基于余熱回收的燃氣熱泵性能及控制系統

呂杰，黃沖，馮自平，2，胡亞飛，3，宋文吉

（1 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2 中科廣能能源研究院（重慶）有限公司，重慶 401331；3 中國科學院大學，北京 100049）

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對生活和工作環境的舒適度要求越來越高[1-2]。我國許多地區具有供熱和供冷的雙重需求，目前解決方案是冬季燃煤或燃氣鍋爐供暖，夏季使用電動空調。傳統的燃煤或燃氣鍋爐采暖一次能源利用率低，造成資源浪費和環境污染。電空調在夏季大量使用，造成城市電網不堪重負，電力負荷峰谷差大，導致拉閘限電。電空調在冬季制熱效果達不到要求，特別是在嚴寒地區。為達成“碳達峰”和“碳中和”目標，中國正在進行能源結構調整，降低化石能源占比，提高能源利用效率。作為一種熱值較高的清潔能源，天然氣越來越受到關注。另外，為保障電力系統安全穩定運行，減小電力負荷峰谷差，國家發展和改革委員會制定分時電價機制，對各時段分別制定不同的電價水平，造成空調運行費用大幅上升。因此，急需一種先進的低碳清潔供冷供暖技術。

燃氣熱泵（gas engine-driven heat pump，GHP）是通過燃氣發動機機械驅動壓縮機的蒸汽壓縮式熱泵，具有環境適應性強、能效高、耗電量少等優點。燃氣熱泵能夠冬季供暖、夏季供冷，實現一套設備滿足供熱和供冷雙重需求，并提供冷熱水，能夠解決傳統燃煤或燃氣鍋爐采暖一次能源利用率低、資源浪費和環境污染等問題[3-4]。同時，緩解夏季電空調大量使用造成的電力負荷峰谷差大等難題[5-6]。

與電熱泵（electric heat pump，EHP）相比，GHP 具有如下優勢。GHP 采用機械傳動，制冷和制熱性能不易衰減。利用發動機余熱化霜和制熱，惡劣工況（低溫制熱）性能優異，熱泵系統更節能、穩定。采用機械驅動壓縮機，壓縮機無需預熱，啟動時間較短，升溫和降溫速度較快。GHP耗電量低，不需要額外電力增容，減少變配電等設備投資。天然氣是清潔能源，在開采、生產和運輸過程中產生的污染較小。天然氣燃燒較充分，二氧化碳排放較少，有助于改善大氣質量和生態環境。EHP 在夏季的大量使用造成城市電網不堪重負，電力負荷峰谷差大，國家發展改革委制定分時電價機制，造成空調運行費用大幅上升，地方電網公司啟動拉閘限電等舉措，影響人們正常工作和生活。燃氣熱泵不受限電制約，用戶使用更安心。

燃氣熱泵的熱力學循環是蒸汽壓縮循環，制熱模式下制冷劑經過壓縮機壓縮后變為高溫高壓狀態，將自身熱量傳遞給室內換熱器（冷凝器），然后經EXV（電子膨脹閥）變為兩相狀態進入蒸發器。在蒸發器中，吸收空氣中的熱量變為氣相狀態。制冷模式下，冷媒經四通閥改變流向。通過制冷劑將低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源，實現制冷和制熱。回收發動機尾氣熱量和缸套冷卻水熱量，增強熱泵低溫制熱性能，改善除霜性能。控制系統是燃氣熱泵的重要組成部分，保證室內空氣狀態參數達到期望值。

