燃气发动机热泵

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摘要：燃气发动机热泵除能保证一般热泵功能外，还能利用发动机余热，这样既能提高热泵运转时的性能系数，又能克服热泵在环境低温时加热性能下降的缺点。同时，燃气发动机热泵还具有节能、环保、能源利用率高等特点，并且随着我国天然气的“西气东输”工程的实现，天然气作为一种能源可以分担相应的空调负荷份额，其应用可缓解城市电力供应不足的问题，因此，天然气发动机热泵具有广阔的发展前景。本文主要介绍燃气发动机热泵的工作原理、特点、在暖通空调中的应用及发展前景。

关键词：燃气发动机热泵余热工作原理能源利用率发展前景

1 概述

热能是空调动力源的第二大能源，它可以作为一种补充能源来缓解电力供应不足的压力。如今的能源要求逐渐呈现多样化、均衡化的发展趋势，天然气能源的广泛应用在一定程度上减轻了空调负荷，尤其在冬季民用燃气负荷增大而夏季较小的情况下，采用燃气充当空调能源，使其和电力能源一起构成彼此互补的多元能源，往往能有效减轻电力负荷，达到节约能源的目的。燃气发动机热泵中只有风机耗电，同样能量的燃气发动机热泵，其耗电量只有电空调机组的1/10[1]。燃气发动机热泵可充分使用发动机的排热，热利用系数高，可回收各种余热而提供高品位的热源。同时，外界空气温度不会对其能量产生过多的影响，可以在短时间内提供采暖用热量。

2 燃气发动机热泵概述

2.1 燃气发动机热泵的工作原理

在工作原理方面，燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵基本等同于电力驱动的热泵供热原理，不同的只是电动热泵中的电动机发被动机所取代。根据燃气发动机所用的燃料成分及其相关比例，预先调整空气、燃气之间的混合比，调压后的空气和燃气混合进入发动机燃烧。燃气通过燃气发动机充分燃烧，产生的热能转化成的机械能可充当热泵系统压缩机运行的驱动力，压缩机在燃气发动机的带动下运转形成热泵循环，从而将低品位的热能转化成高品位热能进行供热。另外，可采用缸套中的冷却水使发动机冷却，以确保发动机能够正常运转，然后通过一定的设备装置回收缸套中冷却水带出的热量。同时，燃气发动机的排烟温度也高达550 ℃，可利用烟气换热器将这部分热量回收。缸套水和烟气部分回收的热量可根据需要和系统的实际情况用于生活热水、供热或通过单效溴化锂制冷机进行供冷。

2.2 燃气发动机热泵的分类

燃气发动机驱动热泵系统的主要分类：直接型―利用燃气发动机直接带动冷水或热泵机组满足空调需求；间接型―利用燃气发动机带动发电机，产生二次能源[2]。还可以将卸载机构加设在燃气发动机上，以确保在不同时段切换被驱动件，我们称之为复合型燃气发动机热泵(见图1)。其中，根据空调的使用功能还可以将直接型分为只提供制冷的单冷系统和冷热联供的热泵机组。

2.3 燃气发动机热泵的特点

燃气发动机热泵机组主要具有如下特点：

①燃气热泵空调采用充分燃烧、清洁的燃气，以降低CO2的排放量，既清洁又环保，对抑制地球变暖起到积极的作用。

②燃气热泵空调设备的节能效果较好，与电驱动热泵空调设备相比，它在能源的综合利用上往往会呈现比较明显效果。

③外界空气温度的影响小。电动热泵在以外界空气作为低温热源时，其能量和性能系数会随着外界空气温度的下降而下降，而燃气发动机热泵的采暖能量中由发动机排热部分供给的热量不变，在总体上受外界空气温度变化的影响较小。

3 燃气发动机热泵在暖通空调系统上的应用

推行节能措施后所取得的节能效果主要取决于一次能源消耗量的多少。通过燃气发动机驱动的热泵，可以通过周围环境吸取热量提升泵温，而且也可以利用发动机冷却水及排气热量来辅助其升温。相对而言，这两部分热量的温度比热泵冷凝温度要高一些，所以一定要重视辅助加热的作用。在建筑物自身就需要空调的情况下，内燃机驱动热泵的采用就会显示出其独特的魅力。产生于燃气燃后的高温热能，通过内燃机转化为机械能的只有一部分，其余则以废热的形式排入到外界环境中。而在供热模式下运行的热泵，刚好也可使这些废热得到有效地利用，从系统的制热性能得到进一步提高。

