淺談燃氣熱泵系統(tǒng)技術經濟性分析

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　　隨著我國經濟的發(fā)展，人民生活水平提高，以及全球變暖的氣候影響，我國制冷市場需求快速提高?，F(xiàn)階段制冷的主要能源為電力，燃料油和天然氣只占很小比例。電空調是一種高能耗設備，而且是負荷非均衡性的能耗設備，雖然國家建設了大批調峰機組、調峰電站，但仍無法確保不斷猛增的用電高峰負荷，夏季頻頻出現(xiàn)用電高峰期設備過載、掉閘斷電現(xiàn)象，影響群眾的正常生產生活。

　　北京市的天然氣應用近年取得了飛速的發(fā)展，為提高首都居民生活水平、改善首都大氣環(huán)境、促進北京申奧成功做出了巨大的貢獻。但仔細分析北京市天然氣供應量的分布，冬季采暖用氣量非常大，而夏季制冷用氣始終保持在一個很低的水平。天然氣輸配管網和設施必須按最大供應能力建設，這樣當夏季供氣低谷時必然造成管網資源的閑置和浪選?
　　通過以上分析可以看出，燃氣與電力都存在峰谷差的難題，但是燃氣峰谷與電力峰谷有極大的互補性，夏季是燃氣使用的低谷，卻是電力負荷的高峰期，燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，實現(xiàn)資源的充分和均衡利用。

　　燃氣熱泵（GHP）也稱熱泵式燃氣空調，是天然氣用于中小型建筑物制冷和供暖的一種新的形式。

　　2 燃氣熱泵（GHP）系統(tǒng)介紹

　　2.1 燃氣制冷系統(tǒng)分類

　　燃氣制冷系統(tǒng)按工作原理主要分為吸收式和壓縮式，目前利用天然氣進行制冷的系統(tǒng)主要有三種：利用天然氣燃燒產生熱量的吸收式冷熱水機組（直燃機）、利用天然氣燃燒余熱的吸收式冷熱水機組（對接式直燃機）和利用天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷供暖機組（燃氣熱泵）。其中直燃機一般應用于2萬平米以上的大型建筑，對接式直燃機更是應用于大型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，而燃氣熱泵可以靈活應用于中小型建筑物，以燃氣作為能源提供制冷和供暖。

　　燃氣熱泵（GHP—Gas engine Heat Pump）的是以城市燃氣作為能源，通過燃氣發(fā)動機做功驅動壓縮機，使冷媒循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱，在冷凝器中液化放熱，實現(xiàn)熱泵循環(huán)，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機組實現(xiàn)制熱和制冷功能的切換。

　　燃氣熱泵（GHP）系統(tǒng)從其設備組成上來說主要分為室外機、室內機、冷媒連接管路、冷凝水管路、燃氣供應系統(tǒng)、電力供應系統(tǒng)和控制線路系統(tǒng)。其中室外機內的燃氣發(fā)動機是整個系統(tǒng)的心臟部分。

　　4 技術分析

　　4.1 GHP系統(tǒng)的特點

　　4.1.1優(yōu)化能源利用結構

　　燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，緩解夏季用電高峰，提高燃氣管網利用率，實現(xiàn)資源的充分和均衡利用。

　　4.1.2使用一套系統(tǒng)解決夏季制冷和冬季供暖

　　GHP系統(tǒng)可以在供暖的熱泵循環(huán)中有效利用燃氣發(fā)動機排出的熱量和發(fā)動機冷卻水系統(tǒng)的熱量，使GHP系統(tǒng)的供暖能力受室外溫度影響?。?20℃以上供暖能力不受影響），可適用于更低的環(huán)境溫度；同時無需除霜，在寒冷地區(qū)可快速啟動，具有電空調無法比擬的供暖優(yōu)勢。

　　4.1.3 環(huán)保性能優(yōu)異

　　我國燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%以上，因此電力并不能算做真正意義上的清潔能源，GHP系統(tǒng)以天然氣、城市煤氣、液化石油氣等燃氣作為能源，是真正清潔的一次能源；設備運轉低排放，低噪音，低振動；冷媒使用環(huán)保新冷媒R407C，對大氣臭氧層無破壞作用。

