邱陳棟 王潔月 蔡亮 鄭曉紅

并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵充放電性能研究

邱陳棟1王潔月2蔡亮2鄭曉紅2

1江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司2東南大學能源與環(huán)境學院

本文基于混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)，設計了該系統(tǒng)的并聯(lián)式驅動形式。基于發(fā)動機燃氣消耗率以及發(fā)動機與壓縮機的速度匹配，對并聯(lián)式驅動系統(tǒng)的傳動裝置進行了設計。對余熱回收系統(tǒng)的管道布置方式進行了區(qū)分和研究，選擇了旁通式的余熱回收系統(tǒng)。將并聯(lián)式驅動系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)以及熱泵系統(tǒng)結合構建了并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)。在此基礎上，對該熱泵系統(tǒng)進行了電機恒定扭矩的充放電試驗，研究了在不用運行模式下，整個系統(tǒng)的性能與各個參數的變化規(guī)律，包括：熱泵性能系數（COP）、熱泵制熱量、發(fā)動機燃氣流量、余熱回收量。最后，基于對系統(tǒng)的試驗性能研究，分析該系統(tǒng)的一次能源效率（PER）的變化規(guī)律，并與燃氣熱泵系統(tǒng)進行比較。結果發(fā)現，電機充電扭矩提高系統(tǒng)PER約14%效果明顯，而電機扭矩提高系統(tǒng)PER為1.1%左右。

混合動力燃氣熱泵并聯(lián)式充放電特性

0引言

混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)作為一種將混合動力技術與熱泵技術結合的新型系統(tǒng)，是一種具有高效燃氣轉換效率的分布式供能系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。目前，東南大學制冷低溫課題組構架了混合動力燃氣熱泵[1～3]試驗樣機。

在混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)性能研究方面，初步設計了一個并聯(lián)助力型混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)，詳細分析其五種工作流程，以發(fā)動機燃料經濟性最優(yōu)為目標制定了五種工況之間相互切換的能量控制策略。結果表明：混合動力驅動系充電工況綜合效率在0.262左右，比相同負荷下的常規(guī)燃氣熱泵驅動系效率高了約7.38%；混合動力放電工況中電機單獨驅動模式綜合效率約為0.083～0.15；發(fā)動機單獨驅動模式綜合效率約在0.277～0.252之間，比常規(guī)燃氣熱泵效率略低；發(fā)動機和電機共同驅動模式綜合效率約為0.252，比常規(guī)燃氣熱泵系統(tǒng)效率高了約7.92%。

在系統(tǒng)優(yōu)化設計方面，對共軸并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵進行了參數優(yōu)化。以驅動系統(tǒng)的熱效率為優(yōu)化目標，優(yōu)化設計了系統(tǒng)傳動比。結果表明：電機單獨驅動工況和發(fā)動機驅動并發(fā)電工況采用傳動比為3.2；發(fā)動機單獨驅動工況時傳動比為2.1；電機和發(fā)動機共同驅動時傳動比為1.5。另外，提出了以相對回收期為目標函數的混合度優(yōu)化設計，經過分析，混合度優(yōu)化設計值為0.35。

本文對并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵進行了充放電扭矩試驗特性研究。通過對系統(tǒng)充放電工況各個參數變化規(guī)律的研究，確立了恒定充放電扭矩下系統(tǒng)PER與壓縮機轉速的變化規(guī)律，并在此基礎對比分析了該系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃氣熱泵系統(tǒng)的異同。

1并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)設計

并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)[4～5]分為：并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)以及余熱回收系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)為一般熱泵系統(tǒng)，主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個部件構成。本文重點對驅動系統(tǒng)以及余熱回收系統(tǒng)進行了設計，并研究了整個系統(tǒng)的試驗特性。

1.1并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)

混合動力系統(tǒng)一般是將發(fā)動機和電機兩種驅動方式結合起來，從而實現能源的最優(yōu)分配。本文采用的電機形式為發(fā)電機和電動機兩用，根據這一特性，對驅動系統(tǒng)進行了設計。

圖1描述了混合動力系統(tǒng)各個部件的組成以及兩個動力源的分布。發(fā)動機和電機通過傳動裝置連接，考慮到電機具有較好的部分負荷特性，所以發(fā)動機和電機之間的傳動裝置實際為同軸連接，即保證電機轉速與發(fā)動機轉速的一致。其中壓縮機的技術參數包括：型號比澤爾4UFRY、轉速范圍500～2600rpm、額定轉速1480rpm、制冷劑為R22。發(fā)動機技術參數包括：型號LJ276M、轉速范圍500～4800rpm、有效功率12.5kW、最低燃氣消耗率280g/kWh。電機技術參數包括：類型為永磁同步電動機、額定轉速3000rpm、最大功率12kW、額定扭矩20Nm。

