燃气发动机包括燃气内燃发动机、燃气轮机和微燃机等。其中燃气轮机单机容量一般较大，微燃机造价偏高，因此一般在民用建筑领域应用较少。燃气内燃发动机在小功率范围内具有设备型号齐全且技术成熟、热效率高、对气源要求较低、部分负荷性能较好、价格相对较低等突出的优点，因此在燃气发动机热泵中被广泛应用，本书将重点介绍燃气内燃发动机驱动的热泵。

燃气发动机热泵，主要是天然气发动机热泵，依靠天然气的燃烧产生高温燃气，推动汽轮机带动压缩机叶轮一起旋转，为热泵提供驱动力；同时能回收发动机及烟气的余热，作为热泵热源和供热水，如图5-12所示。热泵技术的成熟为天然气应用与热泵的结合创造了有利条件，燃气发动机热泵更由于其冬季余热的利用弥补了传统热泵冬季效率低的缺点。燃气发动机热泵与电动热泵相比，主要区别在于利用燃气发动机代替电力作为压缩机的动力，两者工质循环过程则完全相同。可见燃气发动机热泵与电动热泵一样有较高的性能系数，并且由于无须考虑电力系统的发电效率及输配电效率，同时回收发动机的废热作为热泵热源或用于生产生活热水等，能源利用效率有进一步的提高。

图5-12　燃气发动机热泵示意图

燃气发动机热泵与电动热泵相比，具有几个鲜明的特点：

（1）发动机驱动容易进行转速控制，部分负荷工况下效率更高。

（2）在冬季回收发动机余热可以有效改善热泵工况，避免了低温工况下的蒸发器结霜问题，并且增加热泵出力，在寒冷地区应用更有优势。

（3）由于增加了燃气发动机，设备初投资较高。

这些特点决定了燃气发动机热泵比电动热泵适用范围更广，冬季供热工况下效率更高，具有一定的技术优势。目前燃气发动机热泵基本为空气源热泵，因此单机容量较小，一般适用于供能面积较小（一般在5000 m2以下）的建筑。

燃气内燃发动机余热包括高温烟气和冷却水两部分。应用到热泵系统中时，输出的机械能用于驱动压缩机运行，其余热分别通过烟气换热器和缸套水换热器在冬季被蒸发器处的工质吸收，夏季排放或用于供应生活热水。

热泵系统的能量指标通常用供能系数（COP）、一次能源能效比（EER）和一次能源利用率（PER）来衡量。如果除了动力源以外热泵系统的结构形式及系统配置完全相同，则夏季在相同环境条件下，燃气发动机热泵和电动热泵运行工况将完全一样，此时两者区别仅在于电动热泵以电能转换为机械能驱动压缩机组，燃气发动机热泵则以燃气发动机产生的机械能直接驱动热泵，由于电能转化为机械能的效率接近1，因此此时以直接用于驱动压缩机所消耗的能量W为计算基准的制冷系数（COPc）将基本相同。在冬季工况下，即使高温热源侧（用户侧）温度相同，在低温热源侧（环境侧）由于燃气热泵可以吸收发动机的余热，蒸发温度相应提高，因此燃气热泵供热系数（COPh）较高，当外界环境温度较低时此差异更为明显。

对于燃气发动机热泵来说，一次能源能效比高于电动热泵的能效比，其供热量中约28％的热能来自燃气发动机组产生的机械能，约30％的热能来自燃气发动机组的余热，只有约42％的热量来自周围环境。而对于电动热泵来说，供热量中有29％左右的热能来自压缩机所消耗的电能，另外有71％左右的热量需要从周围环境获得。可见电动热泵对外界环境的依赖性更强，因此在环境温度较低、外部热量不易获得时其运行效率将远低于燃气发动机热泵。

从一次能源利用角度来看，燃气发动机热泵系统直接利用一次能源，其中38％左右先转化为机械能，最终转化为热能，另外还有42％左右的发动机余热可以直接以热能的形式被利用，因此总的一次能源利用效率约为80％，即有PERGHP≈0.8；电动热泵系统的一次能源要从目前占电力装机绝对主力的燃煤发电计算，即燃煤发电所消耗的一次能源中只有33％左右先转化为电能再转化为机械能，最终转化为热能，总的一次能源利用效率只有33％左右，即PEREHP≈0.33。

