论文总字数：28295字

摘 要

为了得出在不同空调负荷状态下，混合动力驱动的分布式供能系统中燃气发动机部分的运行特性，确定燃气发动机的经济运行区域，并获得燃气发动机的最佳运行方式和运行参数。本文根据课题所给参数，设计了一种基于混合动力技术与燃气热泵系统结合的分布式供能系统。本系统采用了并联式结构，以燃气发动机和蓄电池作为动力源。本文详细介绍了分布式供能系统的工作原理和部分工作模式，对系统的各个部件进行了选型，在绘制了系统流程图后搭建了实验台，并通过试验台对系统进行了不同工况的测试。实验收集了系统在冬季制热工况和夏季制冷工况下的数据，本文仅对冬季制热工况数据进行了分析。根据对实验数据的分析，初步确定燃气发动机转速在2250rpm-3800rpm时工作在经济运行区域，此时系统负荷为6.6-12.4kW。之后通过对系统在不同工况下燃料转换效率的讨论，证明了发动机经济运行区域的可靠性。实验证明在不同工况下，随着压缩机（发动机）转速的提高，压缩机的功率、制热量以及系统余热的回收量均呈线性上升，只有热泵系统的制热能效比（COP）在不断下降，但最低仍有2.8。系统最高燃料转换效率约为0.22，在系统处于中等负荷工况时具有最高的平均燃料转换效率，约为0.2。说明在该系统中燃气发动机的最佳运行方式是在中等负荷工况下单独驱动热泵系统。

关键词：分布式供能，混合动力系统，燃气发动机，经济运行区域

Design And Experimental Study On The Distributed Energy-supply System

Abstract

In order to get the gas-engine operating characteristics of the hybrid drive distributed energy-supply system under different air conditioning load. Determine its economic area and best operation mode and parameter. In this paper, according to the given parameters we designed a distributed energy-supply system based on the hybrid power technology and gas heat pump system. This system has parallel structure, and it using gas-engine and battery as a power source. This paper introduced the working principle and working mode of the distributed energy-supply system in detail. It has chosen the part of the system and builds a test bench. Then it tests the system under different working condition by the test bench. The experiment has collected the winter heating condition and summer refrigeration condition data of the system. This paper only analyzed for winter heating condition data. According to the analysis, it can preliminary sure the gas-engine working in the economic area when it speed in 2250rpm-3800rpm. The system load is 6.6-12.4kW. Then we discussed fuel conversion efficiency of the system in different working condition. It proved the economic area is reliable. The test show us the compressor power, heating capacity and waste heat recovery are all increased with the improvement of the compressor (engine) speed, only COP is falling, but it still has 2.8 at least. The highest fuel conversion efficiency is about 0.22, it has the highest average fuel conversion efficiency is about 0.2 when the system working in medium load condition. It means the best operation mode of gas-engine is driven heat pump system alone in this system.

KEY WORDS: The distributed power, Hybrid system, gas-engine, economic area

目 录

摘 要 3

Abstract 3

第一章 绪 论 7

1.1 研究背景 7

1.2 国内外研究现状 8

1.2.1 国外研究现状 8

1.2.2 国内研究现状 8

1.3 论文的主要研究内容 8

第二章 基于HPGHP系统的分布式供能系统的构建 9

2.1 混合动力系统的选择 9

2.2 分布式供能系统的简介 10

2.2.1 分布式供能系统的原理 10

2.2.2 分布式供能系统的工作模式 11

2.3 热泵系统的循环过程 11

2.4 余热回收系统的选择 12

2.5 本章小结 13

第三章 并联式混合动力燃气热泵分布式供能系统的设计 14

3.1 驱动系统的设计 14

3.1.1 驱动系统几种工作模式的分析 14

3.1.2 燃气发动机的选型及参数 16

3.1.3 电机的选型及参数 16

3.1.4 蓄电池的选型及参数 17

3.1.5 传动比的选定 18

3.2 热泵系统的设计 18

3.2.1 制冷剂的选择 18

3.2.2 室内外侧换热器的选择 19

3.2.3 压缩机的选型及参数 19

3.3 余热回收系统主要部件的选型 19

3.3.1 发动机缸套冷却水温 19

3.3.2 换热器的选型及参数 19

3.4 实验台流程图 20

3.5 本章小结 20

第四章 并联式混合动力系统中燃气发动机的运行特性分析 21

4.1 HPGHP系统分析 21

4.1.1 燃气发动机的性能测试 21

4.1.2 实验数据处理 22

4.2 热泵系统工况分析 24

4.2.1 驱动系统运行模式切换点 25

4.2.2 各种工况下对发动机运行特性的分析 25

4.3 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 研究展望 31

致 谢 32

参考文献（References） 33

绪 论

1.1 研究背景

在世界科技不断进步发展的同时，能源问题也一直困扰着世界各国的科学家们。2015年6月，英国石油（BP）公司发布了最新一期的世界能源统计年鉴报告，报告指出在2014年全球经济快速增长的同时，全球的一次能源消费量却显著降速。然而尽管2014年全球能源需求减速以及燃料结构发生了变化，但除核能以外，各种燃料的消费量仍创新高，而除煤炭以外的各种化石燃料的生产量也在持续上升。能源结构的变化一定程度上遏制了二氧化碳排放量的增长速度，但其排放总量并没有下降。在全球范围内，石油占一次能源消费的32.6%，煤炭也占有30.0%，而天然气仅占23.7%。从数据中我们可以看出，天然气的使用潜力仍有待进一步的开发。

虽然新兴经济体的能源消费增速远低于过去十年的平均值，但正如过去二十年来的一贯表现，来自新兴市场的这部分增长代表了全球能源消费的净增长部分^[1]。虽然近年来中国正在改善自身的能源结构，对于煤炭的消费和生产有着明显的降速，但其仍是我国的主要能源来源。在不考虑环境污染的情况下，煤炭是一种优秀的能源，它廉价，开采容易并且储量巨大，但燃烧煤炭所带来的大量污染问题，使我们不得不去寻找更加优质的燃料。在降低环境污染方面，天然气就属于这样的优质燃料，作为化石燃料中最清洁的一种，中国有必要增大其在能源消费结构中的比重。值得欣慰的是，中国也确实在这么做，报告显示在2014年我国天然气的消费涨幅达到了8.6%。虽然这远远无法使得我国的排放显著降低，但这至少是一个开端。

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