燃气热泵因其综合能耗低、制热能力强、节能环保等优点而被广泛用作建筑空调、食品干燥和除湿的冷热源,并在我国北方“煤改气”过程中得到积极推广。但室内需求负荷的波动往往会导致燃气发动机的运行偏离其经济区,造成热效率的降低,燃气消耗的增加。鉴于混合动力汽车成功的经验,本文构建了以燃气发动机和磷酸铁锂电池组双动力源的并联式混合动力燃气热泵系统,采用数值模拟与实验研究相结合的方法分析了混合动力燃气热泵系统的经济性、节能性和环保性。通过发动机和电机的合理、协同配合,实现了发动机的高效运行和系统能源利用率的进一步提高,有效解决了常规燃气热泵发动机效率低下的问题。具体的研究内容与结果如下:基于发动机热效率模型,对比分析了燃气热泵、串联式和并联式混合动力形式在不同负荷率情况下驱动系统效率的变化情况,结果显示并联式混合驱动结构在不同负荷概率组合下都具有较高的驱动系效率。进一步结合空气源热泵阐述了以磷酸铁锂电池组和交流同步电机为辅助驱动系统的并联式混合动力燃气热泵系统的工作原理,确定了驱动系统的工作模式,并通过参数匹配性研究对系统的主要部件进行了选型,为混合驱动系统的建模提供了理论依据。采用实验与理论相结合的方法,研究了发动机和电机的速度特性和负荷特性,在此基础上,通过曲线拟合和曲面拟合的方法建立了燃气发动机的万有曲线和电机的MAP效率图,确定了发动机的经济运行区和最优扭矩曲线。根据动力匹配最佳原则,采用试算法确定了发动机和压缩机在低、中、高三种负荷下最佳传动比分别为3.2、2.0和1.5。在忽略温度对电池性能影响的条件下,建立了磷酸铁锂电池的开路电压和内阻的函数关系式和充放电效率数学模型,研究发现过小的SOC值会引起电池充放电内阻的增加,而过小或者过大的SOC值又会造成电池电压值的急剧变化,因此选取充放电效率高且相对稳定的0.2~0.8作为电池的工作区间。此外,建立了包括开式往复式压缩机、电子膨胀阀、板式冷凝器、翅片蒸发器的热泵系统模型,以及缸套换热器和烟气换热器稳态模型。为了验证系统数学模型的准确性,开展了燃气热泵的实验研究,结果显示模拟值与实验数据的最大误差仅为5.23%,两者具有较好的一致性。但是单一动力源和单一传动比会造成转速和功率的不匹配,引起发动机的燃气消耗增大,系统的一次能源利用率急剧下降,经济性的降低。以发动机的经济运行区和磷酸铁锂电池高效工作区为依据,根据不同驱动模式下能量的匹配关系,制定了基于发动机最优扭矩曲线的逻辑门限控制策略,在此基础上,推导出燃气-电的等效转换系数,并引入基于电池SOC值的惩罚函数实时修正,建立了以等效燃气消耗最小为目标的瞬时优化控制策略。分析了该两种控制策略下的扭矩分配和输出特性,并与单一传动比燃气热泵对比研究了能量转换效率和能源利用率,研究表明,通过调节电机充放电功率的输出,可将发动机的输出扭矩控制在更窄的、更高热效率的经济区间内,并且等效燃气消耗最小控制策略下的驱动系转换效率在低中高三种模式下分别比最优扭矩控制策略提高了5.6%、1.9%和8.0%,比燃气热泵高出23.2%、3.9%和28.4%,节能优势明显,尤其在发动机和电机联合驱动的工况下,等效燃气消耗最小控制策略下的混合动力燃气热泵系统的一次能源利用率较单一传动比的燃气热泵系统提高了30.4%,有着较高的燃料经济性。在研究了混合动力燃气热泵经济性和节能性的基础上,采用生命周期评价理论分析了天然气的环境效益,研究表明无论在人类健康、生态品质还是污染物排放方面,燃气热泵对环境影响都优于电驱动热泵系统,进一步针对本文的混合动力燃气热泵系统,提出了环境影响时间的概念,指出当运行超过1497.5小时,混合动力燃气热泵系统比燃气热泵系统具有更好的环境效益。