通常来说，天然气燃烧以后，可以提供大量的热能供给人们取暖、做饭，但你知道吗，燃烧的天然气居然还能制冷！

图1 家用管道天然气（图片来源：Veer图库）

什么是燃气热泵

众所周知，普通水泵可将水流从低位泵送至高位，那么“热泵”又是什么呢？

热力学第二定律告诉我们，热量可以从高温物体自发地传递到低温物体，但却不能自发地从低温物体传递到高温物体——与水泵的“反向操作”类似，热泵装置可消耗一定的机械能将热量从低温环境“泵送”至高温环境，这就是普通空调的温控原理。按照驱动热泵的方式，可将热泵分为电力驱动、热能驱动和发动机驱动。

图2 燃气热泵产业化示范工程（图片来源：中国科学院广州能源研究所网站）

与普通电空调中的电力驱动压缩机的方式不同，由中国科学院广州能源研究所储能技术研究室研发的国内首套燃气热泵（GHP）主要是由燃气发动机驱动开启式涡旋压缩机的超高能效空气源热泵系统，其复杂的热力系统耦合控制技术、系统集成化打破了日本企业在该领域的技术垄断，实现了国产化，并将为“双碳目标”的实现提供助力。

图3 燃气热泵室外机（图片来源：中国科学院广州能源研究所网站）

图4 GHP系统示意图（图片来源：作者提供）

除控制器系统外，GHP包含了四个子系统，分别为动力系统、热泵系统、循环水系统和余热回收系统。动力系统主要是由天然气发动机、皮带轮构成的，热泵系统主要包含了开启式涡旋压缩机、冷凝器、蒸发器与节流阀，循环水路系统在室内侧换热器为冷凝器时，回收制冷剂中的热量，在室内侧为蒸发器时，则回收制冷剂中的冷量，余热回收系统不仅回收了天然气发动机缸套水中的热量，还回收了烟气中的热量，使得烟气排放的温度低于100℃。

天然气在燃气发动机内燃烧后，约有30%~35%的热量转化为轴功经机械效率极高的多楔带牵引涡旋压缩机工作，使其中的R410A制冷剂做蒸汽压缩循环，其余65%~70%的热量中的大部分热量由余热回收系统传递给循环水系统，机组的额定制热能力为85kW，最大制热能力超过100kW，额定制冷能力为71kW。

GHP的发展简史

l 1947 前苏联 B.A.兹辛 用煤气机驱动热泵

l 1948 美国 K.W.Miller 推广应用

l 1977 德国 第一台GHP系统投运，用以加热泳池

l 1987 日本 开始市场销售

l 1988 日本 中小型机组的批量生产，技术逐渐成熟

l ~至今 技术国产化

燃气热泵的作用

炎热的夏天里，房间内的温度相对室外为低温环境，那么热量怎么从房间跑到室外环境去呢？

这是因为热泵系统中的制冷剂经压缩机压缩为高温高压的气体后，在室外换热器中相对于环境温度为高温状态，此时其热量自发地释放给环境变为液态制冷剂，经电子膨胀阀降压节流后变为低压低温的两相态制冷剂后流入室内换热器，吸收循环水中的热量后完全蒸发为气态制冷剂后进入压缩机开始下一个循环，与此同时低温循环水与室内空气换热，将其冷量释放给房间。

转念一想，寒冷的冬天里，房间内的温度相对室外为高温环境，热量怎么从室外环境跑到房间去呢？

这是因为热泵系统中的制冷剂经压缩机压缩为高温高压的气体后，在室内换热器中将热量传递给循环水，循环水被加热后与室内空气换热，将其热量释放给房间，与此同时冷媒由气态变为液态，在经过电子膨胀阀降压节流后变为低压低温的两相态后流入室外换热器，吸收环境中的热量完全蒸发后进入压缩机开始下一个循环。

除此之外，还有更强大的功能吗？

确实是有的！借助GHP中独特的余热回收系统，可在制冷、制热的同时获得25~30kW的生活热水供不同场景使用，甚至在极低温环境下实现制热工况，这是电热泵不可比拟的。在环境温度-10℃时不影响制热性能，还能实现不停机化霜。

图5 燃气热泵的适用情景（图片来源：作者提供）

燃气热泵的优势

与电热泵（EHP）相比，GHP具有超高的一次能源利用率。以冬天制热为例，让我们看看一份能量分别在EHP与GHP中能量到底发生了什么变化？

简单来说，不管是EHP还是GHP，从空气中获得的低品位热量是相当的，但相比EHP，GHP对天然气燃烧后的余热进行了直接利用，使得热经济价值回归到用户手上。经过测算，在同等产出的制热效果下，如果使用EHP消耗的一次能源将是使用GHP的1.36倍。

图6 GHP与EHP能流对比图（图片来源：作者提供）

目前我国电力资源的主要来源仍依靠火力发电，“绿电”的间歇性与波动性仍然是不可忽视的问题，也就是说短时间内，可再生能源还难以堪当大任。据统计，天然气作为一种清洁能源，每替代1%煤炭，将减排二氧化碳2亿吨，同时它有着与电网负荷峰谷差相反的趋势，在暖通空调能耗占比社会总能耗15%的背景下，GHP能极大减小配电容量，对“移峰填谷”起到积极作用。

以重庆市为例，正是其相对廉价的天然气资源，良好地平抑了电力需求的“尖峰”月份。

图7 重庆市2021年发电量和天然气供应量（图片来源：国家统计局 重庆市经济和信息化委员会）

GHP的气源不仅仅只是天然气，还可以是沼气、生物质气等“绿气”。以气源为天然气的情况为例，GHP用于代替燃气锅炉时，燃气消耗量及碳排放量降低40%以上，应用于热泵空调时，消耗一度电排放的CO2按0.79kg计，GHP在相同情况下的碳排放为EHP的60%。

想一想，在沼气富集的农村，燃烧后的CO2还能通往温室大棚，是不是还挺美的！

编辑：孙晨宇

出品：科普中国

作者：田佳垚（中国科学院广州能源研究所）

监制：中国科普博览

参考文献：

[1] Jiayao Tian, Yafei Hu, Jie Lv, Ziping Feng, Wenji Song. Modelling and performance analysis of power system in gas engine-driven heat pump, Applied Thermal Engineering (2023) DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120015

[2] Roselli C , Marrasso E , Sasso M . Gas Engine-Driven Heat Pumps for Small-Scale Applications: State-of-the-Art and Future Perspectives[J]. Energies, 2021, 14.

[3] Y. Hu, J. Lv, C. Huang, W. Song, Z. Feng, Experimental investigation on heating performance of a gas engine-driven heat pump system with R410A, Applied Thermal Engineering (2022)

doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118863

[4] 胡亚飞,吕杰,韩涛,宋文吉,冯自平.基于余热回收的燃气热泵系统高温制热特性[J/OL].化工进展:1-17[2022-07-15].DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1869.

[5] Sanaye S , Chahartaghi M . Thermal modeling and operating tests for the gas engine-driven heat pump systems[J]. Energy, 2010, 35(1):351-363.