　　4.1.4 更大的空調穩(wěn)定性和舒適性

　　以燃氣發(fā)動機為動力，可根據制冷供暖時的負荷變化，電腦控制無級變速調節(jié)發(fā)動機轉速以控制壓縮機轉速，保持室內溫度更加穩(wěn)定、舒適。

　　4.1.5 室外機室內機搭配靈活

　　GHP系統(tǒng)的室外機有28~56KW多種規(guī)格，室內機也有壁掛式、吸頂式、嵌入式、落地式等不同功率的多種規(guī)格，一臺室外機最多可帶20臺室內機。因此，可根據建筑物的不同規(guī)模和功能靈活搭配GHP室外機和室內機，按不同區(qū)域構成相互獨立又相互聯(lián)系的系統(tǒng)，滿足不同的負荷需求。

　　4.2 技術成熟性

　　日本是世界上GHP系統(tǒng)應用最廣泛的發(fā)達國家。20世紀80年代，隨著日本電力需求激增和第二次燃油危機的爆發(fā)，日本政府出臺了新能源政策，推進能源利用的多樣化和均衡化，鼓勵利用海上進口的天然氣作為能源。1980年到1987年是GHP技術的研制階段，1987年開始市場銷售， 1988年銷售10322臺，到2001年年銷量已達到46274臺，2003年累計銷量約50萬臺，廣泛應用于商場、賓館、辦公樓、娛樂場所、醫(yī)院、集體宿舍、別墅、學校等場所。經過20多年的研究和發(fā)展，GHP技術已經是一項十分成熟的技術。

　　4.3 技術適用性

　　經過我們對北京試驗項目GHP系統(tǒng)實際運行狀態(tài)和運行數據的研究，GHP系統(tǒng)在北京市的氣候、環(huán)境、天然氣氣質等條件下制冷和供暖運轉十分正常，用戶對使用效果非常滿意，廢氣排放、噪音和震動等指標完全符合我國相關法規(guī)和規(guī)定的要求，適合在北京地區(qū)和全國范圍內推廣。

　　5 經濟分析

　　下面以所進行試驗項目的建筑物作為模型，進行幾種制冷供暖方式應用于中小型建筑的方案比較。

　　5.1 參數說明

　　該建筑是位于北京市石景山區(qū)七星園小區(qū)的三層辦公樓，建筑面積為600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。該建筑用途為辦公用房，根據國家標準單位建筑面積制冷負荷選取100 w/m2，建筑總冷負荷約為60 Kw；單位建筑面積供暖負荷選取為60 w/m2，建筑總熱負荷約為36 Kw。北京市天然氣熱值按8300kcal/Nm3計算，天然氣價格按制冷1.70元/ m3，供暖1.90元/ m3，電價按平均0.633元/ Kwh計算。

　　各方案一次性投資詳見附表一，運行費用詳見附表二。

　　5.2 燃氣熱泵（GHP）系統(tǒng)制冷供暖（方案一）

　　5.2.1一次性投資

　　GHP系統(tǒng)由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成。配套燃氣系統(tǒng)接自其樓內原有低壓（2KPa）天然氣管線，電力系統(tǒng)接自其樓內原有配電箱220V電源。

　　本方案投資未計GHP系統(tǒng)施工安裝費用和配套燃氣、電力系統(tǒng)投資。

　　該建筑辦公室面積小數量多，因此GHP系統(tǒng)室內機數量較多，導致單位建筑面積投資額較高；若建筑物的開間大、布局合理，單位建筑面積投資額可降至約600元/ m2。

　　5.2.2 運行費用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算，能耗指標為試驗所得數據。

　　5.3電力中央空調（EHP）系統(tǒng)制冷供暖（方案二）

5.3.1一次性投資

　　EHP系統(tǒng)同樣由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成，設備型號規(guī)格與GHP系統(tǒng)相同。電力系統(tǒng)接至其樓內原有配電箱220V電源。

　　本方案投資未計EHP系統(tǒng)施工安裝費用和配套電力系統(tǒng)增容等投資。

　　5.3.2 運行費用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。

　　5.4直燃機系統(tǒng)制冷供暖（方案三）

　　5.4.1 一次性投資

　　采用直燃機需在建筑物周圍建設直燃機房，設15萬大卡/小時直燃機1臺，且直燃機的燃燒機使用5~15KPa天然氣氣源，需建設天然氣調壓設施。

　　本方案投資未計直燃機系統(tǒng)施工安裝費用和配套燃氣管道投資。

　　5.4.2 運行費用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。

　　直燃機房需1人值班，工資按20元/天計算。

　　5.5電力分體空調制冷+專用鍋爐房供暖（方案四）

　　5.5.1 一次性投資

　　此方案為近階段北京地區(qū)中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，在建筑物周圍投資建設專用鍋爐房，設42Kw燃氣熱水鍋爐（北京地區(qū)已禁止使用燃煤鍋爐）進行冬季供暖，燃氣系統(tǒng)接自其樓內原有低壓（2KPa）天然氣管線，電力系統(tǒng)接自其樓內原有配電箱220V電源。

