淺談燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性分析

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　　隨著我國經(jīng)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。現(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(diào)是一種高能耗設(shè)備，而且是負(fù)荷非均衡性的能耗設(shè)備，雖然國家建設(shè)了大批調(diào)峰機組、調(diào)峰電站，但仍無法確保不斷猛增的用電高峰負(fù)荷，夏季頻頻出現(xiàn)用電高峰期設(shè)備過載、掉閘斷電現(xiàn)象，影響群眾的正常生產(chǎn)生活。

　　北京市的天然氣應(yīng)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(xì)分析北京市天然氣供應(yīng)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(wǎng)和設(shè)施必須按最大供應(yīng)能力建設(shè)，這樣當(dāng)夏季供氣低谷時必然造成管網(wǎng)資源的閑置和浪選?
　　通過以上分析可以看出，燃?xì)馀c電力都存在峰谷差的難題，但是燃?xì)夥骞扰c電力峰谷有極大的互補性，夏季是燃?xì)馐褂玫牡凸龋瑓s是電力負(fù)荷的高峰期，燃?xì)庵评淇山档碗娋W(wǎng)夏季高峰負(fù)荷，填補燃?xì)庀募居脷饬康凸?，實現(xiàn)資源的充分和均衡利用。

　　燃?xì)鉄岜茫℅HP）也稱熱泵式燃?xì)饪照{(diào)，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?xì)鉄岜茫℅HP）系統(tǒng)介紹

　　2.1 燃?xì)庵评湎到y(tǒng)分類

　　燃?xì)庵评湎到y(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(chǎn)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(qū)動的壓縮式制冷供暖機組（燃?xì)鉄岜茫?。其中直燃機一般應(yīng)用于2萬平米以上的大型建筑，對接式直燃機更是應(yīng)用于大型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，而燃?xì)鉄岜每梢造`活應(yīng)用于中小型建筑物，以燃?xì)庾鳛槟茉刺峁┲评浜凸┡?/p>

　　燃?xì)鉄岜茫℅HP—Gas engine Heat Pump）的是以城市燃?xì)庾鳛槟茉矗ㄟ^燃?xì)獍l(fā)動機做功驅(qū)動壓縮機，使冷媒循環(huán)運動反復(fù)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?xì)鉄岜茫℅HP）系統(tǒng)從其設(shè)備組成上來說主要分為室外機、室內(nèi)機、冷媒連接管路、冷凝水管路、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)和控制線路系統(tǒng)。其中室外機內(nèi)的燃?xì)獍l(fā)動機是整個系統(tǒng)的心臟部分。

　　4 技術(shù)分析

　　4.1 GHP系統(tǒng)的特點

　　4.1.1優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)

　　燃?xì)庵评淇山档碗娋W(wǎng)夏季高峰負(fù)荷，填補燃?xì)庀募居脷饬康凸?，緩解夏季用電高峰，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)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?xì)獍l(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(diào)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?xì)庾鳛槟茉矗钦嬲鍧嵉囊淮文茉?；設(shè)備運轉(zhuǎn)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(diào)穩(wěn)定性和舒適性

　　以燃?xì)獍l(fā)動機為動力，可根據(jù)制冷供暖時的負(fù)荷變化，電腦控制無級變速調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以控制壓縮機轉(zhuǎn)速，保持室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定、舒適。

　　4.1.5 室外機室內(nèi)機搭配靈活

　　GHP系統(tǒng)的室外機有28~56KW多種規(guī)格，室內(nèi)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(nèi)機。因此，可根據(jù)建筑物的不同規(guī)模和功能靈活搭配GHP室外機和室內(nèi)機，按不同區(qū)域構(gòu)成相互獨立又相互聯(lián)系的系統(tǒng)，滿足不同的負(fù)荷需求。

　　4.2 技術(shù)成熟性

　　日本是世界上GHP系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的發(fā)達國家。20世紀(jì)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(shù)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(yīng)用于商場、賓館、辦公樓、娛樂場所、醫(yī)院、集體宿舍、別墅、學(xué)校等場所。經(jīng)過20多年的研究和發(fā)展，GHP技術(shù)已經(jīng)是一項十分成熟的技術(shù)。

　　4.3 技術(shù)適用性

　　經(jīng)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(shù)據(jù)的研究，GHP系統(tǒng)在北京市的氣候、環(huán)境、天然氣氣質(zhì)等條件下制冷和供暖運轉(zhuǎn)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(biāo)完全符合我國相關(guān)法規(guī)和規(guī)定的要求，適合在北京地區(qū)和全國范圍內(nèi)推廣。

　　5 經(jīng)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(yīng)用于中小型建筑的方案比較。

　　5.1 參數(shù)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(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)單位建筑面積制冷負(fù)荷選取100 w/m2，建筑總冷負(fù)荷約為60 Kw；單位建筑面積供暖負(fù)荷選取為60 w/m2，建筑總熱負(fù)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?xì)鉄岜茫℅HP）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(nèi)機及連接、控制管路組成。配套燃?xì)庀到y(tǒng)接自其樓內(nèi)原有低壓（2KPa）天然氣管線，電力系統(tǒng)接自其樓內(nèi)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?xì)?、電力系統(tǒng)投資。

