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随着能源与环境问题日益严重,积极研发节能环保的技术与设备已成为人们的共识。燃气热泵由于使用天然气为其驱动能源,除了高效、节能、环保的优势外,更能与电力系统形成互补,缓解夏季用电高峰时的电网压力;混合动力技术在汽车领域得到了成功的应用,由于其节能环保的特点,成为了汽车未来发展的方向之一。因此,将燃气热泵技术与混合动力技术相结合,构建一种混合动力燃气热泵空调系统,具有极大的社会价值和市场前景。
常规燃气热泵通常在部分负荷下运行,随着用户需求的变化,发动机运行工况变动频繁,常常处于低负荷,甚至怠速运行状态,导致发动机运行热效率低,排放量大,降低整个热泵系统的运行性能。混合动力燃气热泵系统由于具有蓄电池和发动机两个动力源,通过两者之间合理的配合与协调,使发动机保持在其运行经济区内,有效的避免了常规燃气热泵系统的缺陷。
本文详细分析了串联延长型、并联助力型和混联双模式型这三种不同类型混合动力系统的优缺点,通过讨论选择混合动力技术类型时所需考虑的四个因素,确定了本文的研究对象——并联助力型混合动力燃气热泵空调系统。本文主要研究内容如下:
(1)初步设计了一个并联助力型混合动力燃气热泵系统,详细分析其工作流程,提出其5种运行工况:启动工况、电机单独驱动工况、发动机单独驱动工况、发动机驱动并充电工况、发动机和电机共同驱动工况:详细分析了这5种工况的运行特点并以发动机燃料经济性最优为目标制定了5种工况之间相互切换的能量控制策略。
(2)分别建立了系统各部件的数学模型,提出了能分析混合动力燃气热泵系统性能的依据——综合效率的概念。通过将整个热泵驱动系分为充电工况(发动机驱动并充电)和发电工况(电机单独驱动、发动机单独驱动、发动机和电机共同驱动),建立了混合动力燃气热泵驱动系综合效率的数学模型。
(3)以Matlab/simulink为平台,加入混合动力燃气热泵驱动系能量控制策略,建立了整个热泵系统的动态耦合模型并进行了仿真分析。结果表明:设定工况下,系统制冷性能系数(COP)在2.5~5.2之间,随着压缩机转速的增加而减小;系统制热性能系数(COP)在4~10之间,随压缩机转速的增加而减小;混合动力驱动系充电工况综合效率在0.262左右,比相同负荷下的常规燃气热泵驱动系效率高了约7.38%;混合动力放电工况中电机单独驱动模式综合效率约为0.083~0.15;发动机单独驱动模式综合效率约在0.277~0.252之间,比常规燃气热泵效率略低;发动机和电机共同驱动模式综合效率约为0.252,比常规燃气热泵系统效率高了约7.92%。