當前研究重點是GHP 系統的運行特性[7-9]，使用能量和?分析方法對GHP 系統進行建模，模擬其運行特性，通過實驗進行性能分析和評估[10-11]。而針對GHP 控制系統的研究主要延續現有的熱泵系統控制研究方法[12-13]，如PID 算法、人工智能算法、模糊控制等[14-15]。通過數值模擬和算法研究熱泵系統動態特性，優化控制策略[14,16]。當前，專門針對GHP 控制的研究主要集中于發動機轉速控制優化[12,17-18]。目前，主要通過建立模型研究GHP 系統的動態特性，采用數值模擬和算法優化控制策略，而忽略了控制系統設計研究。目前文獻沒有說明如何設計GHP 控制器的硬件和軟件，沒有闡述GHP 控制器如何與發動機ECU（電子控制單元）實時可靠通信，進而實現發動機轉速、啟停等控制。由于外部環境和熱負荷的不斷變化，GHP 系統具有滯后、非線性和時變特點。想要GHP 系統的出水溫度快速逼近然后穩定在目標值，需要精細化控制。發動機檔位需要由參與熱力循環的壓縮機數量以及目標出水溫度和實際出水溫度之間的差值共同確定，而當前研究沒有闡明如何根據發動機數量調整發動機轉速控制的方法。為了提高GHP 系統性能，控制系統研究必不可少，本文聚焦于GHP 嵌入式控制系統設計，詳細介紹控制系統架構以及各功能模塊，并通過制冷和制熱實驗分析基于該控制系統的GHP 機組運行特性，為開發人員提供工程設計指導。

1 燃氣熱泵系統及分析方法

燃氣熱泵分為冷熱水機組（gas engine driven heat pump cold-hot water equipment，GHPW）和多聯機。以制冷工況為例，燃氣熱泵冷熱水機組外機通過冷凍水從室內空氣中吸收熱能帶到室外。燃氣熱泵多聯機的冷媒能夠進入內機，直接與室內空氣進行熱交換。因此，燃氣熱泵多聯機控制系統更復雜，既包含外機控制器，又包括內機控制器。本文主要研究燃氣熱泵冷熱水機組及其外機控制器。

如圖1所示，燃氣熱泵冷熱水機組實驗系統包括冷媒循環系統、冷卻水系統、燃氣發動機系統。冷媒循環系統包括渦旋式壓縮機、油分離器、四通閥、翅片式室外換熱器、電子膨脹閥、冷媒-冷凍水換熱器、氣液分離器、旁通閥、快速回油閥等零部件。冷卻水系統包括冷卻水室外熱交換器、冷凍水側余熱回收換熱器、冷媒側余熱回收換熱器、廢氣熱交換器、冷卻水泵和兩個恒溫器。燃氣發動機系統包括發動機本體、進排氣系統、點火系統、冷卻系統、電子控制單元（electronic control unit，ECU）等。

圖1 燃氣熱泵冷熱水機組實驗系統結構示意圖

冷卻水室外熱交換器和制冷劑室外熱交換器相鄰安裝。當制冷劑在低溫加熱條件下流過室外熱交換器時，室外熱交換器從室外空氣吸收熱量。同時，制冷劑通過制冷劑側余熱回收換熱器吸收發動機廢熱，以增強制冷劑傳遞的熱量。隨后，冷凍水余熱回收電磁閥打開。冷凍水流過冷凍水側余熱回收換熱器吸收發動機余熱，使冷凍水溫度升高。

恒溫器通常用于發動機冷卻系統，GHPW采用恒溫器控制冷卻水的流動路徑。它是一種自動溫度調節裝置，在沒有外部控制信號的情況下，通過熱膨脹或冷收縮來控制液體的流動。冷卻水在天然氣發動機內部流動并吸收發動機熱量。隨后，它流過制冷劑側的廢熱回收裝置，并通過由恒溫器控制的三個通道進入冷卻水泵。最后，冷卻水流過廢氣熱交換器并返回發動機。

