凝锅炉供暖，整个供暖的季节能效比提高0.34，节能率达到25.9%。

    【关键字】引射器；增压；热泵；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

    随着我国城镇化进程的加快，北方城镇供暖面积以及能耗均大量增加。2015年建筑能耗占据社会总能耗的20.2%，其中北方城镇供暖能耗占建筑总能耗的22% ^[1] 。然而，我国供暖目前主要依靠燃煤锅炉，据文献显示，燃煤锅炉和分户小煤炉供暖的北方城镇面积占47%，其燃烧产物是北方供暖地区雾霾污染严重的重要原因之一^[1] 。为此，在“宜气则气，宜电则电”的用能政策引导下，“煤改电”和“煤改气”已成为雾霾治理的重要举措^[2] 。然而，常规燃气锅炉效率为90%左右^[3] ，虽然采用显热回收法、冷凝热回收法和热泵热回收法等烟气余热回收技术^[4-6] ，但其一次能源效率仍难以突破100%。另一方面，燃气燃烧所产生的热量品位较高，而建筑热源系统所需的热量品位较低，因此，利用天然气直接燃烧换热的方式无法高效地利用此高品位能量。

    与燃气锅炉相比，由天然气燃烧驱动的吸收式热泵、GHP等热泵设备是一种更为高效的建筑热源设备，故受到行业的关注。1901年Le Blanc 和 Parson首次提出的引射式制冷循环概念也属于直燃（热源）驱动的循环^[7] ，但目前对于引射式制冷循环的研究均集中在工况较为稳定、升压比较小的制冷领域，而对于压缩比变化范围很宽的制取热水的热泵领域却少有人研究，其原因在于热泵的工作工况蒸发压力和冷凝压力的压比更大。常规引射器在蒸发温度10℃，冷凝温度33℃时，其引射比为0.25，但当蒸发温度降低至-2℃时，引射器几乎无法工作^[8] 。因此，本文提出一种天然气直燃驱动的增压型引射式系统技术方案制备热水，一方面解决常规引射式制冷循环无法应用于大压比的热泵工况的问题，另一方面实现高效利用天然气的高品位热量制取热水。

2 系统工作原理

    增压型引射式热泵系统的工作原理如图1所示。图中各个点的状态表示在图2所示的压焓图中。高温高压的制冷剂蒸气（1点）通过引射器引射来自压缩机出口的低温低压的制冷剂蒸气（2点），引射器出口得到中温中压的制冷剂蒸气（5点），进入冷凝器加热来自用户侧的热网回水。降温降压的制冷剂液体（6点）分为两路，一路通过增压泵增压，进入锅炉加热成为高温高压的制冷剂蒸气（1点）；另一路经过电子膨胀阀节流后进入蒸发器，吸收室外空气的热量，蒸发后的低温低压制冷剂蒸气（11点）经压缩机增压至进入引射器入口的状态（2点）。

    增压型引射式热泵系统的优势在于利用压缩机提高引射器的引射蒸气压力，改善引射器性能，从而使蒸发器能够从室外空气中获取更多的热量，提高整个系统的性能和供热效率。

    引射器是引射式热泵循环的核心部件，其结构如图3所示。

    引射器结构分为3个部分，吸入室、混合室和扩压室。引射器喷管入口的高温高压的蒸气称之为工作蒸气。工作蒸气进入喷管，膨胀加速并在喷管喉部t达到当地音速，最后以超音速的速度从喷嘴喷出，进入吸入室内，在吸入室内营造一个低压环境并卷吸喷射器入口的低温低压的蒸气。被卷吸的低温低压的蒸气称之为引射蒸气。工作蒸气和引射蒸气在混合室中进行充分混合，最终速度达到均匀。混合流体进入扩压室，发生动能向势能或者热能的转换。在扩压室的出口，混合蒸气的压力介于高压工作蒸气和低压引射蒸气之间。由此可见，引射器是一种压力驱动的蒸气压缩设备。

    引射器的性能不仅与入口蒸气的状态有关，还与其结构有关。引射器的性能指标以引射比表征，引射比定义为引射蒸气的质量流量与工作蒸气的质量流量的比值。引射比越大，说明引射器的性能越好。引射器的理论上的性能曲线如图4所示。对于结构一定，蒸气状态确定的引射器，存在最大的引射比，称之为临界引射比ω*；其对应的出口压力称之为临界背压Pc*。根据实际出口背压与临界背压的关系，引射器的工作性能可分为3种情况。当Pc≤Pc*时，引射器工作于临界工况，其引射比为常数；当Pc*＜Pc≤Po*时，引射器工作于亚临界工况，引射比随着出口背压的增大而减小；当Pc＞Po*时，引射器处于回流工况，无法正常工作。

