混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)構(gòu)建與初步研究.pdf

1、步入21世紀，人類面臨了能源危機。積極發(fā)展可再生能源、加強發(fā)展節(jié)能技術(shù)、開發(fā)和推廣新型先進冷暖空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心內(nèi)容之一。天然氣作為一種清潔、高效、低污染的能源，以其作為空調(diào)驅(qū)動能源具有削減高峰電力、填補夏季低谷燃氣、提高能源利用率、改善大氣環(huán)境等諸多優(yōu)點，已越來越受到人們的關(guān)注。燃氣熱泵是一種高效節(jié)能的熱泵空調(diào)裝置，具有良好的發(fā)展前景。燃氣熱泵系統(tǒng)通過改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速或節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)輸出功率與用戶空調(diào)負荷相匹配，

2、由于用戶空調(diào)負荷的波動，發(fā)動機的運行工況常常偏離額定工況，甚至出現(xiàn)怠速運轉(zhuǎn)，發(fā)動機的平均熱效率降低、熱損失增大、排放量增大?；旌蟿恿θ細鉄岜孟到y(tǒng)以天然氣發(fā)動機為主、蓄電池組為輔的雙能源動力驅(qū)動，可有效解決現(xiàn)有燃氣熱泵系統(tǒng)這一缺陷，盡可能使發(fā)動機保持在能耗經(jīng)濟區(qū)內(nèi)運轉(zhuǎn)，通過優(yōu)化發(fā)動機的運行工況和和降低發(fā)動機的排放，從而提高整個熱泵系統(tǒng)的性能。 本文研究的對象——基于混合動力技術(shù)的燃氣熱泵系統(tǒng)將燃氣熱泵技術(shù)與混合動力技術(shù)有機的結(jié)合在

3、一起，是集空調(diào)、采暖、全年熱水供應(yīng)及獨立供能等功能于一體的“家庭能源中心”。本文研究主要內(nèi)容如下： (1) 設(shè)計和搭建了燃氣熱泵機組的產(chǎn)品測試樣機，對此測試樣機的穩(wěn)態(tài)運行特性進行了試驗研究。在對系統(tǒng)試驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，重點研究了發(fā)動機的速度特性和負荷特性，并初步確定了發(fā)動機的運行經(jīng)濟區(qū)；研究了試驗樣機系統(tǒng)的余熱回收特性及系統(tǒng)總體制冷性能；基于動力匹配最佳原則，研究了試驗樣機系統(tǒng)的最佳動力匹配問題，研究結(jié)果表明，發(fā)動機和壓縮機的

4、最佳傳動比應(yīng)介于1.85～2.0之間。 (2) 提出了一種新型的混合動力燃氣熱泵技術(shù)。介紹了混合動力技術(shù)的定義、研究背景、特點及分類，詳細描述了并聯(lián)助力型、串聯(lián)延長型和混聯(lián)雙模式型這幾種不同的混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的原理，概要的分析了混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的特點及其關(guān)鍵技術(shù)，并討論了混合動力燃氣熱泵空調(diào)系統(tǒng)的類型選擇所應(yīng)考慮的四個主要因素；為了降低整個熱泵系統(tǒng)的初投資及運行維護成本，結(jié)合本文所搭建的樣機試驗臺，本文主要對并聯(lián)助力型混

5、合動力燃氣熱泵系統(tǒng)進行研究。 (3) 在并聯(lián)助力型混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)(HPGHP)中，驅(qū)動系主要包括發(fā)動機、電機、蓄電池組、逆變器、變速箱和離合器等部件。在分析驅(qū)動系的設(shè)計總體方案、驅(qū)動系部件選型特點等基礎(chǔ)上，詳細描述了驅(qū)動系5種不同的操作模式。并以整個HPGHP的燃料消耗最小為控制目標，采用發(fā)動機優(yōu)化曲線控制策略和邏輯門限制控制方法，分析了驅(qū)動系的功率分配策略，并給出了各模式之間相互切換的策略和方法；以本文的試驗條件為基礎(chǔ)，

6、對HPGHP的驅(qū)動系各主要部件進行了選型與設(shè)計。 (4) 建立了HPGHP的數(shù)學模型，包括制冷劑系統(tǒng)部件數(shù)學模型和HPGHP驅(qū)動系的部件數(shù)學模型，其中制冷劑系統(tǒng)部件模型主要包括開式往復式壓縮機、電子膨脹閥、翅片冷凝器、翅片蒸發(fā)器、缸套換熱器以及煙氣換熱器等6個子部件模型，驅(qū)動系部件數(shù)學模型包括燃氣發(fā)動機、蓄電池組、電機以及變速箱等4個子部件模型；空氣源燃氣熱泵系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，制冷劑系統(tǒng)模型仿真的誤差最大值在10％以內(nèi)；HPG

7、HP的仿真結(jié)果表明：從系統(tǒng)一次能源利用率的最大值來看，發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動模式下的系統(tǒng)一次能源利用率最高，發(fā)動機單獨驅(qū)動模式的系統(tǒng)一次能源利用率次之，發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式系統(tǒng)一次能源利用率再次之，電機單獨驅(qū)動模式的系統(tǒng)一次能源利用率最?。粡南到y(tǒng)一次能源利用率的平均值來看，發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動模式最高，發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式次之，發(fā)動機單獨驅(qū)動模式再次之，電機單獨驅(qū)動模式驅(qū)動模式最小；仿真結(jié)果表明：HPGHP與常規(guī)燃氣熱泵系統(tǒng)相比，前者的平

8、均一次能源利用率更高，平均尾氣排放更低，具有一定的研究和開發(fā)價值。 (5) 提出了一種新型的基于并聯(lián)助力型混合動力燃氣熱泵的分布式供能系統(tǒng)，并闡述其原理、特點及其應(yīng)用領(lǐng)域；分析了此分布式供能系統(tǒng)的四種不同的操作模式及電機輸出負荷的分配規(guī)律；設(shè)計了此分布式供能系統(tǒng)的部件參數(shù)，包括發(fā)動機參數(shù)、電機參數(shù)、蓄電池參數(shù)、變速箱參數(shù)以及其他部件的參數(shù)；分別建立了此分布式供能的動力系統(tǒng)在四種不同操作模式下的能量傳送過程及模型；對HPGHP分布