虽然燃气发动机热泵的技术经济性能在各方面均优于电动热泵，但国内相关产品还处于研发试用阶段，价格较电动热泵高出许多，还未能实现广泛应用。但燃气发动机热泵的研究应用仍具有重要意义，相信在不久的将来，价格降低，燃气发动机热泵的优势便能得以发挥。(www.daowen.com)

燃气发动机热泵空调系统是燃气发动机热泵的一个应用，如图5-13所示。燃气发动机热泵空调通过燃气发动机驱动制冷压缩机（活塞式、螺杆式或离心式），同时回收发动机缸套冷却水热量和尾气中的废热（可用于吸收式制冷机或产生热水、蒸汽等），其工作原理不同于一般电驱动空调机。

燃气发动机驱动空调技术有以下方面的应用。

（1）燃气发动机驱动小型家用空调。机组由燃气发动机、压缩机、室内机、室外换热器、尾气回收装置、膨胀阀、换气机等组成。它以燃气发动机为动力来源，带动室外机内的压缩机工作，制冷、采暖两用。通过制冷循环，在夏季高温季节将室内的热量吸收送至室外，冬季则将室外的热量以及发动机排出热量送入室内供热。

图5-13　燃气发动机热泵空调系统示意图

（2）燃气发动机热泵冷热水机组。机组同时向用户提供热水和冷水，这种同时兼有制冷机与热泵功能的热力机称为联合循环机。以联合循环工作的热泵，能够获得更好的节能效果。机组提供的高位热能包括三大部分：冷凝器放热；燃气机缸体冷却热的回收部分；排烟热回收器回收的排烟余热。

国外早在20世纪70年代就已研制成功类似的用燃气发动机驱动的空气源热泵机组。它可为住宅供冷、采暖、供应热水。目前，国外的燃气发动机热泵已有广泛的市场。民用燃气发动机热泵在美国也已经商业化。燃气发动机具有调速性能好的优点，能在较大转速范围内工作，通过调整燃气输入量，可以方便地改变发动机的工作转速和输出功率，从而使压缩机的排气量和制冷量改变，同时降低燃气的消耗量。在冬季，随着环境温度的下降，一般热泵的制热量及供热系数明显地下降，相反，环境温度的下降将引起采暖负荷的明显增加。燃气空调可以解决这一矛盾，通过余热利用或直接蓄热来改善热泵的运行性能。燃气空调在效率、可靠性、舒适性等方面有优势，并已证明其结构临界寿命可达到15年。

（3）热电冷三联供系统。CCHP系统（combined cooling heating power）是以燃气为能源在建筑物内进行热电冷三联产的供能系统。CCHP涉及众多领域：先进的燃气涡轮机，微型涡轮机，先进的内燃发动机，燃料电池，吸收式制冷机及热泵、干燥及能量回收系统、引擎及电动驱动系统热能的储存及传输技术和控制及系统集成技术等。燃气发动机驱动发电机供应房间照明等用，同时，发动机水套产生的热水通过低温热交换器产生生活热水，应用于淋浴、游泳池等。另外，发动机产生的高温烟气可以用于吸收式制冷机，产生冷、热水，用于房间的空气调节。它通常由各种原动机（燃气机或燃气透平-燃气轮机）以及为利用其排热而设置的废热锅炉、热交换器、吸收式制冷机等构成。

热电冷三联供是一门能源综合利用技术，在发电的同时，有效地利用汽化潜热进行供热，合理地实现了热能由高到低的梯级利用，总的热效率可达到90％以上。它不仅提高了能源利用率和设备利用率，还可以减少环境污染，增加电力供应并有利于削峰填谷。利用供热式汽轮机排出的废气制冷，可以在生产电能、热能的同时，提供冷水用于空调和工艺。当前无论考虑经济效益还是社会效益，热电冷联产是解决城市供热、供冷需求的有效途径。在具备城市集中供热管网和集中燃烧供应的城市，可利用热网提供蒸汽或热水，或利用燃气供溴化锂吸收式制冷机对住宅小区供冷。在主要城市，以改造原小区供热系统为突破口，加紧试点，积极推广。用于大型建筑的小型燃气热电冷联供系统亦是一个发展方向。在一定意义上，天然气的工业应用可以为热电联供增加新动力，更重要的是为中小型发电设备提供了一个很有生机的市场。

