天然氣空調(diào)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

摘要 本文簡(jiǎn)述了天然氣應(yīng)用于空調(diào)機(jī)組的技術(shù)概況，通過辦公樓空調(diào)冷熱源的四種方案的經(jīng)濟(jì)比較，分析了以天然氣為驅(qū)動(dòng)能源的空調(diào)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。此外本文還就以天然氣為驅(qū)動(dòng)能源的空調(diào)機(jī)組對(duì)環(huán)境的影響以及在小區(qū)集中供冷供熱中的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

1前言

天然氣是一種高效、潔凈的能源。在功率相同的條件下，燃燒天然氣所產(chǎn)生的CO2、NOx、CO量比燃燒油或煤都少。而且沒有煙塵又極少SO2的污染。天然氣既可以為燃料來獲得熱能，又可以實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)。就上海而言，天然氣的供應(yīng)較為豐富．距上海370公里的東海平湖油田， 已探明儲(chǔ)量折合天然氣約400億m3，1999年4月開始向上海浦東地區(qū)日供天然氣120萬m3；，等到2003年“西氣東輸”的實(shí)現(xiàn)將為上海提供更充足的氣源。

近年來，人們對(duì)空調(diào)的需求不斷增加，用電量也隨之劇增，特別是加重了夏季的用電負(fù)荷。如果部分改用天然氣作驅(qū)動(dòng)能源，不僅能夠調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染，兩且能夠?qū)﹄姾腿細(xì)夥謩e起到削峰、填谷的作用。

在國外，尤其是能源緊缺、環(huán)保要求高的國家里。使用煤氣空調(diào)已較普遍，具有先進(jìn)的技術(shù)和成熟的經(jīng)驗(yàn)。1994年，上海市煤氣公司在美華大樓開始使用煤氣空調(diào)系統(tǒng)， 以后在上海圖書館、天然氣公司等大樓都使用了人工煤氣或天然氣空調(diào)系統(tǒng)。

2天然氣空調(diào)冷熱源機(jī)組

目前，天然氣在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有三種方式：一是利用天然氣燃燒產(chǎn)生熱量的吸收式冷熱水機(jī)組；二是利用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷機(jī)；三是利用天然氣燃燒余熱的除濕冷卻式空調(diào)機(jī)。

2．1天然氣直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組

吸收式冷熱水機(jī)組主要由發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、蒸發(fā)器和吸收器等組成，工質(zhì)是兩種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成的二元混合物。 當(dāng)前以水-溴化鋰為工質(zhì)對(duì)的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組應(yīng)用較為廣泛。溴化鋰稀溶液受燃燒直接加熱后產(chǎn)生高壓水蒸汽，并被冷卻水冷卻成冷凝水，水在低壓下蒸發(fā)吸熱，使冷凍水的溫度降低；蒸發(fā)后的水蒸氣再被溴化鋰溶液吸收，形成制冷循環(huán)。當(dāng)冬天需要供暖時(shí)，由燃燒加熱溴化鋰稀溶液產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣凝結(jié)時(shí)釋放熱量，加熱采暖用熱水，形成供熱循環(huán)。

由于溴化鋰水溶液需要在發(fā)生器中吸收熱量，產(chǎn)生水蒸汽，因此可以來用直接燃燒天然氣的方法來提供這部分熱量，即以天然氣為燃料的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組。該機(jī)組既可以制冷，又可以供熱。如果在高壓發(fā)生器上再加一個(gè)熱水換熱器，就可以同時(shí)提供生活用熱水，達(dá)到一機(jī)三用和省電的目的．而且使用天然氣的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組還有下面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于通過直接燃燒天然氣來加熱吸收器內(nèi)的溴化鋰溶液，因此省去了由鍋爐產(chǎn)生蒸汽，再由蒸汽加熱溴化鋰溶液的二次加熱過程，提高了傳熱效率。同時(shí)，因省去了鍋爐而大大減少了占地面積及設(shè)備、土建初投資。

(2)由于以燃燒天然氣的方式提供熱量，避免了間接通過燒煤或油鍋爐提供熱量的方式，降低了環(huán)境污染，調(diào)整了能源結(jié)構(gòu)。

(3)直燃型溴化鏗吸收式機(jī)組除功率較小的泵外，沒有其他運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)組噪音和振動(dòng)都很小。

