浅谈燃气热泵系统技术经济性分析

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　　随着我国经济的发展，人民生活水平提高，以及全球变暖的气候影响，我国制冷市场需求快速提高。现阶段制冷的主要能源为电力，燃料油和天然气只占很小比例。电空调是一种高能耗设备，而且是负荷非均衡性的能耗设备，虽然国家建设了大批调峰机组、调峰电站，但仍无法确保不断猛增的用电高峰负荷，夏季频频出现用电高峰期设备过载、掉闸断电现象，影响群众的正常生产生活。

　　北京市的天然气应用近年取得了飞速的发展，为提高首都居民生活水平、改善首都大气环境、促进北京申奥成功做出了巨大的贡献。但仔细分析北京市天然气供应量的分布，冬季采暖用气量非常大，而夏季制冷用气始终保持在一个很低的水平。天然气输配管网和设施必须按最大供应能力建设，这样当夏季供气低谷时必然造成管网资源的闲置和浪选?
　　通过以上分析可以看出，燃气与电力都存在峰谷差的难题，但是燃气峰谷与电力峰谷有极大的互补性，夏季是燃气使用的低谷，却是电力负荷的高峰期，燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，实现资源的充分和均衡利用。

　　燃气热泵（GHP）也称热泵式燃气空调，是天然气用于中小型建筑物制冷和供暖的一种新的形式。

　　2 燃气热泵（GHP）系统介绍

　　2.1 燃气制冷系统分类

　　燃气制冷系统按工作原理主要分为吸收式和压缩式，目前利用天然气进行制冷的系统主要有三种：利用天然气燃烧产生热量的吸收式冷热水机组（直燃机）、利用天然气燃烧余热的吸收式冷热水机组（对接式直燃机）和利用天然气发动机驱动的压缩式制冷供暖机组（燃气热泵）。其中直燃机一般应用于2万平米以上的大型建筑，对接式直燃机更是应用于大型冷热电三联供系统，而燃气热泵可以灵活应用于中小型建筑物，以燃气作为能源提供制冷和供暖。

　　燃气热泵（GHP—Gas engine Heat Pump）的是以城市燃气作为能源，通过燃气发动机做功驱动压缩机，使冷媒循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热，在冷凝器中液化放热，实现热泵循环，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热和制冷功能的切换。

　　燃气热泵（GHP）系统从其设备组成上来说主要分为室外机、室内机、冷媒连接管路、冷凝水管路、燃气供应系统、电力供应系统和控制线路系统。其中室外机内的燃气发动机是整个系统的心脏部分。

　　4 技术分析

　　4.1 GHP系统的特点

　　4.1.1优化能源利用结构

　　燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，缓解夏季用电高峰，提高燃气管网利用率，实现资源的充分和均衡利用。

　　4.1.2使用一套系统解决夏季制冷和冬季供暖

　　GHP系统可以在供暖的热泵循环中有效利用燃气发动机排出的热量和发动机冷却水系统的热量，使GHP系统的供暖能力受室外温度影响小（-20℃以上供暖能力不受影响），可适用于更低的环境温度；同时无需除霜，在寒冷地区可快速启动，具有电空调无法比拟的供暖优势。

　　4.1.3 环保性能优异

　　我国燃煤发电量占总发电量的80%以上，因此电力并不能算做真正意义上的清洁能源，GHP系统以天然气、城市煤气、液化石油气等燃气作为能源，是真正清洁的一次能源；设备运转低排放，低噪音，低振动；冷媒使用环保新冷媒R407C，对大气臭氧层无破坏作用。

　　4.1.4 更大的空调稳定性和舒适性

　　以燃气发动机为动力，可根据制冷供暖时的负荷变化，电脑控制无级变速调节发动机转速以控制压缩机转速，保持室内温度更加稳定、舒适。

　　4.1.5 室外机室内机搭配灵活

　　GHP系统的室外机有28~56KW多种规格，室内机也有壁挂式、吸顶式、嵌入式、落地式等不同功率的多种规格，一台室外机最多可带20台室内机。因此，可根据建筑物的不同规模和功能灵活搭配GHP室外机和室内机，按不同区域构成相互独立又相互联系的系统，满足不同的负荷需求。

　　4.2 技术成熟性

　　日本是世界上GHP系统应用最广泛的发达国家。20世纪80年代，随着日本电力需求激增和第二次燃油危机的爆发，日本政府出台了新能源政策，推进能源利用的多样化和均衡化，鼓励利用海上进口的天然气作为能源。1980年到1987年是GHP技术的研制阶段，1987年开始市场销售， 1988年销售10322台，到2001年年销量已达到46274台，2003年累计销量约50万台，广泛应用于商场、宾馆、办公楼、娱乐场所、医院、集体宿舍、别墅、学校等场所。经过20多年的研究和发展，GHP技术已经是一项十分成熟的技术。

