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1、毕业设计毕 业 设 计水-水燃气机热泵系统设计及性能分析 System Design and Performance Analysis of the Water Source Gas Engine Driven Heat Pump 摘要燃气热泵空调系统与传统的电动热泵系统相比，具有更高的一次能源利用率，可以提高冬季的制热效果，同时还能辅助提供生活热水。燃气机热泵可通过改变燃气发动机转速实现良好的部分负荷特性，是一种很有应用前景的空调热泵产品。本文针对水水燃气机热泵系统进行了设计，该系统主要包括燃气发动机子系统、制冷系统、余热回收系统以及冷热源子系统。通过余热回收系统，对发动机的缸套冷却水热量和
2、排气熟量进行了回收，这两部分热量是系统热泵运行的重要组成部分，大大提高了系统的一次能源利用率。与此同时，对装置各个部件进行了计算和选型，获得高效环保水水人燃气机热泵系统，并对使用天然气作为空调能源的可行性进行了评价。关键词:燃气机热泵系统；系统设计；余热回收；性能评价3AbstractCompared with the system of traditional electric driven heat pump, the gas heat pump has a higherenergy utilization rate. And it improves the heating effect
3、in winter, at the same time, it provides domestic hot water. The gas engine driven heat pump can achieve part of load characteristic by changing its engine speed. It is a kind of promising air conditioning products. This paper aims at the design of water gas engine driven heat pump system, mainly in
4、cluding gas engine subsystem, the refrigerating system, the heat recovery system, and the cold and hot source subsystem. By setting the heat recovery water system, the engine cylinder liner cooling water heat and exhaust heat is recovered. The two part of the heat is an important part of the operati
5、on of heat pump system. The calculation and type selection of machinery was done. Through this, we get a highly efficient and environmental friendly system. At the same time, the use of natural gas as the feasibility of air-conditioning energy is evaluated.Key Words: the system of Gas engine heat pu
6、mp；system design ；the recovery of waste heat ；performance evaluation目 录第一章 绪 论1一、 燃气机热泵研究背景1二、 燃气热泵空调的发展综述2三、 本文研究的主要内容6四、 小结6第二章 水-水燃气机热泵的装置设计7一、 水-水燃气热泵系统的工作原理和特点7（一） 水-水燃气机热泵系统的工作原理7（二） 水-水燃气热泵系统的特点8二、 系统的主要部件设计8（一） 制冷剂的选择9（二） 压缩机的选型计算10（三） 燃气发动机的选型13（四） 蒸发器、冷凝器选型计算14（五） 电子膨胀阀的选型17（六） 系统其他配件的选型20
7、（七） 燃气机热泵系统设计21三、 本章小结22第三章 水-水燃气机热泵系统的经济性能分析23一、 系统的经济性能分析23（一） 燃气机热泵寿命周期的成本分析23（二） 燃气机热泵年维护费用的分析24（三） 用户运行费用的分析24（四） 能源资源的消耗率分析和能源转换效率的比较24二、 系统环保性能分析27（一） 天然气的使用减轻了大气污染27（二） 能源消耗污染治理消费低28三、 小结29第四章 冷、热、电三联供实现技术手段和方法30一、 冷热电三联供系统30二、 燃气机热泵的三联供系统30（一） 发电机系统31（二） 余热利用系统31三、 燃气机热泵系统的冷热电三联供流程31四、 小结32
8、结 论33致 谢34参考文献35 第一章 绪 论一、 燃气机热泵研究背景 随着我国经济的快速发展，人民的生活水平不断提高，同时我国的能源需求不断加大，环境污染日益严重，能源问题和环境问题在经济高速增长的同时日益显现。因我国国民经济的高速发展，人民生活水平普遍提高，空调已经成为人们生活环境不可或缺的组成部分，从而促使我国的家用房间空调器和商业中央空调的迅速发展，中国是世界上继美国和日本后的第三大空调市场，而且中国在家用房间空调器方面产量居世界第一位。近年来，空调能耗也慢慢成为我国国民经济总能耗的不可忽视的一部分。这些空调设备是以电能为主要能源的，故而造成多方面不利影响。一方面，煤炭是我国发电的主
