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摘 要：通过对燃气机的负荷特性进行实验研究，分析出对制热性能的影响因素，得出的结果显示出末端的水流量对冷凝器的负荷、性能系数和一次能源的利用率都会产生相应的影响，在发动机的转速增加时，冷凝器的负荷和总的热量也会有相应的增加，这就表明燃气机组在末端的水流量和发动机的转速不同时，也具有良好的负荷特性。通过对热泵机组进行水流量和转速的实验，对一系列的参数变化进行分析，仅供参考。
关键词：燃气机热泵；负荷特性；末端水流量
燃气机热泵是以天然气作为主要的能源，其在国外的发展十分迅速，而且得到了广泛的应用，我国在燃气机热泵的应用相对起步较晚。燃气机热泵与普通的热泵相比，其可以充分利用发动机的余热，在供热性能上具有显著的优势，在现代社会中具有很好的发展前景。
1 燃气机热泵实验台
燃气机热泵主要包括制冷循环、余热循环和末端循环三部分，该系统的优势是可以通过制冷和制热的功能实现对一些废热和废烟的利用回收，把其余热应用在：（1）在制热功能的运行下，发动机的大部分余热都用来供热；（2）在制冷功能的运行下，生活热水大部分是由燃气发动机提供的，因为其可以对发动机的余热进行充分地回收，可以实现能源的一次利用，很好地实现了节能环保的效果。
2 系统数据分析
燃气发动机的转速和扭矩保持不变时，发动机处于稳态工况。燃气发动机的一次能耗由天然气的流量以及其低位热值通过式计算可得：系统余热包括缸套余热和烟气余热，发动机稳定在某一工况时，基于能量守恒原理，通过测量发动机冷却水流量、进出口温度、烟换热器水流量和进出口温度，根据采集的相关数据，可得到缸套余热公式和烟气余热公式，则：
Qcj=Gwlcpw（tw2-tw1）
Qexh=Gw2cpw（tw4-tw3）
與常规电动热泵相比，由于回收发动机余热，对整个燃气机热泵系统，定义系统的性能系数COPt，一次能源利用率PERt通过式：
COPt=（Qe+Qcj+Qexh）/Qcom
PERt=（Qe+Qcj+Qexh+Qgen）/Qf
3 对系统制热性能进行分析
3.1 末端水流量对于系统参数的影响
3.1.1 末端水流量变化时冷凝器负荷的变化情况。图1是冷凝器负荷随末端水流量的变化情况，如果保持发动机的转速不变，末端的水流量就会对板式换热器的系数和制冷剂和水之间的系数产生影响，近而使得板式换热器的传热温差和热换效率发生变化，导致制冷剂和水之间的换热系数显著增大，就会出现在末端水流量增大时冷凝器的负荷也显著增大。
图1 冷凝器负荷随末端水流量的变化
3.1.2 总余热随末端水流量的变化情况。图2是总余热和末端水量之间的关系，如果发动机的转速在1300r/min时，末端的水流量出现增大的变化时，总余热的变化量较小，这一实验结果说明，在发动机的转速达到1300r/min时，轴功的变化就会随着负荷的增加而减小，也就是说在1300r/min时，发动机的自身轴功会大于末端水流量的变化引起的轴功变化，但是如果发动机的转速高于1600r/min时，总余热两就会与末端的水流量同步，因为这时的冷凝器负荷有所增加，导致压缩机的功率也有相应的提升，近而使得其产生的能耗相应的提高，总余热就会由于系统的能耗增加而增加，所以，总余热和末端水流量的关系仍然是呈线性增大的变化趋势。
图2 系统总余热随末端水流量的变化
3.2 发动机转速对系统参数的影响
3.2.1 转速对冷凝器负荷的影响。冷凝器的负荷会由于发动机转速的提高有所增大，因为发动机的转速和压缩机转速之间的关系是一一对应的，如果一方的转速提高，另一方也会跟着提高，而压缩机转速的提高会使得系统整体的制冷剂流量增大，近而导致整体的冷凝器负荷增加。
3.2.2 转速对总余热的变化影响。在发动机的转速提高时，总余热会有显著的增加。因为发动机的转速增加会使得冷凝器的负荷增大，近而系统内部的制冷剂流量就会相应的增大，导致发动机在运行中耗费的功率增加，而发动机的功率和耗功是呈正比的关系，所以功率也会有所增加。
