关键词：燃气热泵一体机；能效比；加热时间；运行费用

 

    1 引言

 

    近年来随着经济的不断发展，人们对热水器的需求及使用也越来越广泛，传统的单一能源的热水器的局限性亦越来越突出，并且随着能源价格的提升，人们对于高能效热水器的需求也越来越明显。因此，利用多种能源加热的高能效热水系统应运而生，但是多能源热水系统的各个组成部分的使用条件及性能特点却不尽相同，在实际使用过程中未必都能充分发挥其各自的优势。本文主要探讨如何能让燃气热泵一体机充分发挥燃气及热泵分系统的各自优势，使整机系统处于高效运行状态，从而有效地降低系统的运行费用。

 

    2 燃气热泵一体机的应用分析

 

    燃气热泵一体机顾名思义由燃气系统及热泵系统两部分组成。对于燃气系统而言，其原理的实质就是燃气通过燃烧把热能转移到生产生活需要的水中。按低热值计算其理论最高热效率（能效比）不超过110%。由于其受外界环境温度的变化和水温变化的影响不大，并且具有加热快速的特点，所以其适用范围比较广。

 

    对于空气源热泵系统而言，其原理的实质就是通过制冷剂的相变将环境空气中的热量转移到生产生活需要的水中，而制冷剂的相变则需要压缩机消耗一定的电能来实现。因此，其具有较高能效比（平均可以达到400%），且具有无排放、无污染的特点。但同时，其受外界环境温度的变化（见图1）和水温的变化（见图2）的影响比较大，加热时间比较长，因此其适用范围比较窄。

 

 

    由以上分析可知，燃气系统及热泵系统的优缺点是非常具有互补性的，若两个系统有机的结合就可以有效弥补各自缺点，既可以充分利用热泵系统的高能效比（见图2），同时又可以利用燃气系统使用范围广、加热速度快的优势。而且通过特殊的设计，将燃气系统的烟气余热回收给热泵系统使用，可以弥补热泵系统受环境温度的影响，从而提高热泵系统的能效比（见图1）。因此，燃气热泵一体机可以充分利用燃气和热泵两种能源的优势，不但拓宽了其地域使用范围，满足了用户的不同用水需求，而且更重要的是有效地减少了用户的使用费用。

 

    3 燃气热泵一体机的样机搭建及试验数据分析

 

    基于以上理论分析，我们搭建了燃气热泵一体机原型机，其原理如图3所示，具体外形如图4所示，具体的配置及结构如下所示：

 

    (1)燃气系统为完全预混燃烧冷凝换热方式，额定输入负荷为60kW；(2)热泵系统采用2匹机组：输入功率为1.4kW；(3)水箱容积：380L；(4)燃气系统的燃烧室及换热系统完全内置于水箱中；(5)热泵系统的换热盘管缠绕在水箱外壁上；(6)热泵系统外置于水胆侧面；(7)燃气排烟管的导流通道与安装在热泵系统蒸发器表面附近的均流板相连接，烟气经均流板后可以均匀地流过已做防腐处理的蒸发器。

 

 

    针对在热水器的实际使用过程中，用户最关心的热水加热时间和能源消耗费用问题，笔者设计了九种不同的工作逻辑方案，并且分别测试其在相同的环境温度及燃气温度（20℃）条件下，把样机水箱内的水温由20℃加热到60℃时的加热时间等性能。九种不同的运行逻辑如下：

 

    (1)热泵系统不工作，仅燃气系统工作，把水箱内的水温由20℃加热到60℃；(2)热泵系统与燃气系统同时工作，当把水箱内的水温由20℃加热到30℃后，热泵系统停止工作，燃气系统继续工作直到把水箱内水温加热到60℃；(3)热泵系统与燃气系统同时工作，当把水箱内的水温由20℃加热到40℃后，热泵系统停止工作，燃气系统继续工作直到把水箱内水温加热到60℃；(4)热泵系统与燃气系统同时工作，当把水箱内的水温由20℃加热到50℃后，热泵系统停止工作，燃气系统继续工作直到把水箱内水温加热到60℃；(5)热泵系统与燃气系统同时工作，直到把水箱内的水温由20℃加热到60℃；(6)热泵系统先工作，当把水箱内的水温由20℃加热到30℃后，热泵系统停止工作，燃气系统则开始工作，直到把水箱内的水温加热到60℃；(7)热泵系统先工作，当把水箱内的水温由20℃加热到40℃后，热泵系统停止工作，燃气系统则开始工作，直到把水箱内的水温加热到60℃；(8)热泵系统先工作，当把水箱内的水温由20℃加热到50℃后，热泵系统停止工作，燃气系统则开始工作，直到把水箱内的水温加热到60℃；(9)燃气系统不工作，仅热泵系统工作，把水箱内的水温由20℃加热到60℃。

 

    九种不同工作逻辑的测试结果汇总如表1所示。

 

 

    为能直观的对比燃气热泵一体系统各方案的测试及计算结果，特把相关数据绘制成柱形图，如图5所示。具体分析如下：

 

 