燃氣熱泵冷水機組運行模式包括加熱、冷卻、除霜和低溫加熱。實驗系統的主要技術特性如表1所示。采用日本橫河生產的電磁流量計SE205MM測量水流量，流量量程0～50m3/h，精度等級是±0.5%FS。采用浙江蒼南儀表集團股份有限公司生產的RM-25Z-G10 氣體羅茨流量計測量天然氣流量，測量范圍是0.4～16m3/h，測量精度是±1%FS。采用PT100和T型熱電偶測量溫度，溫度測量范圍分別是-50～100℃和-200～350℃，測量精度分別是±0.1℃和±0.5℃。采用森薩塔科技生產的壓力傳感器Sensata 35CP82-30MD 和Sensata 35CP82- 31MD測量系統壓力，測量范圍分別是0～2000kPa 和0～4600kPa，測量精度是±1.5%FS。

表1 燃氣熱泵冷熱水機組實驗系統的主要技術參數

一次能源利用率（primary energy ratio，PER）用于表征GHP 系統的總能耗性能。性能系數（coefficient of performance，COP）用于表征GHP 系統壓縮機的性能。加熱模式下的PER 和COP 分別可用式(1)和式(2)描述。GHP 系統的供熱能力由兩部分組成，即熱泵系統和發動機余熱。因此，Qheat可以用式(3)來描述。發動機的天然氣消耗功率（Pgas）可通過式(4)計算。Vgas是發動機的天然氣體積流量；LHV 是天然氣的低熱值。本實驗天然氣熱值為35540kJ/m3。壓縮機功率（Pcompressor）可以用天然氣發動機（Pengine）的有效功率來描述，如式(5)所示。

式中，Tengine是天然氣發動機的輸出扭矩；Nengine是自然氣發動機的轉速；η是發動機和壓縮機之間的傳動效率，在本研究中，其值為95%；ηengine是天然氣發動機的熱效率。

2 燃氣熱泵冷熱水機組控制系統

2.1 控制系統結構

外機控制器是燃氣熱泵冷熱水機組的主控制器，負責控制冷媒循環系統、冷卻水系統和燃氣發動機系統。外機控制器包括多輸入輸出（multiple inputs and multiple outputs，MIMO）控制模塊、發動機控制模塊、過熱度控制模塊和觸摸屏監控模塊。外機控制器控制結構如圖2所示，外機控制器電路板實物如圖3所示。

圖2 燃氣熱泵冷熱水機組主控制系統結構圖

圖3 燃氣熱泵冷熱水機組主控制器電路板實物圖

2.2 MIMO控制模塊

燃氣熱泵外機控制器的輸入和輸出信號較多。輸入信號包括溫度輸入信號、壓力輸入信號和開關輸入信號。輸出信號包含繼電器控制輸出信號和電子膨脹閥控制輸出信號。輸入和輸出信號分為模擬信號和數字信號。模擬輸入信號主要包括溫度和壓力信號。數字輸入信號包括高壓/低壓、水流和開關信號。模擬輸出信號主要是電子膨脹閥控制信號。數字輸出信號通過繼電器控制電磁閥、四通閥、水泵和壓縮機離合器。此外，GHPW 通過RS485串行端口通信接口與主機、有線控制器和風扇通信，并通過CAN總線接口與發動機ECU通信。

2.2.1 溫度和開關輸入信號監測

為了準確控制冷媒循環系統、冷卻水系統和熱回收系統等，需要對燃氣熱泵系統中多個特征點的溫度和壓力進行監測。溫度監測包括環境溫度、壓縮機吸氣溫度和排氣溫度、冷凍水進水溫度和出水溫度、余熱回收進水和出水溫度等。壓力監測主要是監控壓縮機的油壓、吸氣壓力和排氣壓力。

溫度輸入信號擴展電路如圖4所示。采用熱敏電阻監測溫度。由于輸入輸出接口較多，MCU的I/O口數量無法滿足需求，采用外部電路擴展方式擴充I/O 口數量。熱敏電阻兩端電壓信號通過多路選擇芯片CD4067傳輸到MCU。MCU通過控制三極管基極電壓，控制CD4067的通道選擇引腳AA、BB、CC、DD 的電壓，進而選擇CD4067 的輸出通道。CD4067 最多可以擴展16 路I/O 口通道。CD4067 的輸出引腳連接MCU 的ADC 輸入I/O 口，將熱敏電阻的電壓值傳輸到MCU。MCU 計算監測點的溫度值。