　　該建筑辦公室面積小數(shù)量多，因此GHP系統(tǒng)室內(nèi)機數(shù)量較多，導(dǎo)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(biāo)為試驗所得數(shù)據(jù)。

　　5.3電力中央空調(diào)（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(nèi)機及連接、控制管路組成，設(shè)備型號規(guī)格與GHP系統(tǒng)相同。電力系統(tǒng)接至其樓內(nèi)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(shè)直燃機房，設(shè)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(shè)天然氣調(diào)壓設(shè)施。

　　本方案投資未計直燃機系統(tǒng)施工安裝費用和配套燃?xì)夤艿劳顿Y。

　　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(diào)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(diào)設(shè)備進行夏季制冷，在建筑物周圍投資建設(shè)專用鍋爐房，設(shè)42Kw燃?xì)鉄崴仩t（北京地區(qū)已禁止使用燃煤鍋爐）進行冬季供暖，燃?xì)庀到y(tǒng)接自其樓內(nèi)原有低壓（2KPa）天然氣管線，電力系統(tǒng)接自其樓內(nèi)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(diào)制冷+熱網(wǎng)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(diào)設(shè)備進行夏季制冷，接入城市熱網(wǎng)進行冬季供暖，電力系統(tǒng)接自其樓內(nèi)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(jīng)濟比較。所謂費用年值法，就是將方案在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)補償年限內(nèi)，將年費用加以比較，年費用應(yīng)是補償期內(nèi)年平均投資和年運行費用之和。

　　其數(shù)學(xué)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(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)收益率。對公用設(shè)施取投資利息；對住戶自購的設(shè)備取儲蓄利息；

　　m——設(shè)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(diào)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?xì)鉄岜孟到y(tǒng)（方案一）從經(jīng)濟性比較為最佳方案，其費用年值比電力中央空調(diào)低19%，比直燃機低25%，比分體電空調(diào)加專用鍋爐房低37%。

　　正是燃?xì)鉄岜茫℅HP）系統(tǒng)的以下特點，決定了其在經(jīng)濟性上的優(yōu)勢：

　　1) 放在樓頂或室外空地，不用專門設(shè)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(jié)論

　　6.1 技術(shù)可行

　　燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)在設(shè)備技術(shù)上已趨向成熟穩(wěn)定，完全適應(yīng)北京地區(qū)的氣候、環(huán)境、天然氣氣質(zhì)，設(shè)備推廣具備技術(shù)可行性。

　　6.2 經(jīng)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?xì)鉄岜孟到y(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(zhuǎn)換分析

    所謂熱泵，就是一種利用人工技術(shù)將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為高溫?zé)崮芏_到供熱效果的機械裝置。熱泵由低溫?zé)嵩?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(zhuǎn)換為較高溫?zé)嵩瘁尫胖了璧目臻g(或其它區(qū)域)內(nèi)。這種裝置即可用作供熱采暖設(shè)備，又可用作制冷降溫設(shè)備，從而達到一機兩用的目的。

    熱泵機組的能量轉(zhuǎn)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(nèi)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?zé)崮?，然后轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)崮茚尫胖裂h(huán)介質(zhì)(如水、空氣)中成為高溫?zé)嵩摧敵?。在此因壓縮機的運轉(zhuǎn)做工而消耗了電能，壓縮機的運轉(zhuǎn)使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統(tǒng)中產(chǎn)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?zé)嵩粗迫「邷責(zé)嵩吹淖饔煤湍康?/p>

    二、熱泵的發(fā)展和在我國的應(yīng)用

    歐洲第一臺熱泵機組是在1938年間制造的。它以河水低溫?zé)嵩矗蚴姓d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(shù)均已高度發(fā)達，這種“一舉兩得”并且環(huán)保的設(shè)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(yīng)用研究有了許多發(fā)展。針對我國地?zé)豳Y源較豐富的情況，若把一次直接利用后或經(jīng)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?zé)岬睦寐?，這在京津地區(qū)早已有過應(yīng)用實踐。而這種設(shè)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(shù)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?zé)峋瑒t可利用熱泵裝置進行梯級轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(jīng)濟性分析

    熱泵的經(jīng)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(shè)備與高溫?zé)煔饨佑|，構(gòu)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(shè)備(指單純?yōu)槎竟岫O(shè))。相同容量的制熱設(shè)備比鍋爐設(shè)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(guān)。

    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(zhuǎn)換即可成為生活和生產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方式的采暖方式。

    五、熱泵與能源價格的關(guān)系

    熱泵供熱比鍋爐供熱是先進的，將熱泵與煤、燃?xì)?、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(shè)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(shù))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(chǎn)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?xì)猓喝細(xì)獯蠹s能夠產(chǎn)生75%的熱量，則所需的的燃?xì)饬繛?.81m3。若燃?xì)鈨r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(chǎn)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?xì)庾钯F。利用熱泵的動力費用與電價由直接的關(guān)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(guān)技術(shù)的配套，就具有很好的廣泛推廣應(yīng)用價值。