    (1)燃气系统单独运行时（方案一），能效比最低，运行费用最高，但其所需加热时间比较短；(2)热泵系统单独运行时（方案九），能效比最高，运行费用最低，但其所需加热时间亦最长；(3)燃气系统与热泵系统同时运行时（方案二∽八），运行费用与能效比成反比，能效比愈高，运行费用愈低。其中，热泵系统先预热后，再启动燃气系统加热（方案六∽八）相对于燃气系统与热泵系统同时开始加热，达到一定温度后，热泵系统停止加热（方案二∽五）来说，其能效比较高，运行费用较低，但所需加热时间较长；(4)热泵系统先预热后，再启动燃气系统加热（方案六∽八），其运行费用与预热温度成反比，预热温度愈高，运行费用愈低，但其所需加热时间亦愈长；(5)燃气系统与热泵系统同时开始加热，达到一定温度后，热泵系统停止加热（方案二∽五），其能效比随着热泵系统加热水温的升高先升高然后降低，而运行费用则呈相反趋势，随着热泵系统加热水温的升高先降低然后升高。

 

    由以上各方案特点对比分析可知，合理的优化燃气热泵一体式热水加热逻辑（如下几方面所示），不仅可以满足用户的用水要求，而且可以有效地降低使用费用：

 

    (1)当环境温度不适宜开启热泵系统时，可使用燃气系统单独运行加热（方案一）；(2)当用户急需大量用水时，可使用燃气系统与热泵系统同时开始加热，当水温达到50℃左右时，热泵系统停止加热，燃气系统则继续加热（方案四）；(3)当用户不急需大量用水时，可使用热泵系统先预热，当水温达到40℃左右时，再启动燃气系统加热（方案七）；(4)当系统处于待机状态时，可使用热泵系统单独运行加热来提供系统所需的维持热负荷（方案九）。

 

    另外，电价及燃气价格的变动也会对整机系统的运行费用产生比较大的影响，下面就其影响做具体分析。

 

    设定系数K为电价与燃气价格的比值，假定燃气价格为3.45元/立方米恒定不变，我们分别取电价为民用波谷价格0.35元/千瓦时、民用波峰价格0.55元/千瓦时、工业用价格0.882元/千瓦时、热泵系统及燃气系统把水箱内的水温由20℃加热到60℃时所需的费用相等时的电价1.13元/千瓦时及电价与燃气价格相等时的3.45元/千瓦时，即K=0.101、K=0.159、K=0.256、K=0.326及K=1.000时几种不同的电价及燃气价格组合条件下，在环境温度及燃气温度均为20℃，把样机水箱内的水温由20℃加热到60℃时，整机的运行费用与总加热时间的关系如图6所示。

 

    如图6所示，当加热时间比较短时（小于0.34h），运行费用都随着加热时间的增加而增加，并且随着K值的增大，运行费用也逐渐升高；当K＜0.326时，随着加热时间的增加（从0.34h到3.49h）所消耗的运行费用越来越少；当K=0.326时，随着加热时间的增加（从0.34h到3.49h）所消耗的运行费用基本不变；当K＞0.326时，随着加热时间的增加（从0.34h到3.49h）所消耗的运行费用越来越多。也就是说，当需在较短时间内把水箱水温加热到预设温度时，热泵系统的贡献度会较小，运行费用主要取决于燃气的费用；当需在较长时间内把水箱水温加热到预设温度时，热泵系统的贡献度会越来越大，但是只有当K＜0.326时，使用热泵系统长时间加热才有意义，K值越小，使用热泵系统长时间加热的运行费用越低；当K＞0.326时使用热泵系统长时间加热的运行费用会越来越高，长时间加热会变得毫无意义。因此，在合理优化整机运行逻辑时，必须考虑电价及燃气价格变动的影响。

 

 

    需要指出的是若用户所需水温超过65℃时，则只能使用燃气系统单独运行加热（空气源热泵的最高加热水温一般不超过65℃）。

 

    4 总结

 

    根据用户的用水要求以及实际的使用环境条件，充分考虑加热需求时间以及电价和燃气价格等因素，合理的设计燃气热泵一体机不同的工作逻辑：

 

    (1)当环境温度不适宜开启热泵系统或者电价与燃气价格的比值K＞0.326时，使用燃气系统单独运行加热；(2)当用户急需大量用水并且电价与燃气价格的比值K＜0.326时，使用燃气系统与热泵系统同时开始加热（热泵系统回收并利用燃气系统所产生的烟气余热），当水温达到50℃左右时，热泵系统停止加热，燃气系统则继续加热；(3)当用户不急需大量用水并且电价与燃气价格的比值K＜0.326时，使用热泵系统先预热，当水温达到40℃左右时，再启动燃气系统加热；(4)当用户相对长时间不急需用水并且电价与燃气价格的比值K＜0.326时，可使用热泵系统单独加热；(5)当系统处于待机状态并且电价与燃气价格的比值K＜0.326时，使用热泵系统单独运行加热来提供系统所需的维持热负荷。

 

    就可以充分发挥燃气系统和热泵系统各自优势，使整机系统始终处于较高能效比的状态下运行，在满足用户的不同用水需求的同时有效地降低整机系统的使用费用。