圖4 溫度輸入信號擴展電路

開關輸入信號是數字量信號。開關輸入信號監測電路如圖5 所示。采用光耦隔離芯片TLP521 檢測開關信號。當開關輸入信號是低電平時，TLP521 的發光二極管導通，光三極管的集電極電壓被拉低。光三極管的集電極與MCU 的I/O 口相連，開關狀態信息被傳輸到MCU。

圖5 開關輸入信號處理電路

2.2.2 壓力輸入信號監測

采用壓力傳感器監測壓縮機的油壓、吸氣壓力和排氣壓力。壓力輸入信號是連續變化的模擬量信號。通過信號調理電路將壓力傳感器的輸出電壓轉變成MCU 能夠接收的電壓范圍。壓力輸入信號調理電路如圖6所示。

圖6 壓力輸入信號調理電路

2.2.3 輸出控制

外機控制器通過繼電器實現數字量輸出信號控制。數字量輸出信號包括電磁閥、四通閥、水泵、電加熱帶、壓縮機離合器等閉合和斷開信號。數字量輸出信號較多，依然采用多路信號選擇芯片CD4067 擴展數字信號輸出通道。繼電器輸出信號擴展電路如圖7所示。

圖7 繼電器輸出信號擴展電路

將移位寄存器74HC595 級聯，擴展數字量輸出接口。MCU 無法提供足夠的電流驅動繼電器，在位移緩存器輸出端增加達林頓管驅動芯片ULN2003A，提高電流驅動能力。74HC595 芯片的DIN、OE、ST 引腳接MCU，Qa～Qh 接ULN2003A的輸入端，ULN2003A的輸出端接繼電器線圈，繼電器線圈另一端接12V 直流電源。當MCU 控制74HC595的Qa通道輸出高電平時，ULN2003A對應接口輸出低電平，繼電器吸合，輸出接口DO1 接通電源，為電磁閥、水泵等零部件供電。

采用鷺宮電子膨脹閥，勵磁方式是1～2 相勵磁，勵磁速度是31.25pps（每秒脈沖數）。通過74HC595 級聯，擴展輸出控制I/O 口，實現對多個電子膨脹閥的獨立控制。電子膨脹閥依靠步進電機驅動針閥，調節閥的開度。電子膨脹閥須嚴格遵循驅動時序開閥和閉閥。

2.3 發動機控制模塊

2.3.1 發動機通信控制

燃氣發動機由ECU 控制，ECU 根據各種傳感器輸入的信息，經過計算和分析，控制發動機點火、運行和空燃比等。同時，ECU 保護發動機。發動機控制模塊是GHPW 主控制器的子單元，用于與發動機ECU 交換信息。通過燃氣發動機控制模塊，外機控制器與發動機ECU 通信，設定發動機運行模式和發動機轉速，控制發動機啟停，監測發動機狀態（實際轉速、運行時間、溫度、油壓、故障信號等）并控制蓄電池充電等。

GHPW的發動機控制結構如圖8所示。發動機ECU 通過CAN 總線與GHPW 主控制器通信，ECU的鑰匙信號通過光學耦合隔離器連接到GHPW 主控制器的微控制器。發動機ECU 與外機控制器硬件通過4 根引線連接，分別是CANH、CANL、鑰匙信號、信號地GND。CAN 總線傳輸信號由GHPW 主控制器傳輸的命令信號組成，如啟動請求、調速請求、調速設置、停機和故障復位命令。此外，CAN 總線傳輸信號包含ECU 返回信號，如發動機轉速、出水溫度和空燃比。

