【论文精选】燃气机热泵与电驱动热泵技术经济性实测对比
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GAS-HEAT1978
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作 者： 顾圆圆，秦朝葵，陈志光
第一作者单位：同济大学 机械与能源工程学院
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
参考文献示例
1 概述
我国能源结构以煤炭为主，占比高达 69 . 3% ［ 1 ］ ，能源转换率低，环境污染严重。政府正积极进行能源结构调整，逐步降低煤炭消耗，加速发展清洁能源。随着燃气事业的蓬勃发展，许多城市燃气使用量的季节不平衡性日益凸显 ［ 2 ］ 。与此同时，电驱动空调的大量使用造成了夏季电力负荷高峰 ［ 3-4 ］ 。燃气与电力具有互补性，因此发展燃气空调是提高夏季燃气消耗量，减小电力系统夏季负荷，平衡能源季节分配不均匀的有效措施之一。
燃气内燃机驱动的压缩式热泵（简称燃气机热泵）以小型燃气内燃机取代电动机，驱动空调压缩机进行制冷、制热，最大优势在于供暖期可回收燃气内燃机余热，提升制热能力。
燃气机热泵的研究往往是通过建立模型分析发动机转速 ［ 5-6 ］ 、蒸发器和冷凝器进出水温度 ［ 7-8 ］ 、室内外温度 ［ 9-10 ］ 等参数对机组性能的影响，完善、提升燃气机热泵的运行性能。燃气机热泵性能的实测研究有限，仅有少部分学者实测了燃气机热泵的平均性能系数 ［ 11 ］ 、一次能源利用率 ［ 12 ］ 。对燃气机热泵的经济性研究，多集中于气价与电价的模拟比较分析 ［ 13-14 ］ 。随着二氧化碳减排压力的日趋严峻 ［ 15 ］ ，对热泵的碳排放研究也日益引起国内外学者的高度关注 ［ 16-17 ］ 。
本文以上海地区某办公建筑为对象，对燃气机热泵、电驱动热泵的运行情况进行实测。分析室外温度、部分负荷率对燃气机热泵、电驱动热泵运行性能的影响，比较二者的经济性、碳排放量。
2 项目介绍
测试项目位于上海金山区的某办公楼，总建筑面积为 6 380 m 2 。选取办公楼的 1 、 2 楼使用频率较高、空调面积大致相同的空调区域作为测试区域进行研究。 1 、 2 楼测试区域分布分别见图 1 、 2 ，图中粉色剖面线为测试区域。 1 楼测试区域采用燃气机热泵，空调面积为 316 m 2 。 2 楼测试区域采用电驱动热泵，空调面积为 424 m 2 。
图 1 1 楼测试区域分布
图 2 2 楼测试区域分布
数据采集时间为供冷期（ 2019 年 5 — 9 月）、供暖期（ 2019 年 11 月— 2020 年 2 月）。办公楼每日 8 ： 00 — 18 ： 00 工作，周末、节假日休息。
燃气机热泵空调系统包括 1 台室外机、 13 台室内机。采用天花板内置薄型风管式高静压型室内机，性能参数见表 1 。
表 1 燃气机热泵空调系统室内机性能参数
电驱动热泵空调系统包括 1 台室外机、 13 台室内机。采用天花板内置薄型风管式高静压型室内机，性能参数见表 2 。
表 2 电驱动热泵空调系统室内机性能参数
3 测量原理及参数
表 3 测量仪器性能参数
4 实测结果与分析
4.1 运行性能
由实测结果可知，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组均多运行在低部分负荷率工况，供暖期尤为明显，主要原因为热泵机组选型偏大。
①供冷期
由实测结果可知，当部分负荷率一定时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制冷性能系数均随室外温度的升高而减小。
室外温度为 30 、 32 ℃时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布分别见图 3 、 4 。图 3 、 4 为散点图，图中的点划线为轮廓线，图 5 、 6 相同。由图 3 、 4 可知，在室外温度一定时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制冷性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时，热泵机组的制冷性能系数并不是定值，而是在一定的范围内波动。主要是由于部分负荷率相同时，室内机的开启情况不同。
图 3 室外温度为 30 、 32 ℃时燃气机热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布
图 4 室外温度为 30 、 32 ℃时电驱动热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布
②供暖期
由实测结果可知，当部分负荷率一定时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制热性能系数均随室外温度的升高而增大。
室外温度为 6 、 9 ℃时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布分别见图 5 、 6 。由图 5 、 6 可知，在室外温度一定时，燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制热性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时，热泵机组的制热性能系数并不是定值，而是在一定的范围内波动。
图 5 室外温度为 6 、 9 ℃时燃气机热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布
图 6 室外温度为 6 、 9 ℃时电驱动热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布
4.2 经济性分析
燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期能耗见表 4 。上海地区分时电价见表 5 。供冷期：峰时段为 8 ： 00 — 11 ： 00 、 13 ： 00 — 15 ： 00 、 18 ： 00 — 21 ： 00 ，平时段为 6 ： 00 — 8 ： 00 、 11 ： 00 — 13 ： 00 、 15 ： 00 — 18 ： 00 、 21 ： 00 — 22 ： 00 ，谷时段为 22 ： 00 —次日 6 ： 00 。供暖期：峰时段为 8 ： 00 — 11 ： 00 、 18 ： 00 — 21 ： 00 ，平时段为 6 ： 00 — 8 ： 00 、 11 ： 00 — 18 ： 00 、 21 ： 00 — 22 ： 00 ，谷时段为 22 ： 00 —次日 6 ： 00 。上海地区天然气价格见表 6 ，该办公建筑为非全天候用户。
表 4 燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期能耗
表 5 上海地区分时电价
表 6 上海地区分季天然气价格
经计算，燃气机热泵机组的年运行费用为 15 067 元 /a ，单位空调面积年运行费用为 47.7 元 / （ m 2 · a ）。电驱动热泵机组的年运行费用为 11 098 元 /a ，单位空调面积年运行费用为 26.2 元 / （ m 2 · a ）。由计算结果可知，在上海当前的电价、气价条件下，燃气机热泵机组的运行费用比较高。
4.3 碳排放
根据《 2019 年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》，电网二氧化碳平均排放因子取 0.7921 kg/ （ kW · h ）。根据《 2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南》，天然气的碳排放因子取 56.1 kg/GJ 。
燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期碳排放量见表 7 。由表 7 可知，两种热泵机组二氧化碳年排放量分别为 9 832.86 、 11 692.19 kg 。由此可知，燃气机热泵机组对环境更加友好。
表 7 燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期碳排放量
5 结论
①燃气机热泵机组、电驱动热泵机组均多运行在低部分负荷率工况，供暖期尤为明显。
②当部分负荷率一定时，两种热泵机组的制冷性能系数均随室外温度的升高而减小，制热性能系数均随室外温度的升高而增大。
③在室外温度一定时，两种热泵机组的制冷性能系数、制热性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时，两种热泵机组的制冷性能系数、制热性能系数并不是定值，而是在一定的范围内波动。
④在上海当前的电价、气价条件下，燃气机热泵机组的运行费用比较高。
⑤燃气机热泵机组二氧化碳排放量更低，对环境更加友好。
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（本文责任编辑：贺明健）
制热工况燃气机热泵性能试验研究
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