3.2.3 转速对性能系数的变化影响。如果末端的水流量不同，系统的自身性能系数就会在发动机的转速上升时而减小，如果末端的水流量是3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，系统的制冷剂就会有明显的增大，冷凝器的负荷增大到22%，发动机总余热增加65%。但是此时压缩机的功率会增大1.38倍，这是因为压缩机的功率变化的幅度比较大，大于系统总供热量的变化幅度，所以系统的自身性能系数就会减少。
图3所示系统的一次能源利用率PERt随发动机转速的变化曲线，随着发动机转速的升高，PERt成减小趋势。在末端水流量为3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，冷凝器负荷和系统的总余热均增大，系统的总供热量增大40.2%。但是转速升高导致系统的制冷剂流量增大和压缩机耗功增加，从而使发动机的一次能耗增大50%，一次能耗的增幅大于系统总供热量的增幅，所以系统的一次能源利用率PERt减小9.8%。此时，系统的一次能源利用率PERt仍然保持在1.45以上。
4 结论
通过对燃气机热泵进行相关的制热工况实验研究，对末端水流量的变化对发动机的转速、冷凝器的负荷、总余热、系统性能等方面的影响进行分析，得出以下结论：（1）冷凝器负荷、总余热以及系统的性能系数均随末端水流量的增大而增大。在发动机转速为1300r/min时，末端水流量由1.8增大到3.6m3/h，系统的性能系数COPt增加11.6%，一次能源利用率PERt增加19.5%。（2）冷凝器负荷和总余热随发动机转速的升高而增大，但是性能系数却随转速的升高而减小。在末端水流量为3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，系统的性能系数COPt明显减小40%。系统的一次能源利用率PERt减小9.8%。（3）燃气机热泵系统具有良好的部分负荷性能，通过对转速的调整能够较好的匹配负荷的变化、满足供暖需求。
5 总结
热泵系统方案的选择不是一成不变的，应首先从建筑物的使用性质、具体要求出发，然后结合工程所在地的实际情况，全面分析，按其运行特点、初投资、年运行费用、地方能源结构、环境影响等因素进行综合评比，最终选择能源结构合理、高效低耗、绿色环保的系统方案。
参考文献
[1]顾安忠，黄震，张荣荣，等.燃气机热泵机组的研制与实验研究[J].制冷技术，2005（4）：21-29.
[2]张荣荣，李书泽，鲁雪生，等.燃气机驱动空气-水热泵机组的供热性能研究[J].建筑热能通风空调，2005，24（2）：1-4.
关键词：燃气机热泵；负荷特性；末端水流量
燃气机热泵是以天然气作为主要的能源，其在国外的发展十分迅速，而且得到了广泛的应用，我国在燃气机热泵的应用相对起步较晚。燃气机热泵与普通的热泵相比，其可以充分利用发动机的余热，在供热性能上具有显著的优势，在现代社会中具有很好的发展前景。
1 燃气机热泵实验台
燃气机热泵主要包括制冷循环、余热循环和末端循环三部分，该系统的优势是可以通过制冷和制热的功能实现对一些废热和废烟的利用回收，把其余热应用在：（1）在制热功能的运行下，发动机的大部分余热都用来供热；（2）在制冷功能的运行下，生活热水大部分是由燃气发动机提供的，因为其可以对发动机的余热进行充分地回收，可以实现能源的一次利用，很好地实现了节能环保的效果。
2 系统数据分析
燃气发动机的转速和扭矩保持不变时，发动机处于稳态工况。燃气发动机的一次能耗由天然气的流量以及其低位热值通过式计算可得：系统余热包括缸套余热和烟气余热，发动机稳定在某一工况时，基于能量守恒原理，通过测量发动机冷却水流量、进出口温度、烟换热器水流量和进出口温度，根据采集的相关数据，可得到缸套余热公式和烟气余热公式，则：
Qcj=Gwlcpw（tw2-tw1）
Qexh=Gw2cpw（tw4-tw3）
與常规电动热泵相比，由于回收发动机余热，对整个燃气机热泵系统，定义系统的性能系数COPt，一次能源利用率PERt通过式：
COPt=（Qe+Qcj+Qexh）/Qcom
PERt=（Qe+Qcj+Qexh+Qgen）/Qf
3 对系统制热性能进行分析
3.1 末端水流量对于系统参数的影响
3.1.1 末端水流量变化时冷凝器负荷的变化情况。图1是冷凝器负荷随末端水流量的变化情况，如果保持发动机的转速不变，末端的水流量就会对板式换热器的系数和制冷剂和水之间的系数产生影响，近而使得板式换热器的传热温差和热换效率发生变化，导致制冷剂和水之间的换热系数显著增大，就会出现在末端水流量增大时冷凝器的负荷也显著增大。