圖8 發動機控制結構示意圖

通過CAN 總線傳輸的信號包括外機控制器發出的控制信號和發動機ECU 的返回信號。外機控制器發出的控制信號包括發動機啟動信號、調速信號、停機信號。發動機ECU 的返回信號包括發動機目標轉速、實際轉速、歧管進氣溫度和壓力、發動機出水溫度、節氣門開度、機油壓力、實際空燃比、燃氣壓力、發動機狀態、燃氣電磁閥狀態、發動機運行時間、故障信息等。

發動機ECU 通過12V 蓄電池供電，蓄電池通過發電機充電。蓄電池充電信號由外機控制器控制。外機控制器的發動機控制模塊每10ms RTC 時鐘中斷一次，發送控制命令，并讀取發動機狀態。外機控制器與發動機ECU通信控制軟件流程如圖9所示。

圖9 外機控制器與發動機ECU通信控制軟件流程

2.3.2 發動機轉速控制

GHPW的控制目標是通過發動機轉速控制模塊使系統出水溫度逼近目標值。由于外部環境溫度和熱負荷不斷變化，GHPW系統具有滯后性、非線性和時變特點，使系統出水溫度快速接近并穩定在目標值至關重要。

發動機檔位由參與熱力學循環的壓縮機數量以及目標出水溫度和實際出水溫度之間的差值決定。發動機轉速范圍是800～2400r/min，檔位范圍是1～51。當冷熱負荷需求大于0時，GHPW從待機狀態進入工作狀態。首先發動機以最低檔位1 檔（800r/min）啟動，隨后逐漸增加。發動機轉速每增大80r/min，發動機檔位增加1 檔。當發動機檔位增加到2 檔（880r/min），閉合一臺壓縮機離合。當發動機檔位超過6 檔（1200r/min）時，參與熱力學循環的壓縮機數量調整為兩臺，隨后發動機檔位主要根據目標出水溫度和實際出水溫度之間的差值實時調整。從發動機檔位是7 檔（800r/min） 開始，發動機轉速每增大40r/min，發動機檔位增加1 檔。

以制冷模式為例說明發動機轉速控制邏輯，當目標出水溫度和實際出水溫度的差值大于2.0℃，發動機檔位增大4檔。當目標出水溫度和實際出水溫度的差值處于-1.5～-2.0℃之間，發動機檔位則減小4檔。如果目標出水溫度和實際出水溫度的差值小于-2.0℃并持續60s，則發動機停機。當目標出水溫度和實際出水溫度的差值處于-1.5～2.0℃之間，差值每變化0.5℃，發動機檔位變化1檔。

2.4 蒸發溫度控制模塊

燃氣熱泵冷水機蒸發溫度控制模塊主要功能是通過控制電子膨脹閥開度，實現制冷劑流量自動調節。以制熱模式為例，說明電子膨脹閥控制（蒸發器出來）進入壓縮機的冷媒吸氣過熱度，進而對冷媒流量進行微調的過程。當熱負荷滿足后，熱能需求減少，此時冷媒流量較大，單位質量冷媒吸收的熱量下降，造成進入壓縮機的冷媒吸氣溫度降低，進而造成冷媒吸氣過熱度下降。此時需要減小電子膨脹閥開度，減少冷媒流量。通過控制電子膨脹閥開度實現制冷劑流量自動調節，從而使空調系統始終保持在最佳工況下運行，達到快速制冷/制熱、溫度精確控制、省電等目的。

用戶通過人機交互模塊輸入制冷目標過熱度和制熱目標過冷度。當制熱/制冷模式啟動后，系統對過熱度/過冷度進行調節。電子膨脹閥開度控制主要包括初始化、開閥控制和閉閥控制。電子膨脹閥初始化實現0脈沖起點調整，將閥全閉并調整起點至A相勵磁。施加520脈沖，進行閉閥動作。由于燃氣熱泵控制器主控芯片I/O 口數量有限，采用74HC595實現I/O口擴展。

