流体机械

设备名称	型号	额定出力/（t⋅h^-1）	额定压力/MPa	燃料种类
燃气蒸汽锅炉	WNS2-1.25-Q	2	1.25	天然气

设备名称	型号	额定出力/（t⋅h^-1）	额定压力/MPa	燃料种类
燃气蒸汽锅炉	WNS2-1.25-Q	2	1.25	天然气

参数	数值
热水流量/（m³⋅h^-1）	0.7
制热量/kW	42
输入功率/kW	13.8
温度/℃	50（进水）/125（出水）
COP	3.07

参数	数值
热水流量/（m³⋅h^-1）	0.7
制热量/kW	42
输入功率/kW	13.8
温度/℃	50（进水）/125（出水）
COP	3.07

参数	仪器名称	仪器精度	仪器量程
换热器进出口烟气温度	温度计	±0.1 ℃	0~300 ℃
循环水流量	超声波流量计	5‰	2~20 m³/h
蒸发器进出水温度	温度传感器	±0.1 ℃	0~150 ℃
冷凝器进出水温度	温度传感器	±0.1 ℃	0~150 ℃
冷凝器侧给水流量	超声波流量计	5‰	2~20 m³/h
热泵功率	电功率计	0.5‰	40 A（最大测量电流）
燃气流量	燃气流量计	5‰	—

参数	仪器名称	仪器精度	仪器量程
换热器进出口烟气温度	温度计	±0.1 ℃	0~300 ℃
循环水流量	超声波流量计	5‰	2~20 m³/h
蒸发器进出水温度	温度传感器	±0.1 ℃	0~150 ℃
冷凝器进出水温度	温度传感器	±0.1 ℃	0~150 ℃
冷凝器侧给水流量	超声波流量计	5‰	2~20 m³/h
热泵功率	电功率计	0.5‰	40 A（最大测量电流）
燃气流量	燃气流量计	5‰	—

燃气锅炉与高温热泵耦合系统性能关键影响参数研究

朱雅雯 ¹ , 张艳伟 ¹ , 蔡晓锋 ¹ , 孙云 ¹^,² , 赵欢欢 ³ , 尤建钢 ³ , 王钰钰 ³ , 高晨晨 ⁴

流体机械 | 设计计算 2025,53(12): 87-93

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (12) : 87 -93

燃气锅炉与高温热泵耦合系统性能关键影响参数研究

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朱雅雯¹, 张艳伟¹, 蔡晓锋¹, 孙云¹^,², 赵欢欢³, 尤建钢³, 王钰钰³, 高晨晨⁴

作者信息

¹上海工业锅炉研究所有限公司，上海 201114

²合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

³霍尼韦尔高新材料（中国）有限公司，江苏苏州 215600

⁴山东神舟制冷设备有限公司，济南 250200

通讯作者:

蔡晓锋（1976），男，高级工程师，主要从事高效清洁锅炉产品技术开发、节能减排改造等方面的研究工作，通信地址：201114上海市闵行区新骏环路138号浦江高科技园区上海工业锅炉研究所有限公司，E-mail：13917298136@126.com。

作者简介:

朱雅雯（1995），女，工程师，主要从事工业锅炉产品设计开发等方面的研究工作，E-mail：zerozoe.412@outlook.com。

Study on key influencing parameters of performance in gas boiler and high‑temperature heat pump coupled system

Yawen ZHU¹, Yanwei ZHANG¹, Xiaofeng CAI¹, Yun SUN¹^,², Huanhuan ZHAO³, Jiangang YOU³, Yuyu WANG³, Chenchen GAO⁴

Affiliations

¹Shanghai Industrial Boiler Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 201114，China

²Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Heifei 230031，China

³Honeywell Advanced Materials（China） Co.，Ltd.，Suzhou 215600，China

⁴Shandong Shenzhou Refrigeration Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250200，China

出版时间: 2025-12-31 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.010

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摘要

收起

为研究燃气锅炉与高温热泵耦合系统性能的关键影响参数，通过改造既有燃气锅炉，搭建锅炉耦合高温热泵试验台，探究了锅炉负荷、循环水流量及冷凝器给水流量对系统性能的影响规律。研究表明，在锅炉负荷35%~95%范围内，负荷每增加10%，烟气余热回收量、高温热泵出水温度和制热性能系数（COP）分别平均提升8.08%，4.72%和3%；锅炉负荷90%工况下，在3~11 m³/h循环水流量范围内，流量每增加2 m³/h，烟气余热回收量和烟气余热回收率分别平均提升4.86%和2.06%，高温热泵出水温度和COP分别平均提升3.46%和3.4%；在0.5~0.7 m³/h冷凝器给水流量范围内，流量每增加0.05 m³/h，高温热泵出水温度平均降低7.1 ℃。采用高温热泵将冷凝器给水温度从29.3 ℃提升至123.7 ℃，高温热泵COP达3.13，锅炉排烟温度降至43.5 ℃，实现烟气余热回收率5.02%。研究为燃气锅炉耦合高温热泵系统运行参数优化提供理论依据，有利于高温热泵产品在锅炉烟气余热回收方面的推广应用。