图1 冷凝器负荷随末端水流量的变化
3.1.2 总余热随末端水流量的变化情况。图2是总余热和末端水量之间的关系，如果发动机的转速在1300r/min时，末端的水流量出现增大的变化时，总余热的变化量较小，这一实验结果说明，在发动机的转速达到1300r/min时，轴功的变化就会随着负荷的增加而减小，也就是说在1300r/min时，发动机的自身轴功会大于末端水流量的变化引起的轴功变化，但是如果发动机的转速高于1600r/min时，总余热两就会与末端的水流量同步，因为这时的冷凝器负荷有所增加，导致压缩机的功率也有相应的提升，近而使得其产生的能耗相应的提高，总余热就会由于系统的能耗增加而增加，所以，总余热和末端水流量的关系仍然是呈线性增大的变化趋势。
图2 系统总余热随末端水流量的变化
3.2 发动机转速对系统参数的影响
3.2.1 转速对冷凝器负荷的影响。冷凝器的负荷会由于发动机转速的提高有所增大，因为发动机的转速和压缩机转速之间的关系是一一对应的，如果一方的转速提高，另一方也会跟着提高，而压缩机转速的提高会使得系统整体的制冷剂流量增大，近而导致整体的冷凝器负荷增加。
3.2.2 转速对总余热的变化影响。在发动机的转速提高时，总余热会有显著的增加。因为发动机的转速增加会使得冷凝器的负荷增大，近而系统内部的制冷剂流量就会相应的增大，导致发动机在运行中耗费的功率增加，而发动机的功率和耗功是呈正比的关系，所以功率也会有所增加。
3.2.3 转速对性能系数的变化影响。如果末端的水流量不同，系统的自身性能系数就会在发动机的转速上升时而减小，如果末端的水流量是3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，系统的制冷剂就会有明显的增大，冷凝器的负荷增大到22%，发动机总余热增加65%。但是此时压缩机的功率会增大1.38倍，这是因为压缩机的功率变化的幅度比较大，大于系统总供热量的变化幅度，所以系统的自身性能系数就会减少。
图3所示系统的一次能源利用率PERt随发动机转速的变化曲线，随着发动机转速的升高，PERt成减小趋势。在末端水流量为3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，冷凝器负荷和系统的总余热均增大，系统的总供热量增大40.2%。但是转速升高导致系统的制冷剂流量增大和压缩机耗功增加，从而使发动机的一次能耗增大50%，一次能耗的增幅大于系统总供热量的增幅，所以系统的一次能源利用率PERt减小9.8%。此时，系统的一次能源利用率PERt仍然保持在1.45以上。
4 结论
通过对燃气机热泵进行相关的制热工况实验研究，对末端水流量的变化对发动机的转速、冷凝器的负荷、总余热、系统性能等方面的影响进行分析，得出以下结论：（1）冷凝器负荷、总余热以及系统的性能系数均随末端水流量的增大而增大。在发动机转速为1300r/min时，末端水流量由1.8增大到3.6m3/h，系统的性能系数COPt增加11.6%，一次能源利用率PERt增加19.5%。（2）冷凝器负荷和总余热随发动机转速的升高而增大，但是性能系数却随转速的升高而减小。在末端水流量为3.5m3/h时，发动机转速由1300r/min升高到2000r/min时，系统的性能系数COPt明显减小40%。系统的一次能源利用率PERt减小9.8%。（3）燃气机热泵系统具有良好的部分负荷性能，通过对转速的调整能够较好的匹配负荷的变化、满足供暖需求。
5 总结
热泵系统方案的选择不是一成不变的，应首先从建筑物的使用性质、具体要求出发，然后结合工程所在地的实际情况，全面分析，按其运行特点、初投资、年运行费用、地方能源结构、环境影响等因素进行综合评比，最终选择能源结构合理、高效低耗、绿色环保的系统方案。
参考文献
[1]顾安忠，黄震，张荣荣，等.燃气机热泵机组的研制与实验研究[J].制冷技术，2005（4）：21-29.
[2]张荣荣，李书泽，鲁雪生，等.燃气机驱动空气-水热泵机组的供热性能研究[J].建筑热能通风空调，2005，24（2）：1-4.