9、要能源，故而导致全球气候变暖和严重的环境污染；另一方面，由于大型用电量电器的过度使用，造成了我国在夏季用电高峰季节时出现电网不堪负荷。近来在大城市中电力供应越来越紧张，国家和有关部门已经逐渐开始用其他形式的能源来代替电能的1。近年来，由于我国“西气东输”等大型燃气工程的全面建设，全国各个城市燃气事业得以持续高速发展，进而加快了我国城市燃料结构调整的步伐，致使天然气将慢慢取代人工煤气和液化石油气而成为城市的主导气源。但是在北方大部分地区，夏天天然气的使用量相对较少，夏天三个月的天然气使用量只占冬季三个月用气量的1/3左右，致使夏季大量的燃气供应设施闲置，从而浪费了资源。在炎热的夏季（7、8、9月
10、），由于大量电动空调器的使用，使电力负荷率出现越来越大的不平衡。以上海市为例，1999年夏季用电尖峰负荷达到901.3万kW,其中空调用电325kW，占36%；2000年夏季用电尖峰负荷达到1047.6万kW，其中空调用电390万kW,占38.5%；2003年夏季上海遭遇到数十年未遇的酷暑天气，用电尖峰负荷已达1300万kW,其中空调用电负荷猛增至600多kW,占46%左右。 燃气的峰谷和电力的峰谷恰恰相反，但是由于夏季的环境温度比较高，以供热和采暖为主要目的的城市燃气用量日趋下降。在1月份上海市城市煤气最高日平均用气量为629万立方米m3，但是用气量最低是8月份，日平均用气量仅470万m3，
11、夏季用气仅为冬季的0.68倍。天然气是世界上仅次于煤和石油的第三大天然能源。目前为止，地球上己经探知的天然气储量大于140万亿立方米，如果按每年的开采量为2万多亿立方米来计算，则可持续开采68年。随着科学技术的高速发展，天然气的探明量增长很快，据科学家预测，天然气的探明量将会在未来十至二十年内超过石油，成为21世纪的主导能源。在2000年，我国每年的天然气勘探、开采量已达到250亿立方米。据有关专家预测我国天然气地质资源量目前已超过38万亿m3，具有良好的可采储量前景，按国际通用口径计算，预计可以开采95年，可见我国是世界上拥有丰富的天然气资源的国家之一。目前，国外石油产量和天然气的产量比为1
12、.37:1 左右，而我国为10:1左右，可见在天然气产量方面我国潜力比较大，故而在资源方面为推广使用我国燃气机热泵创造了良好的条件。热泵是靠高位能的拖动，将热量从低位热源传递给高位热源，由于在转移过程中吸取了低位热能的热量，以致提高了热能的利用率。在获取当量热能时，节约了大量燃料。供暖热泵与电加热方式比较可知，利用热泵可以提供消耗电力4倍多的热量；或者说，在提供相同热量时，可以节省76.5%的电力。热泵供暖比锅炉供暖在理论上是先进的。同时天然气是清洁能源，燃烧后的排放物较少，可以减少温室气体的排放总量及其他导致大气污染的污染物。燃气热泵使用清洁能源燃气，每万平米建筑面积年可减排约200多吨CO
13、2，同时可减少NOx、SO2排放。发展燃气机热泵，将燃气由传统的取暖、供热用于空调制冷，既节省了夏季大量的电力消耗，改善了电力负荷率，充分利用夏季过剩的燃气，平衡了燃气的峰谷，从而实现了燃气与电力企业双赢最佳效果。图1.1 相同发热量燃料排出率如图1.1所示，与石油、煤炭等黑色能源相比，天然气在燃烧过程中，几乎不产生二氧化硫，可吸入悬浮微粒、氮氧化物、一氧化碳等影响人类呼吸系统健康的物质极少，而产生的二氧化碳的排放仅是煤的0.4倍，并且天然气燃烧之后也没有废水、废渣的排出。因此，燃气机热泵有利于保护大气环境，减少地球的温室效应和其他污染物对大气环境的影响。尤其在当今世界，人们对人类生存环境愈来
14、愈关注，愈来愈重视对环境的保护，这使得燃气机热泵得到了较大的发展空间2。 燃气机热泵在技术上的可行性:众所周知，人们对内燃发动机的探索研究已有百余年，现今，内燃发动机一直作为各类交通运输工具、农业机械、武器平台、工程机械等可移动设备的主要动力，也是是目前已知应用最广的非电能动力。内燃机制造工艺先进、技术成熟、性能稳定可靠、使用寿命长、工作效率高、维修方便、零部件互换性高、生产成本低、产品质量稳定、价格相对低廉，因而如果把内燃机引进制冷空调领域，用以替代电能动力，必将会使制冷设备的应用范畴得以扩展。目前为止,除少数公路、铁路冷藏运输车辆使用的小型制冷设备之外，尚无内燃式制冷机组用于集中空调系统和
15、大中型制冷的先例。因为内燃机是固定运行的，从而大大延长了其使用寿命。目前已知燃气机的运行寿命可达到 2000060000小时，以美国普通用户为例，燃气机每年平均运转约20004000小时，因而燃气压缩式热泵的服务寿命可达1020年。今后，如果进一步将国外的多种新技术与国内自己的独特创新技术相结合，必将促进多种形式的燃气空调系统迅速发展3。二、 燃气热泵空调的发展综述燃气热泵空调机组，简称GHP（Gas Heat Pump），就是以燃气为动力驱动空调压缩机，从而实现制冷和制热。它是以管道天然气和瓶装液化气为能源，通过高性能的燃气发动机组驱动空调压缩机，达到制热制冷目的。EHP中央空调室内机部分完全和GHP中央空调相同，但是GHP中央空调的室外机是以燃气为能源，相对于一般EHP的价格GHP的初投资费用要略高，但减少了30%40%运行费用。除此之外，与电力空调机相比，燃气热泵节省电能，启动快，而且尤耐严寒。燃气机热泵利用天然气热值高的特点，系统运转后可即刻吹出暖风，即使是在恶劣的寒冬，也能在零下20度迅速制热。并且，燃气机热泵的耗电量仅为电力空调的1/10，既节约了用户电能费用，又缓解冬两季的用电高峰压力。燃气机热泵的第一台样机是在1945年由美国开利公司