关键词

燃气锅炉 / 高温热泵 / 烟气余热回收 / 制热性能系数

Abstract

收起

To investigate the key influencing parameters on the performance of a coupled system of gas boilers and high‑temperature heat pumps（HTHP），an existing gas boiler was retrofitted to establish a boiler‑coupled high‑temperature heat pump experimental platform.The effects of boiler load，circulating water flow rate，and condenser water supply flow rate on system performance were explored.The study shows that within the boiler load range of 35% to 95%，for every 10% increase in load，the flue gas waste heat recovery amount，high‑temperature heat pump outlet water temperature，and heating coefficient of performance （COP） increased by an average of 8.08%，4.72% and 3%，respectively.Under the condition of 90% boiler load and within the circulating water flow rate range of 3 to 11 m³/h，for every increase of 2 m³/h in flow rate，the flue gas waste heat recovery amount and recovery rate increased by an average of 4.86% and 2.06%，respectively，while the high‑temperature heat pump outlet water temperature and COP increased by an average of 3.46% and 3.4%，respectively.Within the condenser water supply flow rate range of 0.5 to 0.7 m³/h，for every increase of 0.05 m³/h in flow rate，the high‑temperature heat pump outlet water temperature decreased by an average of 7.1 ℃.By using the high‑temperature heat pump to raise the condenser water supply temperature from 29.3 ℃ to 123.7 ℃，the high‑temperature heat pump COP reached 3.13，the boiler exhaust gas temperature dropped to 43.5 ℃，and a flue gas waste heat recovery rate of 5.02% was achieved.This study provides a theoretical basis for optimizing the operational parameters of gas boiler‑coupled high‑temperature heat pump systems and facilitates the promotion and application of high‑temperature heat pump products in boiler flue gas waste heat recovery.

Key words

gas boiler / high‑temperature heat pump（HTHP） / flue gas waste heat recovery / heating coefficient of performance

引用本文

朱雅雯, 张艳伟, 蔡晓锋, 孙云, 赵欢欢, 尤建钢, 王钰钰, 高晨晨. 燃气锅炉与高温热泵耦合系统性能关键影响参数研究. 流体机械, 2025 , 53 (12) : 87 -93 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.010

Yawen ZHU, Yanwei ZHANG, Xiaofeng CAI, Yun SUN, Huanhuan ZHAO, Jiangang YOU, Yuyu WANG, Chenchen GAO. Study on key influencing parameters of performance in gas boiler and high‑temperature heat pump coupled system[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (12) : 87 -93 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.010

正文

收起

0　引言

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联合国环境规划署报告显示，2022年全球温室气体排放量达到574亿吨二氧化碳当量，创下历史新高^［1］。传统燃气锅炉能耗高、排放高^［2］，排烟温度在120 ℃左右。降低排烟温度、充分回收烟气余热是提升燃气锅炉热效率、减少碳排放的重要途径^［3-6］。燃气锅炉与高温热泵耦合系统一方面可有效降低锅炉排烟温度至露点温度以下，显著提高烟气余热回收率^［7-8］；另一方面，高温热泵出水温度达120 ℃^［9-12］，可满足多种工业领域对中高温热能的需求^［13-16］，同时采用电压缩式高温热泵耦合系统，可提高风电、光电等绿电消纳率。

国内外学者对燃气锅炉与热泵耦合系统进行了一系列研究。WU等^［17］提出一种压缩式热泵耦合冷凝式燃气锅炉低温烟气回收方案，试验结果表明，当烟气换热器进水温度为15 ℃时，机组总热功率可达645 kW，系统整体一次能源利用率可达110%，同时消除了“白烟现象”。HEBENSTREIT等^［18］提出一种用于生物质锅炉余热回收的主动冷凝系统，压缩式热泵用于回收锅炉烟气余热，结果表明，一次能源利用率提高3%~21%。张群力等^［19］通过对助燃空气加湿，显著提高了烟气的露点温度，有助于低氮排放和充分的余热回收，试验结果表明，当助燃空气湿度比从0增加到49.0 g/kg时，烟气露点温度升高6.4 ℃。孙健等^［20］搭建了热泵烟气余热深度回收试验平台，将热网回水温度从42.9 ℃提升至60.0 ℃，实际余热回收功率占锅炉平均功率的8.7%，热泵平均制热性能系数COP约为5.4。刘高伟等^［21］提出一种热泵式烟气余热回收系统，研究了蒸发器出水温度、蒸发器侧水流量对系统性能的影响。邓世丰等^［22］搭建了燃气锅炉烟气余热回收试验平台，分析了热泵回收烟气冷凝热对锅炉系统效率的影响，结果表明，随着锅炉本体负荷和回水温度的升高，耦合热泵后的锅炉热效率提升幅度越高。

