供暖季节燃气机热泵传动比的选择

吉玮珵

摘要：天然气作为一种极具潜力的清洁能源，其在我国总体能源消耗占比中仍然比较低。而随着燃气热泵技术的不断发展，推广燃气机热泵成为了一个合理利用天然气的重要方式。选择合理的运行参数是保证其高效运转的必要条件，尤其是传动比的选择更是确保燃气机热泵运转效率的关键。本文首先介绍了燃气机单级传送比并对其存在的问题进行了论述，然后根据存在的问题，提出了燃气机热泵多级传动比理论。最后提出了利用最佳扭矩曲线来确定传送比的方法。

关键词：燃气热泵;供暖设备;热泵性能;性能优化

随着我国经济水平和综合国力的不断提升，国家能源的需求也越来越大。在国家推动经济可持续的健康发展的大背景下，对于能源利用的清洁、环保和高效逐渐得到了全社会的重视。而天然气作为一种极具潜力的清洁能源，其在我国的发展仍比较落后，在总的能源消耗占比中仍然比较低。如何实现对于天然气能源的合理利用，是提高天然气使用占比的关键问题。而随着燃气热泵技术的不断发展，推广燃气机热泵成为了一个合理利用天然气的重要方式。燃气机热泵利用燃气发动机作为动力，驱动蒸汽压缩式热泵进行工作。同时可以回收发动机废热，为生产提供热水，是一种经济、环保、高效的天然气利用方法。在燃气机热泵的运行过程中，选择合理的运行参数是保证其高效运转的必要条件，尤其是传动比的选择更是确保燃气机热泵运转效率的关键。

一、燃气机热泵的单级传送比

在一般的情况下，我们采用其单级传动比作为主要依据来确定燃气机热泵是否处于最大负荷。在燃气机传动比的选择时，也应该考虑燃气机与压缩机的匹配问题，一般来说要满足压缩机处于最大负荷工况的传动比。这样可以确保燃气机处于最好运行状态。若传动比选择过大，则会导致燃气机的经济性降低。若传动比过小时，则不能满足热泵机组在最大负荷时所需的最大功率需求。燃气机的转速与热泵能为室内供暖提供的最大热量成正比，在供暖时要考虑供暖建筑在不同温度下所需热量，在满足建筑物最大热负荷的条件下，确定燃气机转速和传动比。但是在实际的供暖过程中上燃气机在大部分时间都不能处于最大负荷的运行，期处于最大负荷工况的时间一般在总运行时间的10%左右。而当机组处于部分负荷运行工况时，以最大负荷工况确定的传动比将使燃气机的运行经济型大大降低差。因此使用单级传动比确定燃气机运行状态是以满足压缩机的性能要求为主，忽视了对于经济性的考虑。而且当建筑物所需供热量的变化较大时，燃气机在部分负荷状态下工作，会出现燃气机效率降低，燃料消耗较大的问题。

二、燃气机热泵的多级传送比

通过之前的分析可知，当建筑物所需供热量变化较大时，以单级传动比确定燃气机热泵的运行状态，在使用经济性上是不合适的。为解决这一问题，一般需要采用多级传动比来确定燃气机的运行状态。在设备上需要采用多级传动比自动变速器取代离合器作为燃气机与压缩机之间的连接装置。具体可根据建筑物所需的供热量来改变传动比，从而改善燃气机的运行状态，使燃气机的运行保持在高效的工况区，改善燃气机热泵的低负荷运行性能。在确定多级传动比变速器的传动比是要注意以下几点。首先从调节压缩机容量范围的角度考虑，在确定传动比时应至少确定两个传动比，使热泵的运行过程中使压缩机达到转速上限和下限，进而实现压缩机在最大容量和最小容量之间进行调节。其次应该确定一个相对较小传动比，使其适用于在燃气机在常态下的运行，充分地利用燃气机的高效低耗运行区域，改善热泵的运行状态。然后在确定多级不同的传动比时，其之间的差距不宜过大，避免设备运行产生较大波动，保障装置的平稳运行。最后多级传动比的设置不宜过大，尽量简化自动变速器的结构，降低设备在设计和选型上的成本。最后在确定多级传动比至后，在每个不同的热负荷工作区域，应选择能够满足功率要求的最小传动比作为该工作阶段的传动比，保证燃气机的高效运行。

三、以最佳扭矩曲线确定传送比

在确定的发动机输出功率下，不同的转速可以对应一个的发动机扭矩值，结合燃气机的热效率，就可以得到在相同功率下，发动机热效率最高的状态点，即为该功率下发动机的最佳运行点。重复上述过程，就可以获得在不同功率下的燃气机的最佳运行状态曲线，即最佳扭矩曲线。然后通过功率转换公式，就可以获得燃气机转速与最优扭矩之间的关系。在最佳扭矩曲线上燃气机的转速与其工作效率之间，呈现一种先增大后减小的趋势。在确定传动比时首先要依据燃气机的最加扭矩曲线的热效率图，以热效率值为依据，确定燃气机的转速区间。并根据最加扭矩曲线上燃气机的转速、扭矩、功率之间的相对关系，计算燃气机的功率。然后根据燃气机的功率匹配关系，结合压缩机的具体形式，确定不同运行模式下压缩机的转速范围。而传动比为燃气机转速与压缩机转速之间的比值，在確定两者转速后，就可以确定不同工作模式下的传动比。根据不同工作模式下的传动比，可以反推得到发动机对应的转速，确定此工作状态下发动机的热效率。最后根据平均热效率计算理论，计算不同传动比下的热效率均值，选取热效率均值最大时的传送比作为最佳传送比。以最佳扭矩曲线确定传送比，可以达到燃气机的最高热效率。具体的燃气机控制策略可以根据燃气机的最加扭矩曲线，综合考虑燃气发动机的运行模式，保证燃气发动机在最佳扭矩曲线上工作运行，同时确保热泵的其他设置吧处于与之相适应的工作范围之内。

四、结语

天然气作为一种高效且环保的优质能源，其已经被广泛的应用于人们日常生活的之中，其在我国能源的使用占比也呈逐年提高的趋势。随着燃气机热泵技术的不断发展，势必也会扩大我国天然气能源的使用范围，并提高天然气能源的使用效率。但是由于我国对于燃气机热泵的研究才刚刚起步，仍处于发展的初级阶段，对于燃气机热泵的结构和工作特性的理解还不够深入。这就需要我们进一步加强对于燃气机热泵技术的研究，同时还应做好燃气机热泵的推广与应用工作，为调节我国能源结构，合理利用天然气资源，推动经济可持续地健康发展做出贡献。

参考文献：

[1]方筝，张晓松，刘建伟.供暖季节燃气机热泵传动比的选择[J].煤气与热力，2012，32（03）：1-6.

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