(4)直燃型溴化鋰吸收式機(jī)組用吸收器和發(fā)生器代替了壓縮機(jī)，因此大大降低了電耗。但這種直燃型冷熱水機(jī)組與水冷離心式和螺桿冷水機(jī)組相比，一次能耗大，制冷效率低，而且不適用于熱負(fù)荷大，生活熱水用量大的建筑物。

2．2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷機(jī)

壓縮式制冷主要是制冷劑在壓縮機(jī)(螺桿式、往復(fù)式、離心式)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、蒸發(fā)器等設(shè)備中循環(huán)流動(dòng)，完成制冷、制熱的過程。傳統(tǒng)上壓縮機(jī)是由電帶動(dòng)進(jìn)行工作的，因此設(shè)備耗電量較大．把天然氣用于壓縮式制冷機(jī)，即通過燃燒天然氣的狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力，來推動(dòng)制冷壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以根據(jù)室內(nèi)溫度變化調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，使之以最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)快速制冷和節(jié)能；

(2)由于壓縮機(jī)并不通過煤或油發(fā)電驅(qū)動(dòng)，而是用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，因此減少了對(duì)環(huán)境的污染。

(3)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷機(jī)組除一些輔助設(shè)備外，基本不耗電。而且避免了用電高峰時(shí)因電力不足成停電造成的電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)的麻煩。

(4)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷機(jī)除可以制冷、供暖外，還可以回收天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣廢熱，所以提高了機(jī)組的供暖能力。

2．3天然氣用于除濕冷卻式空調(diào)機(jī)

要達(dá)到室內(nèi)的溫濕度要求，僅依靠常規(guī)的制冷機(jī)組對(duì)于新風(fēng)負(fù)荷較大，而室內(nèi)濕度要求低的環(huán)境是不夠的．為了滿足要求，可以在機(jī)組中加入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)先對(duì)室外空氣進(jìn)行除濕處理。在該機(jī)組中，室外新風(fēng)首先進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，除濕后進(jìn)入空調(diào)機(jī)進(jìn)行處理，再進(jìn)入空調(diào)房間，完成制冷或制熱過程。

轉(zhuǎn)輪除溫機(jī)由吸濕轉(zhuǎn)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外殼、風(fēng)機(jī)及再生用加熱器組成。用來吸收室外新風(fēng)中水分的吸濕劑一般為硅膠或分子篩．當(dāng)吸溫劑達(dá)到含濕量的極限時(shí)，會(huì)失去吸濕能力，為了重復(fù)使用，需要進(jìn)行再生處理。再生是用180—240℃的熱空氣即再生空氣來加熱除濕劑，使其空隙中的水分蒸發(fā)。而熱空氣就是通過在再生用加熱器中利用天然氣燃燒后尾氣的廢熱與空氣進(jìn)行熱交換獲得的。

天然氣用于除溫冷卻式空調(diào)機(jī)有下面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)天然氣燃燒后尾氣的余熱用來加熱再生空氣，充分利用余熱，起到節(jié)能的作用。

(2)除溫冷卻式空調(diào)因新風(fēng)經(jīng)過除濕處理，能夠承擔(dān)較大的冷負(fù)荷和濕負(fù)荷。節(jié)約了能耗，有較好的經(jīng)濟(jì)性．而且避免了制冷劑的蒸發(fā)溫度過低影響制冷效率，也避免了凝結(jié)水排放不當(dāng)造成的滲漏。

3．辦公樓采用天然氣作為空調(diào)驅(qū)動(dòng)能源的經(jīng)濟(jì)性分析

以上海地區(qū)商用分公樓為對(duì)象，通過對(duì)四種典型的空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，分析天然氣應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

3．1方案簡(jiǎn)介

3.1.1辦公樓概況

建筑面積20000m2，樓層數(shù)20層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，宙培面積比為1／3。該建筑物高峰負(fù)荷時(shí)：夏季供冷量QL2326kw(8374MJ／h)；冬季供熱量QR2868kw(10325MJ/h)。

設(shè)計(jì)條件：夏季室外空氣設(shè)計(jì)溫度tw.n=34℃，濕球溫度28．4℃，空氣烙92kJ／kg，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tN＝25℃，空氣焓50kJ／kg；冬季室外空氣設(shè)計(jì)溫度tW.M＝-4℃， 空氣焓0kJ／kg。