（4）除湿蒸发冷却系统（DECS）是在蒸发冷却研究基础上提出的一种不受环境影响的制冷空调方式，具有良好的应用前景。但它也是利用热能作驱动能源实现空调制冷的设备。该系统采用的除湿剂是溶液，它在除湿器中对新风进行除湿，吸收水分成为稀溶液，必须在再生器中被再生热源加热，除去水分、提高浓度，才能恢复其除湿功效。使用太阳能、余热或其他低温热源会有很多不方便之处，影响其推广使用，而使用燃气加热是一种比较理想的办法。可以说燃气除湿蒸发冷却系统是新型的节电、节能、经济的空调技术。英国在控制空气湿度方面的研究方面取得了关键性进展，研制的燃气除湿被分为两个区段，即一个区段对空气进行除湿处理，另一区段使用燃气对除湿剂进行再生，这种连续运转，显著地降低了降低湿含量的运行费用。DECS系统不仅经济，而且相当灵活；不仅可以在夏季用于空气的除湿来给人们的生活空间供应高品质的空气，而且可以独立在高湿度季节作为去湿之用，而在过渡季节则可以用于通风与除尘杀菌，改善人们的生活空气质量。由于该系统从根本上改换了工质，因此完全不存在CFC或HCFC等问题，而且还可以减少HFC等温室气体的排放，对环境不产生污染，最终大大改善空气的品质。

以上是对燃气机驱动空调系统各种应用形式的介绍。通过以上综述，可以发现燃气发动机热泵系统是一种非常灵活的空调系统，可以适合从小到大的各种场合，而且均具有较高的能源利用效率。从目前我国的国情出发，燃气发动机热泵系统可以作为电能资源的有效补充，实现能源使用多元化，平衡电网负荷，同时可以解决严寒地区热泵供热量不足的问题。燃气空调可减少环境污染。因为天然气不含硫，如1000冷吨燃气制冷机比同等规模电制冷机可减少二氧化硫排放量100％，减少氮氧化物排放量60％，减少二氧化碳排放量40％，减少其他微粒排放量97％。

燃气空调可合理使用能源。首先，燃气空调可以充分利用地球上现有的各种资源，均衡燃气和电力的能源利用。其次，燃气空调的能源利用率高。对于天然气来说，通常被传输到最终使用点时的效率为91％，也就是说，每100 kJ的天然气井的能源最终能利用91 kJ。但是如果以燃煤电厂为能源，每100 kJ的煤炭热量最终能利用的只有25～30 kJ。所以从一次能源角度看，燃气空调是非常有竞争力的。燃气空调的另一个更大的优势就是可实现热电冷三联供。这种系统由于充分利用了燃气发动机的余热，其效率可以提高40％以上。这种方式对独立的小区、住宅有相当大的发展前景，可带来很大的经济价值和使用价值。燃气空调有利于调整燃气峰谷负荷。随着我国天然气工业的发展，更多的地方将用上天然气。但所有应用天然气的地区均面临同一难题，即冬季用气高峰与夏季用气低谷对供气造成的压力。因此如何提高夏季用气量，提高经济效益，成为人们关心的焦点。如果扩大燃气消费新领域，发展燃气空调，就可以弥补城市在夏季燃气用量的低谷，能起到平衡调峰作用。燃气直燃机还为过去一直不便使用而放空的低热值、低品位的燃料提供了良好的应用前景，起到节能增效的作用。燃气空调可以削减电力高峰。随着经济的发展，电力供应不足，尤其是在最炎热的夏季，会出现缺电现象。加之国内空调需求量连年剧增，空调用电给中国本来就匮乏的电力工业雪上加霜。而燃气空调根据其工作原理可知用电量极少，另外天然气基础设施投资与同负荷的电力投资相比只有10％，因此发展和应用燃气空调不仅可以缓解电力紧张的局面，还可以提高电力负荷率，削峰填谷，大幅度降低电力成本。