圖1并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)

本文的傳動裝置的設計是基于發(fā)動機燃氣消耗率進行設計的。發(fā)動機燃氣消耗率即發(fā)動機一小時輸出1kW功率需要消耗的燃氣量，單位為g/kWh。當發(fā)動機燃氣消耗率的上限低于330g/kWh時，根據發(fā)動機萬有特性曲線[6]，此時發(fā)動機的轉速范圍為2100～3800rpm。而壓縮機的運行轉速范圍可設計為750～2400rpm。

發(fā)動機與壓縮機的傳動裝置的設計采用多級傳動比的設計[7]。根據發(fā)動機和壓縮機的轉速匹配，本文采用的多級傳動比為3、2、1.5，分別對應壓縮機的低中高負荷。所以發(fā)動機和壓縮機的轉速關系如圖2所示。

圖2發(fā)動機轉速與壓縮機轉速的關系

對于并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)而言，主要存在三種驅動模式：發(fā)動機單獨驅動壓縮機（模式D）、發(fā)動機驅動壓縮機并充電（模式C）、發(fā)動機聯(lián)合電機驅動壓縮機（模式L）。

模式C工況下，熱泵系統(tǒng)處于低負荷，壓縮機轉速范圍為750～1150rpm，傳動比為3，發(fā)動機轉速范圍為2250～3450rpm，電機作為發(fā)電機，充電扭矩恒定為10Nm；模式D工況下，熱泵系統(tǒng)處于中等負荷，壓縮機轉速范圍為1150～1850rpm，傳動比為2，發(fā)動機轉速范圍為2300～3700rpm，電機此時不工作，電機扭矩為0Nm；模式L工況下，熱泵系統(tǒng)處于高負荷，壓縮機轉速范圍為1850～2400rpm，傳動比為1.5，發(fā)動機轉速范圍為2777～3600rpm，此時電機作為電動機，電機放電扭矩為-10Nm。

1.2余熱回收系統(tǒng)設計

發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)根據管道的布置可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、旁通式三種余熱回收系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)主要由生活熱水泵、缸套水換熱器、煙氣換熱器等相關設備組成。本文采用的形式為旁通式余熱回收系統(tǒng)。在缸套水換熱器旁通一條帶有旁通閥門的管道，通過控制旁通水量控制發(fā)動機內的缸套水溫，利于發(fā)動機的運行。

圖3余熱回收系統(tǒng)

本文將余熱回收系統(tǒng)，并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)以及傳動的熱泵系統(tǒng)結合起來，構建了并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)

2并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵試驗特性研究

并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵試驗特性按驅動系統(tǒng)的運行模式進行分別試驗，研究不同驅動模式下，系統(tǒng)各個參數的變化規(guī)律，包括熱泵系統(tǒng)COP、發(fā)動機燃氣流量、余熱回收量以及整個系統(tǒng)的一次能源效率。本文重點研究了熱泵系統(tǒng)在冬季運行的試驗特性。

當室外環(huán)境溫度一定，室內冷卻水進口溫度與流量不變時，熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP為壓縮機轉速的單值函數。本文中，熱泵系統(tǒng)的制熱量Q1通過冷卻水進出口水溫以及水流量計算獲得，如式（1）所示。

式中：M為冷卻水流量，kg/h；Tw_in和Tw_out為冷卻水進出口水溫，℃。

圖5描述了熱泵系統(tǒng)制熱量與壓縮機轉速的關系，隨著轉速在750～2400rpm之間增大，制熱量逐漸增大，變化范圍為13～29kW。圖6描述了熱泵系統(tǒng)COP與壓縮機轉速的關系，隨著轉速在750～2400rpm之間不斷增大，COP逐漸減小，變化范圍為2.94～4.25。

圖5熱泵系統(tǒng)制熱量與壓縮機轉速的關系

圖6熱泵系統(tǒng)COP與壓縮機轉速的關系

通過對模式C、模式D以及模式L運行參數的設定以及混合動力燃氣熱泵變工況下實驗數據的測試，可以確定發(fā)動機燃氣流量與壓縮機轉速之間的關系。如圖7所示，在三種工況下，燃氣流量隨著壓縮機轉速的增大而增大。此外可以發(fā)現，對比三種工況，發(fā)動機燃氣流量范圍均在2.2～4kg/h之間變化，這是由于電機對發(fā)動機功率的削減與補充導致的，發(fā)動機輸出功率能夠在一個相對合理的范圍，確保發(fā)動機運行的高效率。