　　本方案投資未計系統(tǒng)施工安裝費用和配套電力系統(tǒng)增容等投資。

　　5.5.2 運行費用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行24小時計算。

　　鍋爐房需1人值班，工資按20元/天計算。

　　5.6電力分體空調制冷+熱網集中供暖（方案五）

　　5.6.1 一次性投資

　　此方案需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，接入城市熱網進行冬季供暖，電力系統(tǒng)接自其樓內原有配電箱220V電源。

　　本方案投資未計系統(tǒng)施工安裝費用和配套電力系統(tǒng)增容等投資。

　　5.6.2 運行費用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖費按24元/ m2計算。

　　5.7 方案比較

　　5.7.1費用年值法

　　下面采用費用年值法對各方案進行經濟比較。所謂費用年值法，就是將方案在規(guī)定的標準補償年限內，將年費用加以比較，年費用應是補償期內年平均投資和年運行費用之和。

　　其數學表達式為：

　　Z= 元/年

　　式中：C——系統(tǒng)的年運行費用(元/年);

　　K——制冷、供暖系統(tǒng)的投資額（元）；

　　X——投資效果系統(tǒng)（1/年）；且

　　x=

　　其中：i——部門內部的標準收益率。對公用設施取投資利息；對住戶自購的設備取儲蓄利息；

　　m——設備使用年限。

　　5.7.2 費用年值比較

　　各方案費用年值詳見附表三 。

　　 通過比較可以看出，對于600 m2的辦公樓來說，分體電空調加集中供暖（方案五）費用年值最低，但在不具備集中供暖條件的情況下，燃氣熱泵系統(tǒng)（方案一）從經濟性比較為最佳方案，其費用年值比電力中央空調低19%，比直燃機低25%，比分體電空調加專用鍋爐房低37%。

　　正是燃氣熱泵（GHP）系統(tǒng)的以下特點，決定了其在經濟性上的優(yōu)勢：

　　1) 放在樓頂或室外空地，不用專門設置機房，節(jié)省占地和投資；

　　2) 自動運行，無需專人值守，節(jié)省人工成本；

　　3) 高效節(jié)能，運行費用最低。

　　6 結論

　　6.1 技術可行

　　燃氣熱泵系統(tǒng)在設備技術上已趨向成熟穩(wěn)定，完全適應北京地區(qū)的氣候、環(huán)境、天然氣氣質，設備推廣具備技術可行性。

　　6.2 經濟可行

　　對于中小型公共建筑物，在不具備集中供暖條件的情況下，采用燃氣熱泵系統(tǒng)費用年值最低，而且不必建機房，無需專人值守，可以節(jié)省機房占地和人員管理，提高綜合效益。

一、熱泵的原理介紹及能量轉換分析

    所謂熱泵，就是一種利用人工技術將低溫熱能轉換為高溫熱能而達到供熱效果的機械裝置。熱泵由低溫熱源(如周圍環(huán)境的自然空氣、地下水、河水、海水、污水等)吸熱能，然后轉換為較高溫熱源釋放至所需的空間(或其它區(qū)域)內。這種裝置即可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而達到一機兩用的目的。

    熱泵機組的能量轉換，是利用其壓縮機的作用，通過消耗一定的輔助能量(如電能)，在壓縮機和換熱系統(tǒng)內循環(huán)的制冷劑的共同作用下，由環(huán)境熱源(如水、空氣)中吸取較低溫熱能，然后轉換為較高溫熱能釋放至循環(huán)介質(如水、空氣)中成為高溫熱源輸出。在此因壓縮機的運轉做工而消耗了電能，壓縮機的運轉使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統(tǒng)中產生的不同的變化狀態(tài)和不同的效果(即蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱)，從而達到了回收低溫熱源制取高溫熱源的作用和目的