　　4.3 技术适用性

　　经过我们对北京试验项目GHP系统实际运行状态和运行数据的研究，GHP系统在北京市的气候、环境、天然气气质等条件下制冷和供暖运转十分正常，用户对使用效果非常满意，废气排放、噪音和震动等指标完全符合我国相关法规和规定的要求，适合在北京地区和全国范围内推广。

　　5 经济分析

　　下面以所进行试验项目的建筑物作为模型，进行几种制冷供暖方式应用于中小型建筑的方案比较。

　　5.1 参数说明

　　该建筑是位于北京市石景山区七星园小区的三层办公楼，建筑面积为600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。该建筑用途为办公用房，根据国家标准单位建筑面积制冷负荷选取100 w/m2，建筑总冷负荷约为60 Kw；单位建筑面积供暖负荷选取为60 w/m2，建筑总热负荷约为36 Kw。北京市天然气热值按8300kcal/Nm3计算，天然气价格按制冷1.70元/ m3，供暖1.90元/ m3，电价按平均0.633元/ Kwh计算。

　　各方案一次性投资详见附表一，运行费用详见附表二。

　　5.2 燃气热泵（GHP）系统制冷供暖（方案一）

　　5.2.1一次性投资

　　GHP系统由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成。配套燃气系统接自其楼内原有低压（2KPa）天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。

　　本方案投资未计GHP系统施工安装费用和配套燃气、电力系统投资。

　　该建筑办公室面积小数量多，因此GHP系统室内机数量较多，导致单位建筑面积投资额较高；若建筑物的开间大、布局合理，单位建筑面积投资额可降至约600元/ m2。

　　5.2.2 运行费用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算，能耗指标为试验所得数据。

　　5.3电力中央空调（EHP）系统制冷供暖（方案二）

5.3.1一次性投资

　　EHP系统同样由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成，设备型号规格与GHP系统相同。电力系统接至其楼内原有配电箱220V电源。

　　本方案投资未计EHP系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。

　　5.3.2 运行费用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。

　　5.4直燃机系统制冷供暖（方案三）

　　5.4.1 一次性投资

　　采用直燃机需在建筑物周围建设直燃机房，设15万大卡/小时直燃机1台，且直燃机的燃烧机使用5~15KPa天然气气源，需建设天然气调压设施。

　　本方案投资未计直燃机系统施工安装费用和配套燃气管道投资。

　　5.4.2 运行费用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。

　　直燃机房需1人值班，工资按20元/天计算。

　　5.5电力分体空调制冷+专用锅炉房供暖（方案四）

　　5.5.1 一次性投资

　　此方案为近阶段北京地区中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，在建筑物周围投资建设专用锅炉房，设42Kw燃气热水锅炉（北京地区已禁止使用燃煤锅炉）进行冬季供暖，燃气系统接自其楼内原有低压（2KPa）天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。

　　本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。

　　5.5.2 运行费用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行24小时计算。

　　锅炉房需1人值班，工资按20元/天计算。

　　5.6电力分体空调制冷+热网集中供暖（方案五）

　　5.6.1 一次性投资

　　此方案需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，接入城市热网进行冬季供暖，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。

　　本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。

　　5.6.2 运行费用

　　夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖费按24元/ m2计算。

　　5.7 方案比较

　　5.7.1费用年值法

　　下面采用费用年值法对各方案进行经济比较。所谓费用年值法，就是将方案在规定的标准补偿年限内，将年费用加以比较，年费用应是补偿期内年平均投资和年运行费用之和。

　　其数学表达式为：

　　Z= 元/年

　　式中：C——系统的年运行费用(元/年);

　　K——制冷、供暖系统的投资额（元）；

　　X——投资效果系统（1/年）；且

　　x=

　　其中：i——部门内部的标准收益率。对公用设施取投资利息；对住户自购的设备取储蓄利息；

　　m——设备使用年限。

　　5.7.2 费用年值比较

　　各方案费用年值详见附表三 。

　　 通过比较可以看出，对于600 m2的办公楼来说，分体电空调加集中供暖（方案五）费用年值最低，但在不具备集中供暖条件的情况下，燃气热泵系统（方案一）从经济性比较为最佳方案，其费用年值比电力中央空调低19%，比直燃机低25%，比分体电空调加专用锅炉房低37%。