上述研究的锅炉耦合压缩式热泵系统出水温度范围为45~60 ℃，出水温度低，多用于采暖，应用场景单一。此外，目前针对燃气锅炉与高温热泵耦合系统的设计与运行规律研究相对较少，系统性能理论分析与工程实践应用尚不充分。本文选用一台型号为WNS2-1.25-Q燃气锅炉与电压缩式高温热泵机组搭建耦合系统，探究锅炉负荷、循环水流量和冷凝器给水流量对系统性能的影响规律。通过试验研究，从4个方面（烟气余热回收量、烟气余热回收率、高温热泵COP、高温热泵出水温度）对耦合系统性能进行综合评价。

1　燃气锅炉耦合高温热泵系统介绍

收起

1.1　主要设备参数及工作流程

试验系统搭建于某锅炉房内，燃气锅炉生产蒸汽作为溴化锂机组的驱动热源。锅炉耦合高温热泵系统由锅炉、翅片管换热器、高温热泵、循环水泵和给水泵等组成。锅炉参数如表1所示。

高温热泵机组性能参数如表2所示。制冷剂采用R1233zd（E）。

燃气锅炉耦合高温热泵系统工作流程如图1所示。

该系统工作流程由4部分组成：烟气余热回收回路、翅片管换热器-蒸发器水循环回路、高温热泵制冷剂循环回路和热泵冷凝器给水高温输出回路。利用翅片管换热器将燃气锅炉烟气中的显热和水蒸气凝结潜热高效回收，并通过高温热泵进一步提升热能品位，生成120 ℃高温水。在热泵烟气余热回收方面，烟气通过与低温介质的间接换热方式实现热量回收，从而降低排烟温度，提高烟气余热利用率。燃气锅炉耦合高温热泵系统见图2。

1.2　测点参数及仪器

试验测点参数及仪器如表3所示。

2　耦合系统性能评价指标

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2.1　烟气余热回收量

锅炉排放烟气进入翅片管换热器与循环水热交换，烟气中的显热和水蒸气冷凝潜热通过翅片管换热器传递给低温循环水。烟气余热回收量为烟气显热与水蒸气冷凝潜热之和，计算式如下：

Q z = (Q x r + Q q r) /

（1）

其中：

Q x r = m y c y p (t 2 - t 1)

（2）

Q q r = h f g m y r γ

（3）

式中，

Q z

为烟气余热回收量，kW；

Q x r

为烟气显热回收量，kJ；

Q q r

为烟气潜热回收量，kJ；

m y

为烟气质量流量，kg/h；

c y p

为烟气定压比热容，kJ/（kg⋅℃）；

t 1

，

t 2

为翅片管换热器进、出口烟气温度，℃；h_fg为水蒸气冷凝潜热，kJ/kg，取h_fg=2 300 kJ/kg；

r

为烟气中的水蒸气质量占比，%；

γ

为烟气中水蒸气的冷凝率，%。

2.2　烟气余热回收率

将耦合系统烟气余热回收量与燃气锅炉输入热量之比定义为烟气余热回收率，其计算式如下：

η' = Q z B Q n e t, a r / 3 600

（4）

式中，

η'

为烟气余热回收率，%；

B

为燃料消耗量，m³/h；

Q n e t, a r

为燃料收到基低位发热量，kJ/m³。

2.3　高温热泵COP

高温热泵COP计算如下：

C O P = Q h p / W h p

（5）

其中：

Q h p

（6）

式中，

Q h p

为高温热泵制热量，kW；

W h p

为高温热泵输入功率，kW；

c w p

为水的定压比热容，kJ/（kg⋅℃）；

m w

为高温热泵冷凝器给水流量，kg/s；

t o u t

为高温热泵冷凝器出水温度，℃；

t i n

为高温热泵冷凝器进水温度，℃。

2.4　高温热泵出水温度

高温热泵出水温度是评价热泵机组性能和适用范围的重要参数之一，尤其在工业应用中具有关键意义^［13-16］。该试验系统将高温热泵出水温度作为耦合系统评价指标之一，并研究耦合系统不同参数变化对高温热泵出水温度的影响规律。