    二、熱泵的發(fā)展和在我國的應用

    歐洲第一臺熱泵機組是在1938年間制造的。它以河水低溫熱源，向市政廳供熱，輸出的熱水溫度可達60oC。在冬季采用熱泵作為采暖需要，在夏季也能用來制冷。1973年能源危機的推動，使熱泵的發(fā)展形成了一個高潮。目前，歐洲的熱泵理論與技術均已高度發(fā)達，這種“一舉兩得”并且環(huán)保的設備在法、德、日、美等發(fā)達國家業(yè)已廣泛使用。

    80年代來，我國熱泵在各種場合的應用研究有了許多發(fā)展。針對我國地熱資源較豐富的情況，若把一次直接利用后或經過降溫的地下熱水作為熱泵的低位熱源使用，就可增大使用地下水的溫度差，并提高地熱的利用率，這在京津地區(qū)早已有過應用實踐。而這種設備同時對于我國能源使用效率不高、分配不均勻的現(xiàn)狀也提出了一個有效的解決方法。

    三、熱泵的技術性分析

    1.熱泵機組可以達到一機兩用的效果，即冬季利用熱泵采暖，夏季進行制冷。既節(jié)約了制冷機組的費用，有節(jié)省了鍋爐房的占地面積，同時達到了環(huán)保。

    2.如業(yè)主已有地熱井，則可利用熱泵裝置進行梯級轉換，能大大便于熱資源的充分有效地利用。

    3.用于生活采暖和生活水加熱等需要的能源消耗，如果依靠直接電熱會造成能源再浪費，是不可取的，采用熱泵供熱和加溫才能更有效的利用電能。

    4.使用熱泵技術供熱采暖對大氣及環(huán)境無任何污染，而且高效節(jié)能，屬于綠色環(huán)保技術和裝置，符合目前我國能源、環(huán)保的基本政策，對用戶本身也無形中起到自我宣傳的作用。

    四、熱泵供熱的經濟性分析

    熱泵的經濟性是由多方面來確定的，它與鍋爐房供熱相比，顯然具有以下特點：

    1.運行附加費較小，這是因為：

    (1)熱泵裝置不需要燃料輸送費用和保管費、排渣運輸費等；

    (2)檢修周期較長，因鍋爐設備與高溫煙氣接觸，構件極易受損；而熱泵系統(tǒng)只有兩個部件運動，磨損少，平時無需任何檢修。

    (3)管理人員與勞動強度均可減少，節(jié)省工資開支。

    2.運行直接費用(電費)一般比燃煤鍋爐大，這是熱泵的主要開支。

    3.熱泵初投資費用常大于鍋爐房設備(指單純?yōu)槎竟岫O)。相同容量的制熱設備比鍋爐設備為貴。此外，初投資與裝置規(guī)模，機房土建規(guī)模投資亦有關。

    熱泵的能量利用分析：

    地下水的差溫蓄能量大，屬于低位熱源，通過熱泵的轉換即可成為生活和生產過程的有用熱量。而熱泵擁有大于1(1：3.2—5.4以上)的能效，對能量的利用遠遠優(yōu)于其他方式的采暖方式。

    五、熱泵與能源價格的關系

    熱泵供熱比鍋爐供熱是先進的，將熱泵與煤、燃氣、油等多種方式采暖時，以加熱為10000kcal熱量所需的費用做一個綜合比較，我們可以得出：

    1.用熱泵機組：設熱泵的COP(指其制熱量與所消耗的電能的比值，即機組的性能系數)值為4，則耗電量為2.91kW，若電費平均價格為0.5元/kWh(北京地區(qū))，則電費為：2.91x0.5元=1.75元

    2.用煤：煤大約能夠產生70%的熱量，則所需的燃料為2.13kg。若煤價為0.35元/kg，則費用為：2.13x0.35元=0.75元

    3.用燃氣：燃氣大約能夠產生75%的熱量，則所需的的燃氣量為3.81m3。若燃氣價格為0.8元/m3，則費用為：3.81x0.8元=3.05元

    4.用燃油：燃油大約能夠產生80%的熱量，所需的油量為1.16kg。若油價為2.4元/kg，則費用為：1.16x2.4元=2.78元

    由此可見，用煤取暖是最便宜的，而用燃氣最貴。利用熱泵的動力費用與電價由直接的關系，與其他加熱方式相比還要視其他燃料的價格而定。

    但是：隨著能源政策的進一步落實和實施，在實際工程中，雖然熱泵供暖運行費用率略高于燃煤的直接成本費用、整體配套工程初投資稍多些，但具有能量利用率高、環(huán)保等特點，只要完善系統(tǒng)相關技術的配套，就具有很好的廣泛推廣應用價值。