3.1 燃气发动机热泵在供热水方面的应用

燃气发动机热泵供热的最简单的方式是单纯的热水供给，此时热水的循环回路如图2所示。

3.2 燃气发动机热泵与其它系统的组合应用

①燃气发动机驱动热泵与吸收式空调的组合：在夏季，可以把发动机废热产生的低压蒸汽及热水作为燃气单、双效吸收式机组的初级热源。通过这种方法，可将燃气发动机驱动热泵产生的所有的废热转化成制冷量，以热换冷，使设备能量输出和末端需求相匹配，同时，这两种燃气空调的性能系数也得以改善。

②燃气发动机驱动热泵与热除湿系统的组合：传统空调冷冻除湿消耗的低温制冷量会很大，而采用热除湿系统干燥剂除湿所采用的中温冷源干冷空气，大大降低了制冷所需的能耗。燃气发动机驱动热泵与热除湿系统的组合可以回收废热，并用于干燥剂的再生，从而降低了能耗。

这两种系统组合均能提高燃气发动机驱动热泵的能源利用率，但系统的运行经济性还涉及建筑物使用形式和能源价格等因素，需综合考虑。

4 燃气发动机驱动热泵与常规热泵空调的比较

在制热情况下，燃气热泵和常规热泵相比可以通过利用燃气发动机和烟气的余热来提高能源的利用率。多项研究证实，外界负荷发生变化所引起的燃气热泵发动机输出功率的变化，不会使燃气热泵的性能系数产生较大波动。这表明，即使外界负荷有较大的变化，燃气热泵也能保证其稳定的运行效率，即燃气发动机热泵的可调性能良好。燃气热泵的一次能源利用率一般为1.30～1.79[3]。对于单纯的供冷系统，燃气热泵的一次能源利用率是常规电动热泵的1.40倍左右[4]。

5 燃气热泵空调在我国发展前景

鉴于燃气热泵空调的高热效率，低综合能耗、较强的冬季适应性及无需除霜、节能环保的优点，可以在中小型商场、宾馆、办公楼、娱乐场所、医院、住宅、学校等对空调需求较强的场所进行大力推广。另外,对能源结构的政策性调整，西气东输管线的建设成功建成，天然气探明贮量和开采量的增加，将会进一步提高天然气使用者的百分比。天然气的贮存成本相较于输送成本而言要高得多，这也是均衡用气政策成为发展的必然趋势的重要原因之一。为了保证电网和输气管网安全而有效地运行，峰谷电价和峰谷气价的实施同样不可避免，而燃气热泵空调使用恰逢峰值电价和谷值气价，这我可以大大降低用户的。对于国家来说，可有效地调整能源结构，稳定用电、用气负荷，增加电网、气网的运行效益。并对减少温室气体排放，减少酸雨的发生起到促进作用[5]。

6 结论

作为一项高效节能技术，燃料发动机驱动的热泵具有明显的节能效果，有比较高的能源利用系数。用燃气作为空调的能源，恰巧能使电力和燃气两种能源的供应达到互补，有利于缓解城市电力供应紧张的问题。燃气发动机热泵是实现燃气用于空调和采暖的重要设施，并且在我国已经具备了研发条件和市场需求。随着我国燃气管网的普及，燃气发动机热泵会得到相应的发展。

参考文献：

[1]耿惠彬.燃气发动机热泵及其应用.机电设备.2004（2）.

[2]钟怡.燃气发动机驱动空调的原理及应用.煤气与热力.2005.2，25(2).

[3]马一太，梁兆惠，谢英柏.燃气机热泵一次能源利用率的分析.煤气与热力. 2004，24(3).

[4]孙志高，孙文哲，王如竹.燃气机热泵技术及能源利用分析.制冷.2006，(2).

[5]周义德，樊瑞.我国燃气热泵空调的应用前景探讨.节能.2004，9.