3　结果与讨论

收起

3.1　锅炉负荷对系统性能的影响

3.1.1　对烟气余热回收性能的影响

在保持循环水流量11.0 m³/h、冷凝器给水流量4.8 m³/h的条件下，通过调节燃烧器控制系统燃烧率，将锅炉负荷分别设定为35%，45%，55%，65%，75%，85%和95%。锅炉负荷变化对烟气余热回收性能的影响如图3所示。与低负荷工况相比，锅炉高负荷工况下单位时间内天然气消耗量更多且燃烧更充分，烟气量增多、烟气温度升高，烟气流速和换热器温差增大，从而使烟气余热回收量提高。

以锅炉负荷65%时的烟气余热回收量为基准进行分析，结果显示，锅炉负荷每升高10%，烟气余热回收量平均提升8.3%；锅炉负荷每降低10%，烟气余热回收量平均下降7.86%。在锅炉负荷35%~95%范围内，负荷每增加10%，烟气余热回收量平均提升8.08%，烟气余热回收率随负荷变化幅度较小，整体保持相对稳定。尽管实际烟气余热回收热量随负荷增加而上升，但锅炉输入热量也同步增加，使得两者比值变化较小。另外，在整个试验过程中，翅片管换热器面积和水流量均固定，其换热能力始终受限于换热器本身，导致在不同负荷下烟气余热回收率变化幅度不大。

3.1.2　对高温热泵出水温度及COP的影响

在保持循环水流量11.0 m³/h、冷凝器给水流量4.8 m³/h的条件下，开展了锅炉负荷变化对高温热泵性能的影响试验。试验结果如图4所示。在锅炉负荷35%~95%范围内，锅炉负荷每增加10%，高温热泵出水温度和COP分别平均提升4.72%和3%。

为系统分析锅炉负荷变化对高温热泵性能的影响机理，试验记录了翅片管换热器进、出口烟气温度和出水温度随锅炉负荷变化的情况，结果如图5所示。可以看出，锅炉负荷升高时，换热器出水温度上升，作为热泵蒸发器热源的水温也随之升高，从而提高高温热泵的蒸发温度，最终推动高温热泵出水温度升高。循环水侧温度升高使得蒸发器温差减小、传热效率提升，制冷剂在蒸发段更易汽化，压缩机负荷减轻，从而降低压缩机能耗，提高高温热泵COP。

分别以锅炉负荷65%时高温热泵出水温度、高温热泵COP为基准，锅炉负荷每升高10%，高温热泵出水温度平均增加3.58%，高温热泵COP平均增加2.04%；锅炉负荷每降低10%，高温热泵出水温度平均降低5.86%，COP平均降低3.95%。但在锅炉负荷从85%升高至95%时，高温热泵COP从3.2降至3.18，因本系统设计工况锅炉负荷为85%，该负荷下锅炉烟气所带的热量更易满足或超过高温热泵工质的汽化需求，系统热量匹配性更强，所以锅炉负荷95%时，高温热泵COP略有降低。

3.2　循环水流量对系统性能的影响

3.2.1　对烟气余热回收性能的影响

在冷凝器给水流量为4.8 m³/h工况下，开展了不同循环水流量对系统烟气余热回收性能的影响试验。试验结果如图6所示。当锅炉负荷不变时，随着循环水流量的升高，烟气余热回收量和回收率均呈现持续上升趋势，表明循环水流量是影响余热回收效果的重要参数。

为进一步分析系统余热回收性能随循环水流量变化的幅度，以循环水流量3 m³/h时的烟气余热回收量作为基准，对比研究了锅炉负荷分别为75%和90%时的变化情况，结果如下：在3~11 m³/h范围内，循环水流量每增加2.0 m³/h，烟气余热回收量分别增加4.09%，5.17%，3.49%，2.67%，平均增加3.86%；同时烟气余热回收率分别提升3.87%，3.12%，1.03%，0.85%，平均提升2.22%；锅炉负荷为90%时，循环水流量每增加2 m³/h，烟气余热回收量分别增加4.9%，7.47%，4.41%，2.66%（平均增加4.86%），烟气余热回收率分别提升3.87%，3.12%，1.03%，0.21%（平均提升2.06%）。结果表明，随着循环水流量持续增加，单位增量所带来的回收提升幅度逐渐趋缓，但整体上仍表现出促进作用。