監測進入壓縮機的冷媒吸氣溫度、排氣溫度和壓力，計算冷媒吸氣過熱度。采用比例-積分（PI）算法，根據吸氣過熱度和排氣溫度調整電子膨脹閥開度，見式(6)，ΔEXV是主回路電子膨脹閥調整開度，p1和p2是比例系數，i是積分系數。ΔTSSHk和ΔTSSHk-1分別是k時刻和k-1 時刻冷媒吸氣過熱度偏差值。Tsample表示采樣周期，Tresponse是積分響應時間常數。TSSHk和TSSHk-1分別是k時刻和k-1 時刻冷媒吸氣過熱度。Texhaustk和Texhaustk-1分別是k時刻和k-1時刻壓縮機排氣溫度。通過實時調整電子膨脹閥開度，控制蒸發溫度，保證不回液，保護壓縮機。電子膨脹閥開度控制流程如圖10所示。

圖10 電子膨脹閥開度控制流程圖

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊用于燃氣熱泵冷水機組狀態監測、系統參數設定、系統模式識別等，提升燃氣熱泵冷水機組整體能效和COP值，提高機組穩定性。人機交互模塊包括狀態監測、模式選擇、參數設置、狀態查詢等功能。人機交互控制結構如圖11所示。

圖11 人機交互控制結構圖

采用7.0 寸觸摸分辨率為800×480 的串口觸摸屏，利用觸摸屏配套的PC軟件VisualTFT設計燃氣熱泵冷水機監控系統界面，并通過USB 下載到觸摸屏內部的存儲器中。燃氣熱泵冷水機組主控制器發送指令并接收觸摸屏信息。圖片、字庫等文件的讀取由觸摸屏獨立完成。用戶通過觸摸屏選擇燃氣熱泵冷水機工作模式，并設定板式換熱器目標回水溫度和目標過冷/熱度。數據傳輸模塊將模式信息和設定參數傳輸到主控芯片，同時接收主控芯片發送的機組狀態數據，經觸摸屏顯示。通過觸摸屏設置系統參數，并控制系統制冷、制熱模式的啟停。

采用MCU 自帶的USART 接口接收和發送數據。首先對USART 接口進行初始化，等待接收或發送使能后，讀取發送幀或接收幀的ID 號，判斷發送方或接收方地址和發送次序，接收報文，重組計算接收到的信息。當用戶通過觸摸屏選擇“制冷”“制熱”“自動”“除霜”按鈕時，數據傳輸模塊將命令通過RS485傳輸到下位機，控制系統的工作模式和啟停。數據收發流程如圖12所示。

圖12 數據收發流程圖

3 結果與分析

3.1 出水溫度控制

發動機轉速影響燃氣熱泵冷熱水機組實驗系統的出水溫度，并調節其冷卻和加熱能力。通過制冷實驗研究了實驗系統出水溫度的變化，以驗證實驗系統的出水溫度控制性能。出口水溫設定為7℃，環境溫度為30℃，制冷模式下不回收發動機余熱。

實驗結果如圖13 所示，發動機轉速在800～1000r/min范圍內略有變化，出口水溫可快速調節，并表現出良好的穩定性。實際出水溫度與目標出水溫度之間的偏差小于7.2%。此外，實驗結果表明，本文提出的發動機轉速控制策略運行良好，在制冷工況下，當實際出水溫度高于目標出水溫度（7℃），發動機轉速升高，這表明制冷劑流量增大，制冷能力增強，從制冷劑中獲得的低溫水的冷卻能力增加，出水溫度逐漸降低，從而實現對出水溫度的閉環控制。

圖13 實際出水溫度與發動機轉速變化規律

3.2 發動機轉速控制

燃氣熱泵外機控制器根據負載實時調整發動機轉速。環境溫度為15.4℃，出水溫度設置為45℃。在制熱模式下，啟動實驗系統，對比發動機實際轉速和發動機目標轉速，驗證控制系統發動機控制模塊響應速度。如圖14 所示，實驗結果表明，發動機實際轉速隨發動機目標轉速持續穩定地變化，發動機實際轉速從800r/min逐漸增大，增加到1800r/min 的調整時間是385s。發動機實際轉速和目標轉速之間的偏差小于4.5%，沒有超調。在實際應用過程中，發動機轉速調整不應太快，以便減小發動機轉速波動，維持制冷劑流量和蒸發溫度的穩定性，以及燃氣熱泵系統的穩定運行。