3.1.2冷熱源系統(tǒng)方案

表1 冷熱源系統(tǒng)方案

項(xiàng) 目 冷熱源 冷源容量 熱源容量 方案一 離心式冷水機(jī)組+油鍋爐 11631kw×2臺(tái) 制熱量940kw× 2臺(tái) 方案二 直燃型機(jī)組(天然氣) 1163kw×2臺(tái) 制熱量973kw× 2臺(tái) 方案三 直燃型機(jī)組(輕 油) 1163kw ×2臺(tái) 制熱量973kW×2臺(tái) 方案四 熱 泵 11632kw×2臺(tái) 制熱量1058kw ×2臺(tái)

3.2冷熱源機(jī)組設(shè)備投資

這里僅討論設(shè)備費(fèi)及安裝費(fèi)，土建費(fèi)應(yīng)另考慮。至于天然氣和電的增容費(fèi)， 目前上海市已可申請(qǐng)減免。

3.2．1冷熱源主機(jī)設(shè)備費(fèi)用

不同容量的冷熱源機(jī)組設(shè)備費(fèi)用以下圖表示。具體主機(jī)設(shè)備費(fèi)用見下表2。

表2 主機(jī)設(shè)備費(fèi)用 單位：萬元

費(fèi)用類別 方案一 方案二 方案三 方案四 設(shè)備費(fèi) 冷源機(jī)組 192．2 264．6 264 432 熱源機(jī)組 88．8      

1冷噸＝12．66MJ/h＝3．52kw

3．2．2輔機(jī)費(fèi)用

輔機(jī)費(fèi)用主要指冷卻水泵、冷卻塔和鍋爐給水泵等設(shè)備的費(fèi)用，見下表3。

表3 輔機(jī)費(fèi)用 輔機(jī)名稱 功率或型號(hào) 價(jià)格(萬元/臺(tái)) 輔機(jī)數(shù)量 水泵 18．51kw 0．694 方案1: 2臺(tái) 30kw 0．906 方案1-4： 各2臺(tái) 37kw 1．088 方案2、3：各2臺(tái) 冷卻塔 LBC- M150 6．200 方案1： 2臺(tái) LBC—M200 11．200 方案2、3：各2臺(tái) 鍋爐給水泵 2．21kw 0．250 方案1： 2臺(tái)

3.2．3設(shè)備安裝費(fèi)用

主、輔機(jī)設(shè)備安裝費(fèi)用，除熱泵以設(shè)備費(fèi)用的15％計(jì)外，其它設(shè)備以25％計(jì)。

3．3年運(yùn)行費(fèi)

年運(yùn)行費(fèi)包括能耗費(fèi)、維修費(fèi)和人工費(fèi)．由于各方案的人工費(fèi)差不多，比較時(shí)可以略去。固定費(fèi)，包括設(shè)備折舊費(fèi)、占有空間費(fèi)、利息和稅金等，暫不予考慮。

3．3．1能耗費(fèi)用

(1)對(duì)各冷熱源方案進(jìn)行能耗分析

a.制冷機(jī)組的全年能耗

在制冷系統(tǒng)容量和運(yùn)行時(shí)間一定時(shí)，全年能耗取決于制冷組的類型、單機(jī)容量、臺(tái)數(shù)、不同機(jī)型不同容量機(jī)組的搭配方式等．如果知道機(jī)組的額定冷量和部分負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，結(jié)合用戶全年冷負(fù)荷的分布規(guī)律，就可以計(jì)算其全年能耗。

美國制冷學(xué)會(huì)ARI-550標(biāo)準(zhǔn)中提出綜合部分負(fù)荷能耗值IPLV(Integrated Pant Load Value)和部分負(fù)荷應(yīng)用值A(chǔ)PLV(Application Part Load Value)：