圖7燃氣質量流量與壓縮機轉速的關系

混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的余熱回收分為兩個部分：缸套水余熱回收、煙氣余熱回收。本文通過對生活熱水在缸套水換熱器，煙氣換熱器的進出口水溫的測定，計算系統(tǒng)的余熱回收量。余熱回收量Q2可由式（2）獲得。

式中：M1缸套水換熱器流量，kg/h；M2生活熱水泵流量，kg/h；Tw1_in和Tw1_out為缸套水進出口水溫，℃；Tw2_in和Tw2_out為煙氣換熱器進出口水溫，℃。

圖8描述了余熱回收量與壓縮機轉速之間的關系。在三種運行模式下，隨著壓縮機轉速的增大，余熱回收量越大。這是由于隨著壓縮機轉速的增大會直接引起發(fā)動機燃氣流量增大以及煙氣排放量增大，這是導致余熱回收量增大的直接原因。

圖8余熱回收量與壓縮機轉速的關系

對于混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)，一次能源效率PER可以用式（3）定義，即熱泵系統(tǒng)的制熱量與余熱回收量的總和與發(fā)動機輸入燃氣的熱量的比重。

式中：Q1為熱泵制熱量，kW；Q2為余熱回收，kW；B為燃氣質量流量，kg/s；r為燃氣熱值，取值為46.2MW/kg

混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的PER主要與熱泵系統(tǒng)COP、發(fā)動機熱效率ηengine、余熱回收量這三個因素有關。熱泵系統(tǒng)COP隨著壓縮機轉速的增大而不斷減小，而發(fā)動機熱效率ηengine隨著壓縮機轉速的增大先增大后減小，余熱回收量則隨著壓縮機轉速的增大而增大。

圖9并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)PER與壓縮機轉速的關系

圖9描述了PER與壓縮機轉速之間的關系。在模式C、模式D以及模式L工況下，PER隨著壓縮機轉速的增大而減小。這正是發(fā)動機熱效率、熱泵系統(tǒng)COP以及余熱回收彼此平衡之后的結果，而三者之間，熱泵系統(tǒng)的COP占主導作用。通過電機充放電扭矩對發(fā)動機運行工況的調節(jié)，在模式C和模式L工況下，系統(tǒng)的PER值與模式D接近，而且有部分范圍重合，這說明電機的充放電扭矩對系統(tǒng)PER起到了提高的作用。

調節(jié)電機的充放電扭矩，將電機扭矩調整為0Nm，即電機停止工作，就可以得到燃氣熱泵系統(tǒng)PER隨壓縮機轉速的變化規(guī)律，如圖10所示。燃氣熱泵系統(tǒng)的PER變化規(guī)律與混合動力燃氣熱泵的變化規(guī)律相同。當壓縮機轉速范圍為750～1150rpm時，并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的PER整體提高了約14%左右；當壓縮機轉速范圍為1850～2400rpm時，并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)的PER整體提高了約1.1%左右；

這說明，充電扭矩對于提高系統(tǒng)PER更加有效，而放電扭矩雖然對整個系統(tǒng)PER有提高但是不明顯。這是由于低工況相比于高工況而言，發(fā)動機運行狀態(tài)更加惡劣，能夠允許電機充電扭矩具有提高系統(tǒng)PER較多的空間。

圖10燃氣熱泵系統(tǒng)PER與壓縮機轉速的關系

3結論

1）本文建立了并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)，基于發(fā)動機燃氣消耗率對傳動裝置進行了設計，傳動裝置采用多級傳動比，取值分別為3、2、1.5。

2）對并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵系統(tǒng)恒定充放電扭矩試驗工況進行了研究。在模式C、模式D以及模式L三種工況下，PER隨著壓縮機的轉速增大而減小，這與傳統(tǒng)燃氣熱泵PER的變化規(guī)律相同。

3）通過將并聯(lián)式混合動力燃氣熱泵與傳動燃氣熱泵進行對比發(fā)現，充電扭矩對于提高系統(tǒng)的PER有著明顯的效果，提高約14%左右；而放電扭矩對于提高系統(tǒng)的PER不夠顯著，約為1.1%左右。

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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

王潔月（1989～），男，碩士；江蘇省南京市玄武區(qū)東南大學四牌樓2號動力樓405（210096）；E-mail:wjieyue@aliyun.com

收稿日期：國家十二五國家科技支撐計劃項目（2011BAJ03B14）