3.2.2　对高温热泵出水温度及COP的影响

循环水流量对蒸发器出水温度的影响如图7所示。可以看出，当锅炉负荷一定时，增加循环水流量可有效提高蒸发器的出水温度，为后续高温热泵系统提供更稳定的热源条件。锅炉低负荷运行时，蒸发器出水温度偏低，此时高温热泵吸热受到限制，可能影响压缩机稳定运行。

高温热泵出水温度及COP随循环水流量变化如图8所示。在热泵输入功率基本不变时，COP与制热量呈正比；循环水流量升高增强了翅片管换热器的传热能力，使蒸发器吸热量增加，从而提高了高温热泵的制热能力和COP。以循环水流量为3 m³/h工况下的高温热泵出水温度和COP为基准，对比不同流量幅度的变化，结果如下：锅炉负荷为90%时，循环水流量每增加2.0 m³/h，高温热泵出水温度和COP平均升高3.46%和3.4%，最大增幅分别为10.82%和7.36%，随后逐渐趋缓。

3.3　冷凝器给水流量对高温热泵出水温度及COP的影响

高温热泵出水温度和COP还受冷凝器给水流量的影响。在锅炉负荷85%、循环水流量11 m³/h、给水温度29.3 ℃时，试验研究了不同冷凝器给水流量对高温热泵出水温度及COP的影响。试验结果如图9所示。

在锅炉负荷85%、循环水流量11 m³/h情况下，高温热泵制热量几乎保持恒定，导致高温热泵COP随冷凝器给水流量变化不明显，但高温热泵出水温度随冷凝器给水流量的增加而降低。在0.5~0.7 m³/h冷凝器给水流量范围内，流量每增加0.05 m³/h，高温热泵出水温度分别降低3.2，4.9，7.0，13.4 ℃，平均降低7.1 ℃。由此看出，流量每增加0.1 m³/h，高温热泵出水温度变化明显。在实际运行过程中，通过改变电动调节阀开度，并根据高温热泵出水温度和需求温度微调冷凝器给水流量，当高温热泵出水温度低于需求温度时，减小冷凝器给水流量；当高温热泵出水温度高于需求温度时，增加冷凝器给水流量。

基于上述锅炉负荷、循环水流量及冷凝器给水流量对系统性能影响规律的分析，在综合考虑烟气余热回收效果与高温热泵稳定运行的前提下，选取锅炉负荷95%、循环水流量11 m³/h对系统性能进行评价。试验结果显示，在该工况下，锅炉排烟温度可降至43.5 ℃，烟气余热回收率达到5.02%；同时，高温热泵可将冷凝器给水温度由29.3 ℃提升至123.7 ℃，对应高温热泵COP为3.13。结果表明，在高负荷运行条件下，通过合理匹配循环水参数与冷凝器给水流量，锅炉烟气余热与高温热泵系统可实现良好的热量耦合，并保持稳定运行。与常规中低温热泵耦合锅炉系统效率提升达4.4%~10.4%^［22］相比，存在一定差距。高温热泵为获得120 ℃热水，蒸发温度较高，限制了锅炉排烟温度的进一步降低，从而影响烟气余热回收率的上限。针对上述不足，未来可通过优化换热器结构设计和循环水参数配置或采用多级热泵机组，进一步降低排烟温度，提高烟气余热回收率，为燃气锅炉节能降碳提供更加成熟的技术路径。

4　结论

收起

（1）锅炉热负荷影响锅炉出口处烟气温度和烟气量，进而影响烟气余热回收、高温热泵制热能力和高温热泵COP。提高锅炉热负荷或增加翅片管换热器-蒸发器循环水流量，均可以提高系统烟气余热回收量、高温热泵出水温度和高温热泵COP。

（2）高温热泵出水温度随冷凝器给水流量的增加而降低。在冷凝器给水流量为0.5~0.7 m³/h范围内，冷凝器给水流量每增加0.05 m³/h，高温热泵出水温度平均降低7.1 ℃。

（3）在锅炉负荷调节至95%、循环水流量为11 m³/h时，锅炉排烟温度降至43.5 ℃，烟气余热回收率为5.02%，高温热泵将冷凝器给水温度从29.3 ℃提升至123.7 ℃，高温热泵COP达3.13，具有较好的节能降碳效益和更广泛的推广应用范围。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第12期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.010

接收时间：2025-08-15
首发时间：2026-10-22
出版时间：2025-12-31

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收稿日期：2025-08-15

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作者信息

¹上海工业锅炉研究所有限公司，上海 201114

²合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

³霍尼韦尔高新材料（中国）有限公司，江苏苏州 215600

⁴山东神舟制冷设备有限公司，济南 250200

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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