IPLV＝0．05A十0．30B十0．40C十0．25D

APLV＝IPLV／T

式中：A--100％負(fù)荷時(shí)的耗能量；

B--75％負(fù)荷時(shí)的耗能量；

C--50％負(fù)荷時(shí)的耗能量；

D--25％負(fù)荷時(shí)的耗能量；

T--制冷機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)間(h／a)。

制冷系統(tǒng)全年能耗為：

ER＝IPLV， 或ER=APLV×T

b．熱源機(jī)組的全年能耗

表4：各方案全年能耗

    方案一離心式+油鍋爐 方案二直燃式(氣) 方案三直燃式(油) 方案四熱泵 耗電Mwh／a 主機(jī)冬季 8．4 6．1 7.1 267．2 主機(jī)夏季 341．2 10．8 12．5 598．5 輔機(jī) 160．5 196．1 196．1 109．1 小計(jì) 510.1 213．0 215．7 974．8 耗油t／a 主機(jī)冬季 87．8 -- 84．5 -- 主機(jī)夏季 -- -- 133．5 -- 小計(jì) 87．8 -- 218．0 -- 耗氣1000Nm3／a 主機(jī)冬季 -- 85．7 -- -- 主機(jī)夏季 -- 135．5 -- -- 小計(jì) -- 221．2 -- -- 一次能耗GJ／a 主機(jī)冬季 3843 4015 3723 2992 主機(jī)夏季 3519 6361 5897 6702 輔機(jī) 1797 2196 2196 1222 小計(jì) 9159 12572 11816 10916 單位面積一次能耗MJ／m2．a(chǎn) 458.0 628.4 590.8 546.0

(天然氣熱值取46．05MJ／Nm3，油鍋爐燃油熱值取42．71MJ／kg，輕油熱值取43．12MJ／kg)

在實(shí)際應(yīng)用中，熱源機(jī)組的系統(tǒng)負(fù)荷率往往比較低。為了便于計(jì)算，一般采用間歇調(diào)節(jié)年，假定機(jī)組成者處于滿負(fù)荷運(yùn)行，或者處于停機(jī)。把全年的熱負(fù)荷總量qh(kJ／a)與熱源機(jī)組額定出力qH(kJ／h)之比，定義為“全年當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間τEH”，即 τEH＝qh/qH 。

熱源機(jī)組全年能耗為

EH＝τEH·WH

式中：WH--熱源機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的單位能耗，(kJ／h)

如果機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為TH，定義平均負(fù)荷率ξ：

ξ＝τEH／TH

則系統(tǒng)總耗能為

EH=WH·TH·ξ

c．各冷熱源方案全年能耗匯總

考慮各方案輔機(jī)的能耗消耗，并綜合前面主機(jī)機(jī)組的能耗得到下面各方案全年主機(jī)與鋪機(jī)的能耗如下表4：

考慮6月1日-9月31日和11月1日-次年3月31日，全年空調(diào)期間(共274天)有休息日78天，在加上元旦、新年放假，實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為計(jì)算的70％，修正后的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際能耗見表5。

表5 各方案考慮休息日停機(jī)后的全年能耗

  方案一離心式+油鍋式 方案二直燃式(氣) 方案三直燃式(油) 方案四熱泵 耗電總量Mwh／a 357．1 149．1 151．0 682．4 耗油總量噸／a 61．5 -- 152，6 -- 耗天然氣總量103Nm3／a -- 154．8 -- -- 一次能耗總計(jì)GJ／a 6625 8803 8272 7642 單位面積一次能耗GJ／m2．a(chǎn) 331．2 440．0 413．7 382．3

在表4、表5中，電力資源是二次能源，需要轉(zhuǎn)換成一次能源的能耗。由于上海的發(fā)電廠全是燃煤電廠，因此電力資源折算成一次能源時(shí)采用下面公式：

W'＝W／(ηf×ηw)

W--機(jī)組耗電量；

W'--電力折算一次能耗量；

ηf-燃煤電廠發(fā)電熱效率，取35％；

ηW-電網(wǎng)輸送效率，取92％；

如果考慮火電機(jī)組在調(diào)蜂運(yùn)行時(shí)的發(fā)電效率只有約25％，方案一和方案四的一次能耗將顯著增大。

(2)全年能耗費(fèi)用

在上海目前價(jià)格體系下，電價(jià)為1元/kwh， 輕油價(jià)格為3．2元／kg，天然氣價(jià)格為2．1元/Nm3。根據(jù)前面能耗分析，得到各方案的全年能耗費(fèi)，如表6。

表6 各方案全年能耗費(fèi)用

項(xiàng) 目 方案一離心式+ 油鍋式 方案二直燃式 (氣) 方案三直燃式 (油) 方案四熱泵 總電費(fèi)(萬元／年) 35．71 14．91 15．10 68．24 總油費(fèi)(萬元／年) 19．68 -- 48．83 -- 天然氣費(fèi)(萬元／年) -- 32．51 -- -- 總能耗費(fèi)(萬元／年) 55．39 47．42 63．93 68．24

3．3．2年維修費(fèi)用

年維修費(fèi)用以設(shè)備費(fèi)用的6％計(jì)算。

3．4各方案費(fèi)用匯總

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