3 数学模型

    3.1 计算模型的建立

    本文的研究中，采用EES对增压型引射式热泵建模，并计算该系统在供暖季的变工况运行性能。系统模型的建立主要分为引射器、压缩机、换热器以及性能计算方法。

    （1）引射器

    由于引射器是系统中的核心部件，因此，对于引射器模型的准确性成为系统模型的关键。引射器模型既需要考虑热力学性质，同时也需要考虑到气体动力学的性质。国内外有许多学者对引射器的模型进行研究，目前 以Huang^[9]的一维稳态气体动力学模型应用最为广泛。本文采用基于Huang模型的改进模型^[10] ，计算引射器临界工况及亚临界工况下的性能。

    引射器工作时，工作蒸气在喷管喉部达到当地音速，通过（1）式计算工作蒸气流量。

 

    式中：m_p—工作蒸气流量，kg/s；P_p—工作蒸气压力，Pa；A_t—喉部面积，m²；T_p—工作蒸气温度，K； —绝热指数；η_p—工作蒸气等熵效率，取0.95；R_g—摩尔常数，J/(kg.K)。

    工作蒸气以超音速的速度从喷嘴喷出并卷吸引射蒸气，两股蒸气在混合室中的y-y断面开始等压混合（即P_py=P_sy），并在m-m断面达到均匀，该过程满足能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程，如（2）-（4）式所示。

    m_p+m_s=m_m    （2）

        

    式中：m_s—引射蒸气流量，kg/s；m_m—混合蒸气质量，kg/s；v_py、v_sy—工作蒸气、引射蒸气在y-y断面的速度，m/s；v_m—混合蒸气速度，m/s；T_py、T_sy—工作蒸气、引射蒸气在y-y断面的温度，K；T_m—混合蒸气温度，K；C_p—定压比热，J/(kg.K)；Ψ_m—混合效率，取0.8-0.84。

    当引射器工作于临界状态时，引射蒸气在y-y断面的速度达到当地声速，即M_sy=1，此时计算得到的引射比和出口压力均为临界值。当M_sy＜1，计算得到的引射比和出口压力为亚临界值。引射蒸气的流量通过（5）式计算。

    

    式中：A_sy—引射蒸气在y-y断面占据的面积，m²；ρ_sy—引射蒸气在y-y断面的密度，kg/m³；η_s—引射蒸气等熵效率，取0.85。

    混合蒸气进入扩压室，发生动能向热能或势能的转化。扩压过程满足（6）式。

     

    式中：P_c—出口压力，Pa；P₃—3-3断面蒸气压力，Pa；M₃—流体在3-3断面的马赫数。

    （2）压缩机

    通过以上公式求解得到引射器的性能，而压缩机的采用效率模型，其等熵效率、容积效率以及压缩机耗功通过（7）-（9）式进行计算[11]。

   

    式中：η_ise—压缩机等熵效率；η_vol—压缩机容积效率；PR—压缩机进出口压比；W_com—压缩机耗功，kW；h_comi、h_como—压缩机进出口焓值，kJ/kg。

    （3）蒸发器和冷凝器

    换热器的换热过程满足能量守恒和传热方程，如式（10）-（12）。

    

    式中：Q—换热量，kW；m_f、m_l—制冷剂和换热流体流量，kg/s；Δh—制冷剂侧的进出口焓差，kJ/kg；ΔT—流体侧的进出口温差，K；ΔT_log—换热器对数平均温差，K；U—换热器综合换热系数，kW/(m²K)；A_he—换热面积，m²。

    （4）系统性能计算

    系统的性能采用系统COP和一次能源效率表征，计算中取燃气热效率0.95和燃气发电效率0.5。如式（13）、（14）所示。

   

    式中：COP—机组性能系数；Q_c、Q_g—冷凝换热量和锅炉加热量，kW；W_pump、W_comp—增压泵和压缩机功耗，kW；η_primary—一次能源效率。

    3.2 模型验证

    计算模型中，引射器的模型是关键，引射器模型计算的准确度直接影响到最终计算的结果。因此，着重对引射器临界工况和亚临界工况的引射比以及临界压力进行验证。Huang^[9]采用R141b作为工作介质，对多种结构的引射器进行了实验研究，本文采用文献[9]的实验数据验证模型的临界工况计算结果。Hemidi^[12]对以空气作为介质的引射器进行了CFD模拟以及实验研究，本文同时采用文献[12]的实验数据验证其亚临界状态的计算结果。本文所建模型的精度验证结果如图5所示。

 

