并联式混合动力燃气热泵充放电性能研究

邱陈栋 王洁月 蔡亮 郑晓红

并联式混合动力燃气热泵充放电性能研究

邱陈栋1王洁月2蔡亮2郑晓红2

1江苏省交通规划设计院股份有限公司2东南大学能源与环境学院

本文基于混合动力燃气热泵系统，设计了该系统的并联式驱动形式。基于发动机燃气消耗率以及发动机与压缩机的速度匹配，对并联式驱动系统的传动装置进行了设计。对余热回收系统的管道布置方式进行了区分和研究，选择了旁通式的余热回收系统。将并联式驱动系统、余热回收系统以及热泵系统结合构建了并联式混合动力燃气热泵系统。在此基础上，对该热泵系统进行了电机恒定扭矩的充放电试验，研究了在不用运行模式下，整个系统的性能与各个参数的变化规律，包括：热泵性能系数（COP）、热泵制热量、发动机燃气流量、余热回收量。最后，基于对系统的试验性能研究，分析该系统的一次能源效率（PER）的变化规律，并与燃气热泵系统进行比较。结果发现，电机充电扭矩提高系统PER约14%效果明显，而电机扭矩提高系统PER为1.1%左右。

混合动力燃气热泵并联式充放电特性

0引言

混合动力燃气热泵系统作为一种将混合动力技术与热泵技术结合的新型系统，是一种具有高效燃气转换效率的分布式供能系统，具有广阔的应用前景。目前，东南大学制冷低温课题组构架了混合动力燃气热泵[1～3]试验样机。

在混合动力燃气热泵系统性能研究方面，初步设计了一个并联助力型混合动力燃气热泵系统，详细分析其五种工作流程，以发动机燃料经济性最优为目标制定了五种工况之间相互切换的能量控制策略。结果表明：混合动力驱动系充电工况综合效率在0.262左右，比相同负荷下的常规燃气热泵驱动系效率高了约7.38%；混合动力放电工况中电机单独驱动模式综合效率约为0.083～0.15；发动机单独驱动模式综合效率约在0.277～0.252之间，比常规燃气热泵效率略低；发动机和电机共同驱动模式综合效率约为0.252，比常规燃气热泵系统效率高了约7.92%。

在系统优化设计方面，对共轴并联式混合动力燃气热泵进行了参数优化。以驱动系统的热效率为优化目标，优化设计了系统传动比。结果表明：电机单独驱动工况和发动机驱动并发电工况采用传动比为3.2；发动机单独驱动工况时传动比为2.1；电机和发动机共同驱动时传动比为1.5。另外，提出了以相对回收期为目标函数的混合度优化设计，经过分析，混合度优化设计值为0.35。

本文对并联式混合动力燃气热泵进行了充放电扭矩试验特性研究。通过对系统充放电工况各个参数变化规律的研究，确立了恒定充放电扭矩下系统PER与压缩机转速的变化规律，并在此基础对比分析了该系统与传统燃气热泵系统的异同。

1并联式混合动力燃气热泵系统设计

并联式混合动力燃气热泵系统[4～5]分为：并联式混合动力驱动系统、热泵系统以及余热回收系统。热泵系统为一般热泵系统，主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个部件构成。本文重点对驱动系统以及余热回收系统进行了设计，并研究了整个系统的试验特性。

1.1并联式混合动力驱动系统

混合动力系统一般是将发动机和电机两种驱动方式结合起来，从而实现能源的最优分配。本文采用的电机形式为发电机和电动机两用，根据这一特性，对驱动系统进行了设计。

图1描述了混合动力系统各个部件的组成以及两个动力源的分布。发动机和电机通过传动装置连接，考虑到电机具有较好的部分负荷特性，所以发动机和电机之间的传动装置实际为同轴连接，即保证电机转速与发动机转速的一致。其中压缩机的技术参数包括：型号比泽尔4UFRY、转速范围500～2600rpm、额定转速1480rpm、制冷剂为R22。发动机技术参数包括：型号LJ276M、转速范围500～4800rpm、有效功率12.5kW、最低燃气消耗率280g/kWh。电机技术参数包括：类型为永磁同步电动机、额定转速3000rpm、最大功率12kW、额定扭矩20Nm。

图1并联式混合动力驱动系统

本文的传动装置的设计是基于发动机燃气消耗率进行设计的。发动机燃气消耗率即发动机一小时输出1kW功率需要消耗的燃气量，单位为g/kWh。当发动机燃气消耗率的上限低于330g/kWh时，根据发动机万有特性曲线[6]，此时发动机的转速范围为2100～3800rpm。而压缩机的运行转速范围可设计为750～2400rpm。

发动机与压缩机的传动装置的设计采用多级传动比的设计[7]。根据发动机和压缩机的转速匹配，本文采用的多级传动比为3、2、1.5，分别对应压缩机的低中高负荷。所以发动机和压缩机的转速关系如图2所示。