　　正是燃气热泵（GHP）系统的以下特点，决定了其在经济性上的优势：

　　1) 放在楼顶或室外空地，不用专门设置机房，节省占地和投资；

　　2) 自动运行，无需专人值守，节省人工成本；

　　3) 高效节能，运行费用最低。

　　6 结论

　　6.1 技术可行

　　燃气热泵系统在设备技术上已趋向成熟稳定，完全适应北京地区的气候、环境、天然气气质，设备推广具备技术可行性。

　　6.2 经济可行

　　对于中小型公共建筑物，在不具备集中供暖条件的情况下，采用燃气热泵系统费用年值最低，而且不必建机房，无需专人值守，可以节省机房占地和人员管理，提高综合效益。

一、热泵的原理介绍及能量转换分析

    所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵由低温热源(如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等)吸热能，然后转换为较高温热源释放至所需的空间(或其它区域)内。这种装置即可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而达到一机两用的目的。

    热泵机组的能量转换，是利用其压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量(如电能)，在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下，由环境热源(如水、空气)中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质(如水、空气)中成为高温热源输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果(即蒸发吸热和冷凝放热)，从而达到了回收低温热源制取高温热源的作用和目的

    二、热泵的发展和在我国的应用

    欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC。在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。1973年能源危机的推动，使热泵的发展形成了一个高潮。目前，欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。

    80年代来，我国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展。针对我国地热资源较丰富的情况，若把一次直接利用后或经过降温的地下热水作为热泵的低位热源使用，就可增大使用地下水的温度差，并提高地热的利用率，这在京津地区早已有过应用实践。而这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。

    三、热泵的技术性分析

    1.热泵机组可以达到一机两用的效果，即冬季利用热泵采暖，夏季进行制冷。既节约了制冷机组的费用，有节省了锅炉房的占地面积，同时达到了环保。

    2.如业主已有地热井，则可利用热泵装置进行梯级转换，能大大便于热资源的充分有效地利用。

    3.用于生活采暖和生活水加热等需要的能源消耗，如果依靠直接电热会造成能源再浪费，是不可取的，采用热泵供热和加温才能更有效的利用电能。

    4.使用热泵技术供热采暖对大气及环境无任何污染，而且高效节能，属于绿色环保技术和装置，符合目前我国能源、环保的基本政策，对用户本身也无形中起到自我宣传的作用。

    四、热泵供热的经济性分析

    热泵的经济性是由多方面来确定的，它与锅炉房供热相比，显然具有以下特点：

    1.运行附加费较小，这是因为：

    (1)热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等；

    (2)检修周期较长，因锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损；而热泵系统只有两个部件运动，磨损少，平时无需任何检修。

    (3)管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支。

    2.运行直接费用(电费)一般比燃煤锅炉大，这是热泵的主要开支。

    3.热泵初投资费用常大于锅炉房设备(指单纯为冬季供热而设)。相同容量的制热设备比锅炉设备为贵。此外，初投资与装置规模，机房土建规模投资亦有关。

    热泵的能量利用分析：

    地下水的差温蓄能量大，属于低位热源，通过热泵的转换即可成为生活和生产过程的有用热量。而热泵拥有大于1(1：3.2—5.4以上)的能效，对能量的利用远远优于其他方式的采暖方式。

    五、热泵与能源价格的关系

    热泵供热比锅炉供热是先进的，将热泵与煤、燃气、油等多种方式采暖时，以加热为10000kcal热量所需的费用做一个综合比较，我们可以得出：

    1.用热泵机组：设热泵的COP(指其制热量与所消耗的电能的比值，即机组的性能系数)值为4，则耗电量为2.91kW，若电费平均价格为0.5元/kWh(北京地区)，则电费为：2.91x0.5元=1.75元

    2.用煤：煤大约能够产生70%的热量，则所需的燃料为2.13kg。若煤价为0.35元/kg，则费用为：2.13x0.35元=0.75元

    3.用燃气：燃气大约能够产生75%的热量，则所需的的燃气量为3.81m3。若燃气价格为0.8元/m3，则费用为：3.81x0.8元=3.05元

    4.用燃油：燃油大约能够产生80%的热量，所需的油量为1.16kg。若油价为2.4元/kg，则费用为：1.16x2.4元=2.78元

    由此可见，用煤取暖是最便宜的，而用燃气最贵。利用热泵的动力费用与电价由直接的关系，与其他加热方式相比还要视其他燃料的价格而定。

    但是：随着能源政策的进一步落实和实施，在实际工程中，虽然热泵供暖运行费用率略高于燃煤的直接成本费用、整体配套工程初投资稍多些，但具有能量利用率高、环保等特点，只要完善系统相关技术的配套，就具有很好的广泛推广应用价值。