    从误差分析结果可以看出，该模型计算临界工况的引射比误差在±10%之间，临界压力值得计算误差0~-10%之间；而亚临界工况的引射比计算误差在0%~20%之间，可用于系统的模拟分析。

4 增压型引射式热泵的供暖季运行性能分析

    4.1 建筑信息及负荷计算

    选取位于北京的一栋建筑为例，进行增压型引射式热泵系统供暖季的运行性能以及节能分析。该建筑总共7个单元，建筑面积共1050m2，每个单元的客厅和主卧室及次卧室采用辐射地板末端的全天供暖方式，厨房和卫生间不供暖。室内采暖出水设计温度为45℃。设定室内温度的最高温度为26℃，最低温度为18℃；采用北京典型年供暖季室外逐时温度（图6），利用DEST计算建筑在供暖季的逐时热负荷。按照11月15日起至次年3月15日为供暖季，其总供暖时间为2904小时，建筑的逐时负荷如图7所示。

    从计算结果可知，该建筑尖峰热负荷为79kW，因此机组设计容量应满足出现峰值负荷温度下的的热负荷需求，即热泵容量在-9℃环境温度下容量为80kW。

    4.2 设备及系统选型

    根据建筑的尖峰负荷选取相应的系统设备，并对增压型引射式热泵系统和常规的冷凝锅炉系统进行对比分析。设冷凝锅炉的效率（以天然气低位发热值为基准）不随外界的温度变化而变化，其容量及效率如表1所示。

    增压型引射式热泵在北京供暖室外设计温度-7.6℃^[13] 、冷凝器出水温度为45℃工况下，其性能参数如表2所示。

    引射式热泵采用R152a为工质，其主要物性如表3所示。该制冷剂临界温度不高，但临界压力较高，其物性特点有利于引射器的工作。

    在设计工况下，引射器的工作蒸气和引射蒸气的状态以及引射比如表4所示。

    4.3 供暖季运行性能分析比较

    取北京典型年供暖季室外逐时气候参数，计算增压型引射式热泵在整个供暖季的逐时一次能源效率，进而根据需要处理的建筑负荷，计算产生高温高压的驱动蒸气所需要的天然气量，并与传统的冷凝锅炉比较。图8为增压型引射式热泵随室外环境变化的一次能效逐时变化情况。图中结果结合室外气象参数变化情况可知，系统的一次能源效率和室外环境温度同步变化，当室外温度较高时，系统的一次能源效率较高。当环境温度为0℃，出水温度为45℃时，一次能源效率能够达到1.37。

    图9为供暖季增压型引射式热泵逐时的天然气消耗量的曲线。从图中可以看出，天然气消耗量的变化趋势和机组的一次能源效率的变化趋势相反，这是因为室外温度较高时，机组的性能较好，但此时机组所需要处理的建筑负荷较低，因此燃气消耗量小。整个供暖季的季节能效比为1.32，比天然气冷凝锅炉提高0.34。

    若采用冷凝锅炉进行供暖，按照冷凝锅炉效率98%计算，增压型引射式热泵相比冷凝锅炉，天然气消耗量有所减少，其逐时的燃气消耗减少量如图10所示。图中结果显示，当室外环境温度较低，建筑负荷较大时，增压型系统相比于冷凝锅炉的节能量更大。供暖季各月两种系统消耗的天然气量对比如图11所示。从图中的结果可以看到，在最冷月1月份，由于建筑负荷最大，因此消耗的天然气量为各月最大，天然气的节约量达725 m3，但节能率仅为24.5%，而11月份和3月份的节能率分别达到25%以上。因此，引射式热泵系统相比于冷凝锅炉，在室外环境温度较高时，节能效果更显著。从整个供暖季看，采用冷凝锅炉供暖，一共消耗7857m3天然气，而采用引射式热泵供暖共消耗天然气5822 m3天然气，天然气消耗量减少2035 m3，节能率达到25.9%。

5 结论

    本文提出了一个新型的热水制备系统的技术方案，通过压缩机增压解决传统引射式制冷循环在大压比下性能极差而无法用于热泵用途的问题。同时，建立了系统的数学计算模型和建筑的负荷模型，对系统供暖季的运行性能进行了分析与比较。模拟结果表明：以北京1050m2建筑为例，考察系统的供热性能，系统的制热量和能效随着环境温度的升高而提高，当环境温度为0℃，出水温度为45℃时，一次能源效率能够达到1.37。而引射式热泵系统在最冷月的节能量最大，但节能率最低，说明引射式热泵在环境温度较高时，节能性更好。相比于冷凝锅炉供暖，季节能效比提高0.34，天然气可节约2035 m3，节能率达到25.9%。

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    备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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