圖14 發動機實際轉速隨目標轉速變化情況

3.3 系統制熱性能

通過實驗測試燃氣熱泵機組在不同低溫環境下的制熱性能，并對控制系統進行驗證。目標出水溫度是45℃，水的質量流量為3.4kg/s，發動機轉速是2400r/min。環境溫度從-20℃逐漸升高到7℃，并且回收發動機余熱。實驗系統的制熱量、回收的發動機余熱熱量和PER如圖15和圖16所示。

圖15 不同環境溫度下實驗系統PER對比

圖16 不同環境溫度下實驗系統制熱量和回收熱量對比

當環境溫度較低時，GHPW 系統的性能下降。然而，由于回收發動機余熱，實驗系統的制熱能力仍優于EHP 系統。隨著環境溫度從-20℃上升到7℃，實驗系統的制熱量和PER 逐漸增大。實驗系統的制熱量從52.94kW 逐漸上升到105.87kW，系統的PER 從0.8 平穩上升到1.5。隨著環境溫度的升高，實驗系統的低壓升高，循環制冷劑的質量流量增加，制熱量增加。同時，隨著環境溫度升高，發動機回收熱量先逐漸增加，當環境溫度是-2℃時，達到最大34.79kW，隨后發動機回收熱量下降。發動機回收熱量占制熱量的比重大于20%，在-10℃時最高，為40.0%；在-20℃時最低，為28.8%。

3.4 系統電功率

與EHP 通過變頻器驅動電壓縮機不同，GHP通過燃氣發動機機械驅動壓縮機。電壓縮機的額定功率較大，啟動功率通常是額定功率的3 倍。如表2所示，以30匹燃氣熱泵冷熱水機組外機為例，說明燃氣熱泵室外機電功率。燃氣熱泵室外機用電部件包括風機、水泵、電加熱器、主控制板等，室外機電功率總和約2.5kW（不包括外部冷凍水泵）。GHP 的用電量遠小于EHP，大約是EHP 用電量的10%。GHP可以降低夏季高峰電力峰值負荷并平衡天然氣季節性峰谷差。由于GHP 耗電量低，不需要電力增容，采用GHP 可以降低電力設施投資，特別是在電負荷占總負荷比重較大的酒店等應用場景。根據《全國供用電規則》規定，用戶需要繳納基本電費和電度電費，電度電費包括目錄電費、線損電量和變損電量。一年中學校有三個多月不用電，但仍需支付基本電費和無功損耗電費，如果采用GHP 系統，寒暑假可節約電費支出。另外，醫院、養老院等非盈利機構享受最低檔氣價優惠政策，采用GHP系統可以大幅降低運營成本。

表2 燃氣熱泵實驗系統電功率計算表

4 結論

本文提出了一種嵌入式控制系統來控制GHPW，并通過實驗討論了基于該控制系統的GHPW系統的運行特性。主要結論總結如下。

（1）本文提出的控制器結構簡單、集成度高、成本低，控制方法易于實現和普及。

（2）控制器對發動機轉速和蒸發溫度進行雙閉環控制，系統穩定，出水溫度控制準確。

（3）低溫環境下，發動機回收熱量占制熱量的比重始終大于20%，說明發動機余熱顯著提高了GHP系統的制熱能力和PER，節能優勢顯著。

（4）當環境溫度為-20℃時，GHPW 系統的性能降低。然而，GHPW系統的加熱能力為52.9kW，其中包括15.26kW的回收熱量，制熱性能優于沒有發動機余熱回收的熱泵系統。

符號說明