燃料驱动无电热泵系统的节能模拟与运行经济性分析_胡亚飞.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期燃料驱动无电热泵系统的节能模拟与运行经济性分析胡亚飞1，2，3，4，冯自平1，3，4，5，6，田佳垚1，2，3，4，黄冲1，3，4，5，宋文吉1，3，4（1 中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2 中国科学院大学，北京 100049；3 中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；4 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东 广州 510640；5 中科广能能源研究院（重庆）有限公司，重庆 401331；6 淄博能源研究院，山东 淄博 255300）摘要：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%。关键词：无电热泵；冷热电联供；一次能源利用率；热回收；分布式能源系统中图分类号：TE09；TK11 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1217-11Energy saving simulation and operation economic analysis of fuel driven non-electric heat pump systemsHU Yafei1，2，3，4，FENG Ziping1，3，4，5，6，TIAN Jiayao1，2，3，4，HUANG Chong1，3，4，5，SONG Wenji1，3，4(1 Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3 CAS Key Laboratory of Renewable Energy,Guangzhou 510640,Guangdong,China;4 Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou 510640,Guangdong,China;5 ZKG Energy(Chongqing)Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 401331,China;6 Zibo Energy Research Institute,Zibo 255300,Shandong,China)Abstract:A new heat pump technology for fuel driven non-electric heat pump system(NEHP)was proposed.NEHP uses one system to meet the demand for cooling in summer,heating in winter,providing domestic hot water throughout the whole year,and supplying a certain amount of domestic electricity as necessary.It is a distributed energy system that can combine cooling,heating and power(CCHP).In this paper,a novel technology of NEHP was described in detail based on the principle and design idea.The energy saving performance of the NEHP technology application was simulated and calculated,and the operation economic analysis was comprehensively analyzed.NEHP technology was suitable for use in 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0854收稿日期：2022-05-09；修改稿日期：2022-05-31。基金项目：国家重点研发计划（2021YFE0112500）。第一作者：胡亚飞（1989），男，博士研究生，研究方向为低碳节能技术及先进热泵技术。E-mail：。通信作者：冯自平，研究员，博士生导师，研究方向为空调、热泵、蓄能、储电、联合循环、工业节能等技术领域。E-mail：。引用本文：胡亚飞,冯自平,田佳垚,等.燃料驱动无电热泵系统的节能模拟与运行经济性分析J.化工进展,2023,42(3):1217-1227.Citation：HU Yafei,FENG Ziping,TIAN Jiayao,et al.Energy saving simulation and operation economic analysis of fuel driven non-electric heat pump systemsJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1217-化工进展，2023，42（3）areas lacking or without electricity,which had the incomparable applicability advantages compared with electric heat pumps(EHP).It can be used in areas where both gas and electricity were abundant as well,and had a wide range of application scenarios.For the NEHP-G system by using natural gas,it will have lower operating costs than that of EHP in the modes of heating or cooling if the ratio of natural gas price to electricity price(rge)was less than a fixed value.The fixed values of rge were 4.17 at rated heating mode,5.62 at rated cooling mode with waste heat recovery,and 3.06 at rated cooling mode without waste heat recovery,respectively.Taking the prices of commercial gas and electricity in Chongqing in 2021 as an example,compared with EHP,the operating cost of NEHP-G can save 42.17%47.49%in the heating season,48.22%in the cooling season with waste heat recovery,and 32.26%in the cooling season without waste heat recovery,respectively.The cost saving of NEHP-G was significant,and it had huge market application potential.Keywords:non-electric heat pump;combined cooling,heating and power(CCHP);primary energy ratio;heat recovery;distributed energy system近年来随着经济的快速发展，人们对自身居住条件的要求越来越高，使得夏季供冷与冬季供热已逐步成为人们日常生活的必备需求。热泵空调是一种利用逆卡诺循环的原理，通过外界做功或提供一定的能源手段将低温热源的热量搬迁至高温热源进行释放的一种高效节能技术1-2，若用户使用吸热端（低温热源）则为空调制冷，反之利用放热端（高温热源）则为热泵制热。热泵空调系统可将供冷与供热两功能合二为一，因具有较高的节能优势而得到了广泛应用3-4。热泵空调技术通常有蒸气压缩式、吸收式与吸附式等5，但通常所说的热泵空调都是基于使用压缩机的蒸气压缩式的原理，这也是在热泵空调领域应用最为广泛的技术。蒸气压缩式热泵系统按照供给压缩机动力源的不同主要可分为电动热泵（electric driven heat pump，EHP）与燃气热泵（gas engine-driven heat pump，GHP）6-8两大类。EHP 通常使用全封闭式压缩机，电动机与压缩机密封在一个壳体内，此时热泵系统能源消耗主要集中在压缩机上。GHP采用开式压缩机，将给EHP提供动力的电动机变更为燃气发动机，从而使用燃气发动机来驱动开式压缩机完成制冷或制热循环9-11，发动机与压缩机间一般使用皮带进行能量传递。GHP的发动机使用气体燃料如天然气、液化石油气（LPG）、沼气等12，发动机因燃料类别的不同有燃气发动机和燃油类发动机（燃油类如柴油、汽油等）两大类，燃油类发动机以柴油机为代表，本文以柴油发动机作为燃油类发动机的代表作说明，使用柴油发动机驱动的热泵系统称作燃油热泵（diesel engine-driven heat pump，DHP）。然而，世界范围内缺电或无电地区众多，缺电地区如尼日利亚、巴基斯坦等国家，无电地区如边防哨所、海岛哨所、作战指挥所等军用场所，对于此类缺电或无电地区的冷暖供应而言，EHP 及GHP（或DHP）已不再适宜使用。基于此，本文创新性提出了在GHP或DHP系统的发动机侧增加发电机及相关储能电池，发动机运行时同时带动压缩机和发电机，发电机发电供给室内外机的耗电设备，使用储能电池供电给控制系统并启动发动机，进而实现构建完全无电运转的创新型热泵系统。无电热泵系统（non-electric heat pump，NEHP）基于使用一次能源燃料（如天然气、液化石油气、沼气、柴油等）而完全无需外界提供电力，NEHP系统对缺电及无电地区的冷、热、电多联供提供了一种新思路，在民用及军用场景应用均极富有前景和现实意义。文中针对使用燃气的无电热泵NEHP-G系统，进行了燃料驱动NEHP系统在制热及制冷模式下相比于EHP系统的节能模拟及运行经济性分析，为我国大规模应用燃料驱动无电热