图2发动机转速与压缩机转速的关系

对于并联式混合动力驱动系统而言，主要存在三种驱动模式：发动机单独驱动压缩机（模式D）、发动机驱动压缩机并充电（模式C）、发动机联合电机驱动压缩机（模式L）。

模式C工况下，热泵系统处于低负荷，压缩机转速范围为750～1150rpm，传动比为3，发动机转速范围为2250～3450rpm，电机作为发电机，充电扭矩恒定为10Nm；模式D工况下，热泵系统处于中等负荷，压缩机转速范围为1150～1850rpm，传动比为2，发动机转速范围为2300～3700rpm，电机此时不工作，电机扭矩为0Nm；模式L工况下，热泵系统处于高负荷，压缩机转速范围为1850～2400rpm，传动比为1.5，发动机转速范围为2777～3600rpm，此时电机作为电动机，电机放电扭矩为-10Nm。

1.2余热回收系统设计

发动机余热回收系统根据管道的布置可分为串联式、并联式、旁通式三种余热回收系统。余热回收系统主要由生活热水泵、缸套水换热器、烟气换热器等相关设备组成。本文采用的形式为旁通式余热回收系统。在缸套水换热器旁通一条带有旁通阀门的管道，通过控制旁通水量控制发动机内的缸套水温，利于发动机的运行。

图3余热回收系统

本文将余热回收系统，并联式混合动力驱动系统以及传动的热泵系统结合起来，构建了并联式混合动力燃气热泵系统，如图4所示。

图4并联式混合动力燃气热泵系统

2并联式混合动力燃气热泵试验特性研究

并联式混合动力燃气热泵试验特性按驱动系统的运行模式进行分别试验，研究不同驱动模式下，系统各个参数的变化规律，包括热泵系统COP、发动机燃气流量、余热回收量以及整个系统的一次能源效率。本文重点研究了热泵系统在冬季运行的试验特性。

当室外环境温度一定，室内冷却水进口温度与流量不变时，热泵系统的制热量和COP为压缩机转速的单值函数。本文中，热泵系统的制热量Q1通过冷却水进出口水温以及水流量计算获得，如式（1）所示。

式中：M为冷却水流量，kg/h；Tw_in和Tw_out为冷却水进出口水温，℃。

图5描述了热泵系统制热量与压缩机转速的关系，随着转速在750～2400rpm之间增大，制热量逐渐增大，变化范围为13～29kW。图6描述了热泵系统COP与压缩机转速的关系，随着转速在750～2400rpm之间不断增大，COP逐渐减小，变化范围为2.94～4.25。

图5热泵系统制热量与压缩机转速的关系

图6热泵系统COP与压缩机转速的关系

通过对模式C、模式D以及模式L运行参数的设定以及混合动力燃气热泵变工况下实验数据的测试，可以确定发动机燃气流量与压缩机转速之间的关系。如图7所示，在三种工况下，燃气流量随着压缩机转速的增大而增大。此外可以发现，对比三种工况，发动机燃气流量范围均在2.2～4kg/h之间变化，这是由于电机对发动机功率的削减与补充导致的，发动机输出功率能够在一个相对合理的范围，确保发动机运行的高效率。

图7燃气质量流量与压缩机转速的关系

混合动力燃气热泵系统的余热回收分为两个部分：缸套水余热回收、烟气余热回收。本文通过对生活热水在缸套水换热器，烟气换热器的进出口水温的测定，计算系统的余热回收量。余热回收量Q2可由式（2）获得。

式中：M1缸套水换热器流量，kg/h；M2生活热水泵流量，kg/h；Tw1_in和Tw1_out为缸套水进出口水温，℃；Tw2_in和Tw2_out为烟气换热器进出口水温，℃。

图8描述了余热回收量与压缩机转速之间的关系。在三种运行模式下，随着压缩机转速的增大，余热回收量越大。这是由于随着压缩机转速的增大会直接引起发动机燃气流量增大以及烟气排放量增大，这是导致余热回收量增大的直接原因。

图8余热回收量与压缩机转速的关系

对于混合动力燃气热泵系统，一次能源效率PER可以用式（3）定义，即热泵系统的制热量与余热回收量的总和与发动机输入燃气的热量的比重。

式中：Q1为热泵制热量，kW；Q2为余热回收，kW；B为燃气质量流量，kg/s；r为燃气热值，取值为46.2MW/kg

混合动力燃气热泵系统的PER主要与热泵系统COP、发动机热效率ηengine、余热回收量这三个因素有关。热泵系统COP随着压缩机转速的增大而不断减小，而发动机热效率ηengine随着压缩机转速的增大先增大后减小，余热回收量则随着压缩机转速的增大而增大。

