出品：科普中國

作者：田佳垚（中國科學院廣州能源研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

通常來說，天然氣燃燒以后，可以提供大量的熱能供給人們?nèi)∨?、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(fā)地傳遞到低溫物體，但卻不能自發(fā)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(huán)境“泵送”至高溫環(huán)境，這就是普通空調(diào)的溫控原理。按照驅(qū)動熱泵的方式，可將熱泵分為電力驅(qū)動、熱能驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動。

圖2 燃氣熱泵產(chǎn)業(yè)化示范工程

（圖片來源：中國科學院廣州能源研究所網(wǎng)站）

與普通電空調(diào)中的電力驅(qū)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(shù)研究室研發(fā)的國內(nèi)首套燃氣熱泵（GHP）主要是由燃氣發(fā)動機驅(qū)動開啟式渦旋壓縮機的超高能效空氣源熱泵系統(tǒng)，其復雜的熱力系統(tǒng)耦合控制技術(shù)、系統(tǒng)集成化打破了日本企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并將為“雙碳目標”的實現(xiàn)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(wǎng)站）

圖4 GHP系統(tǒng)示意圖

（圖片來源：作者提供）

除控制器系統(tǒng)外，GHP包含了四個子系統(tǒng)，分別為動力系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)。動力系統(tǒng)主要是由天然氣發(fā)動機、皮帶輪構(gòu)成的，熱泵系統(tǒng)主要包含了開啟式渦旋壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器與節(jié)流閥，循環(huán)水路系統(tǒng)在室內(nèi)側(cè)換熱器為冷凝器時，回收制冷劑中的熱量，在室內(nèi)側(cè)為蒸發(fā)器時，則回收制冷劑中的冷量，余熱回收系統(tǒng)不僅回收了天然氣發(fā)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(fā)動機內(nèi)燃燒后，約有30%~35%的熱量轉(zhuǎn)化為軸功經(jīng)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(huán)，其余65%~70%的熱量中的大部分熱量由余熱回收系統(tǒng)傳遞給循環(huán)水系統(tǒng)，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(nèi)的溫度相對室外為低溫環(huán)境，那么熱量怎么從房間跑到室外環(huán)境去呢？

這是因為熱泵系統(tǒng)中的制冷劑經(jīng)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(huán)境溫度為高溫狀態(tài)，此時其熱量自發(fā)地釋放給環(huán)境變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑，經(jīng)電子膨脹閥降壓節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏氐膬上鄳B(tài)制冷劑后流入室內(nèi)換熱器，吸收循環(huán)水中的熱量后完全蒸發(fā)為氣態(tài)制冷劑后進入壓縮機開始下一個循環(huán)，與此同時低溫循環(huán)水與室內(nèi)空氣換熱，將其冷量釋放給房間。

轉(zhuǎn)念一想，寒冷的冬天里，房間內(nèi)的溫度相對室外為高溫環(huán)境，熱量怎么從室外環(huán)境跑到房間去呢？

這是因為熱泵系統(tǒng)中的制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮為高溫高壓的氣體后，在室內(nèi)換熱器中將熱量傳遞給循環(huán)水，循環(huán)水被加熱后與室內(nèi)空氣換熱，將其熱量釋放給房間，與此同時冷媒由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，在經(jīng)過電子膨脹閥降壓節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏氐膬上鄳B(tài)后流入室外換熱器，吸收環(huán)境中的熱量完全蒸發(fā)后進入壓縮機開始下一個循環(huán)。

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(tǒng)，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(huán)境下實現(xiàn)制熱工況，這是電熱泵不可比擬的。在環(huán)境溫度-10℃時不影響制熱性能，還能實現(xiàn)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(yōu)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(fā)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?shù)?，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(jīng)濟價值回歸到用戶手上。經(jīng)過測算，在同等產(chǎn)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(fā)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(nèi)，可再生能源還難以堪當大任。據(jù)統(tǒng)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(wǎng)負荷峰谷差相反的趨勢，在暖通空調(diào)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(fā)電量和天然氣供應(yīng)量

（圖片來源：國家統(tǒng)計局 重慶市經(jīng)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(zhì)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(yīng)用于熱泵空調(diào)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(nóng)村，燃燒后的CO2還能通往溫室大棚，是不是還挺美的！

編輯：孫晨宇

參考文獻：

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來源: 中國科普博覽

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