當前要聞：什么？天然氣燃燒后竟然還可以制冷！

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作者：田佳垚（中國科學院廣州能源研究所）

通常來說，天然氣燃燒以后，可以提供大量的熱能供給人們取暖、做飯，但你知道嗎，燃燒的天然氣居然還能制冷！

圖1 家用管道天然氣

（圖片來源：Veer圖庫）

什么是燃氣熱泵

眾所周知，普通水泵可將水流從低位泵送至高位，那么“熱泵”又是什么呢？

熱力學第二定律告訴我們，熱量可以從高溫物體自發地傳遞到低溫物體，但卻不能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體——與水泵的“反向操作”類似，熱泵裝置可消耗一定的機械能將熱量從低溫環境“泵送”至高溫環境，這就是普通空調的溫控原理。按照驅動熱泵的方式，可將熱泵分為電力驅動、熱能驅動和發動機驅動。

圖2 燃氣熱泵產業化示范工程

（圖片來源：中國科學院廣州能源研究所網站）

與普通電空調中的電力驅動壓縮機的方式不同，由中國科學院廣州能源研究所儲能技術研究室研發的國內首套燃氣熱泵（GHP）主要是由燃氣發動機驅動開啟式渦旋壓縮機的超高能效空氣源熱泵系統，其復雜的熱力系統耦合控制技術、系統集成化打破了日本企業在該領域的技術壟斷，實現了國產化，并將為“雙碳目標”的實現提供助力。

圖3 燃氣熱泵室外機

（圖片來源：中國科學院廣州能源研究所網站）

圖4 GHP系統示意圖

（圖片來源：作者提供）

除控制器系統外，GHP包含了四個子系統，分別為動力系統、熱泵系統、循環水系統和余熱回收系統。動力系統主要是由天然氣發動機、皮帶輪構成的，熱泵系統主要包含了開啟式渦旋壓縮機、冷凝器、蒸發器與節流閥，循環水路系統在室內側換熱器為冷凝器時，回收制冷劑中的熱量，在室內側為蒸發器時，則回收制冷劑中的冷量，余熱回收系統不僅回收了天然氣發動機缸套水中的熱量，還回收了煙氣中的熱量，使得煙氣排放的溫度低于100℃。

天然氣在燃氣發動機內燃燒后，約有30%~35%的熱量轉化為軸功經機械效率極高的多楔帶牽引渦旋壓縮機工作，使其中的R410A制冷劑做蒸汽壓縮循環，其余65%~70%的熱量中的大部分熱量由余熱回收系統傳遞給循環水系統，機組的額定制熱能力為85kW，最大制熱能力超過100kW，額定制冷能力為71kW。

燃氣熱泵的作用

炎熱的夏天里，房間內的溫度相對室外為低溫環境，那么熱量怎么從房間跑到室外環境去呢？

這是因為熱泵系統中的制冷劑經壓縮機壓縮為高溫高壓的氣體后，在室外換熱器中相對于環境溫度為高溫狀態，此時其熱量自發地釋放給環境變為液態制冷劑，經電子膨脹閥降壓節流后變為低壓低溫的兩相態制冷劑后流入室內換熱器，吸收循環水中的熱量后完全蒸發為氣態制冷劑后進入壓縮機開始下一個循環，與此同時低溫循環水與室內空氣換熱，將其冷量釋放給房間。

轉念一想，寒冷的冬天里，房間內的溫度相對室外為高溫環境，熱量怎么從室外環境跑到房間去呢？

這是因為熱泵系統中的制冷劑經壓縮機壓縮為高溫高壓的氣體后，在室內換熱器中將熱量傳遞給循環水，循環水被加熱后與室內空氣換熱，將其熱量釋放給房間，與此同時冷媒由氣態變為液態，在經過電子膨脹閥降壓節流后變為低壓低溫的兩相態后流入室外換熱器，吸收環境中的熱量完全蒸發后進入壓縮機開始下一個循環。

除此之外，還有更強大的功能嗎？

確實是有的！借助GHP中獨特的余熱回收系統，可在制冷、制熱的同時獲得25~30kW的生活熱水供不同場景使用，甚至在極低溫環境下實現制熱工況，這是電熱泵不可比擬的。在環境溫度-10℃時不影響制熱性能，還能實現不停機化霜。

圖5 燃氣熱泵的適用情景

（圖片來源：作者提供）

燃氣熱泵的優勢

與電熱泵（EHP）相比，GHP具有超高的一次能源利用率。以冬天制熱為例，讓我們看看一份能量分別在EHP與GHP中能量到底發生了什么變化？

簡單來說，不管是EHP還是GHP，從空氣中獲得的低品位熱量是相當的，但相比EHP，GHP對天然氣燃燒后的余熱進行了直接利用，使得熱經濟價值回歸到用戶手上。經過測算，在同等產出的制熱效果下，如果使用EHP消耗的一次能源將是使用GHP的1.36倍。

圖6 GHP與EHP能流對比圖

（圖片來源：作者提供）

目前我國電力資源的主要來源仍依靠火力發電，“綠電”的間歇性與波動性仍然是不可忽視的問題，也就是說短時間內，可再生能源還難以堪當大任。據統計，天然氣作為一種清潔能源，每替代1%煤炭，將減排二氧化碳2億噸，同時它有著與電網負荷峰谷差相反的趨勢，在暖通空調能耗占比社會總能耗15%的背景下，GHP能極大減小配電容量，對“移峰填谷”起到積極作用。

以重慶市為例，正是其相對廉價的天然氣資源，良好地平抑了電力需求的“尖峰”月份。

圖7 重慶市2021年發電量和天然氣供應量

（圖片來源：國家統計局 重慶市經濟和信息化委員會）

GHP的氣源不僅僅只是天然氣，還可以是沼氣、生物質氣等“綠氣”。以氣源為天然氣的情況為例，GHP用于代替燃氣鍋爐時，燃氣消耗量及碳排放量降低40%以上，應用于熱泵空調時，消耗一度電排放的CO2按0.79kg計，GHP在相同情況下的碳排放為EHP的60%。

想一想，在沼氣富集的農村，燃燒后的CO2還能通往溫室大棚，是不是還挺美的！

參考文獻：

[1] Jiayao Tian, Yafei Hu, Jie Lv, Ziping Feng, Wenji Song. Modelling and performance analysis of power system in gas engine-driven heat pump, Applied Thermal Engineering (2023) DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120015

[2] Roselli C , Marrasso E , Sasso M . Gas Engine-Driven Heat Pumps for Small-Scale Applications: State-of-the-Art and Future Perspectives[J]. Energies, 2021, 14.

[3] Y. Hu, J. Lv, C. Huang, W. Song, Z. Feng, Experimental investigation on heating performance of a gas engine-driven heat pump system with R410A, Applied Thermal Engineering (2022)

doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118863

[4] 胡亞飛,呂杰,韓濤,宋文吉,馮自平.基于余熱回收的燃氣熱泵系統高溫制熱特性[J/OL].化工進展:1-17[2022-07-15].DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1869.

[5] Sanaye S , Chahartaghi M . Thermal modeling and operating tests for the gas engine-driven heat pump systems[J]. Energy, 2010, 35(1):351-363.

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