图9并联式混合动力燃气热泵系统PER与压缩机转速的关系

图9描述了PER与压缩机转速之间的关系。在模式C、模式D以及模式L工况下，PER随着压缩机转速的增大而减小。这正是发动机热效率、热泵系统COP以及余热回收彼此平衡之后的结果，而三者之间，热泵系统的COP占主导作用。通过电机充放电扭矩对发动机运行工况的调节，在模式C和模式L工况下，系统的PER值与模式D接近，而且有部分范围重合，这说明电机的充放电扭矩对系统PER起到了提高的作用。

调节电机的充放电扭矩，将电机扭矩调整为0Nm，即电机停止工作，就可以得到燃气热泵系统PER随压缩机转速的变化规律，如图10所示。燃气热泵系统的PER变化规律与混合动力燃气热泵的变化规律相同。当压缩机转速范围为750～1150rpm时，并联式混合动力燃气热泵系统的PER整体提高了约14%左右；当压缩机转速范围为1850～2400rpm时，并联式混合动力燃气热泵系统的PER整体提高了约1.1%左右；

这说明，充电扭矩对于提高系统PER更加有效，而放电扭矩虽然对整个系统PER有提高但是不明显。这是由于低工况相比于高工况而言，发动机运行状态更加恶劣，能够允许电机充电扭矩具有提高系统PER较多的空间。

图10燃气热泵系统PER与压缩机转速的关系

3结论

1）本文建立了并联式混合动力燃气热泵系统，基于发动机燃气消耗率对传动装置进行了设计，传动装置采用多级传动比，取值分别为3、2、1.5。

2）对并联式混合动力燃气热泵系统恒定充放电扭矩试验工况进行了研究。在模式C、模式D以及模式L三种工况下，PER随着压缩机的转速增大而减小，这与传统燃气热泵PER的变化规律相同。

3）通过将并联式混合动力燃气热泵与传动燃气热泵进行对比发现，充电扭矩对于提高系统的PER有着明显的效果，提高约14%左右；而放电扭矩对于提高系统的PER不够显著，约为1.1%左右。

[1]李应林,张小松.混合动力燃气热泵空调系统及其特点[J].建筑科学,2006,26(6A):17-21

[2]李应林,张小松.混合动力燃气热泵空调系统的能量分析模型[J].暖通空调,2006,36(11):11-13

[3]Li Y L,Zhang X S,Cai L.A novel parallel-type hybrid power gas engine-driven heat pump system[J].Int.J.Refrigeration,2007, 30:1134-1142

[4]Yanwei Wang,Liang Cai,Xiaowei Shao,et al.Analysis on energ -y-saving effect and environmental benefit of a novel hybrid-pow -er gas engine heat pump[J].Int.J.Refrigeration,2013,36:237-246

[5]Yanwei Wang,Liang Cai,Yue Yu,et al.Performance study of parallel-type hybrid-power gas engine-driven heat pump system [J].Energy and Buildings,2013,62:37-44

[6]Jieyue Wang,Liang Cai,Yanwei Wang,et al.Modeling and optimization matching on drive system of a coaxial parallel-type hyb -rid-power gas engine heat pump[J].Energy,2013,55:1196-1204

[7]方筝,张晓松,刘建伟.供暖季节燃气机热泵传动比的选择[J].煤气与热力,2012,32(3):1-6

The Cha rge-dis c ha rge Pe rform a nc e Study of a Pa ra lle l-type Hybrid Pow e r Ga s Engine He a t Pum p

QIU Chen-dong1,WANG Jie-yue2,CAI Liang2,ZHENG Xiao-hong2
1 Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Ltd.,Co.
2 School of Energy and Environment,Southeast University

The parallel-type drive system has been designed based on the hybrid power gas engine heat pump.In addition,the transmission value of gearing box can be established by the relationship between gas engine and compressor.The bypass-type heat recovery system is applied in this system.So the parallel-type hybrid power gas engine heat pump can be built on the foundation of drive system,heat recovery system and heat pump system.Then the charge-discharge performance study of this system can be obtained by the study of system performance and the change rules of different parameters,including coefficient of performance(COP),the heating capacity,heat recovery capacity, gas quantity.At last,the change rules of primary energy rate(PER)of this system has been compared with the gas engine heat pump.The results show that,the charge-discharge torque is useful to improve the PER.In the way of charge condition,PER can be improved by 14%;In the way of discharge condition,PER can be improved by 1.1%.

hybrid power,gas engine heat pump,parallel type,mixing charge-discharge performance

1003-0344（2014）05-006-5

2013-10-25

王洁月（1989～），男，硕士；江苏省南京市玄武区东南大学四牌楼2号动力楼405（210096）；E-mail:wjieyue@aliyun.com

收稿日期：国家十二五国家科技支撑计划项目（2011BAJ03B14）