燃气空调系统的能耗分析及经济性分析

燃气空调系统的能耗分析及经济性分析2004-11-24
摘要：本文先简述了我国目前电力供应、燃气供应现状，集中讨论了燃气空调的原理、形式和应用发展，对对各种燃气空调系统进行了能耗分析，最后选取了某建筑进行了三种空调冷热源的方案分析比较，分析了使用燃气空调的经济性。

关键词：燃气空调能耗分析经济性燃气热泵机组燃气冷水机组电力峰谷燃气调峰
0 引言
在过去20年，我国的发电量以每年8％至9％的速率增长，2003年底装机容量和发电量分别为3．8亿千瓦和1．9万亿度，仅次于美国。

但近两年电力缺口仍在不断的增大，且用电峰谷差亦增大。

其原因在于近几年夏季高温使得大量空调设备使用，且目前的空调设备中有70％为电力空调。

2004年我国电力的缺口将达到600亿度。

近4年上海地区用电情况如表1所示：
2000-2003年上海地区用电情况表1
另一方面，由于西气东输工程的实施，使得上海地区燃气供应量剧增，而上海地区
的燃气消费结构中民用燃气占据大部分半壁江山，民用燃气的一个最大特点就是用气量有季节性，夏季为低谷冬季为高峰，正好与电力相反，也成为城市燃气发展的一大难题。

由于夏季的燃气用量处于低谷，冬季电力处于低谷，因而发展燃气空调促进城市能源结构调整，缓解城市夏季供电紧张，提高燃气管网利用率成为一种双赢的选择。

1 燃气作为热源的空调系统的特点
燃气空调是以天然气、液化石油气、人工煤气为能源进行发电、制冷、供热、供生活热水等的设备，具有四大优点：经济、环保、高效、节能。

1．1经济
燃气空调运行费用低，运行稳定性高，使用寿命长。

1．2环保
燃气空调以天然气、液化石油气、人工煤气等环保能源为热源，不会产生二氧化硫、粉尘等有害物质污染环境。

1．3高效、节能
燃气空调能够同时或单独提供空调、制冷、采暖、卫生热水等，能源利用效率高，经济效益和社会效益高。

2 以燃气作为热源的空调系统原理以及能耗分析
2．1燃气锅炉+蒸汽型单(双)效吸收式制冷机
原理如下：
图1 燃气锅炉+蒸汽型单(双)效吸收式制冷机原理图
式中Q：溴化锂吸收式制冷机的制冷量，KW；
h1：饱禾口蒸汽的焓，KJ／kg；
h2：冷凝水的焓，KJ／kg；
m：单位时间内蒸汽的消耗量，kg／s；
P1：溴化锂溶液泵的功率，KW；
P2：溴化锂冷剂水泵的功率，KW。

式中N：单位时间内燃气的消耗量，Nm3／h；
ρ：燃气的密度，kg／Nm3；
Q：溴化锂吸收式制冷机的制冷量，KW。

蒸汽单效型吸收式制冷机的热源主要采用P≤0．2Mpa的蒸汽，此机组主要采用余热或废热。

如单独利用燃气锅炉的蒸汽，则制冷机的性能系数COP较小，单位冷量的耗气量M较大。

蒸汽单效型吸收式制冷机的性能系数COP一般在0．6～1之间，单位冷量的耗气量M一般在2～2．5 kg／(h·KW)之间。

蒸汽双效型吸收式制冷机的热源主要采用P＝0．4～0．6Mpa的蒸汽，相对于蒸汽单效型吸收式制冷机来说，性能系数COP较大，单位冷量的耗气量M较小。

蒸汽双效型吸收式制冷机的性能系数COP一般在1～1．5之间，单位冷量的耗气量M一般在1～1．5 kg／(h·KW)之间。

2．2直燃型澳化锂单(双)效吸收式制冷机
直燃型溴化锂单(双)效吸收式制冷机是目前最为广泛应用的吸收式制冷机。

热源主要采用天然气、液化石油气和人工煤气。

除提供冷冻水外，可以同时提供冬季空调用热水和生活用热水，故不必设置锅炉房和供热机房，减少了初投资。

式中Q：直燃型溴化锂吸收式制冷机的制冷量(或制热量)，KW；
P1、P2、N、q意义同前。

直燃型溴化锂双效吸收式制冷机制冷性能系数COP一般在1～1．5之间，制热性能系数COP一般在1左右。

2．3燃气发动机驱动的冷水机组+吸收式冷水机组
该系统包括燃气发动机驱动的水冷螺杆式机组，热水型溴化锂吸收式制冷机组，以及燃气发动机组和热交换器等。

燃气发动机组驱动螺杆式冷水机组工作，发动机组的烟气和汽缸套水通过热交换器利用余热驱动溴化锂吸收式冷水机组，从而使机组的COP提高，燃气的能源利用率提高。

其原理如下：
图2 燃气发动机驱动的冷水机组+吸收式冷水机组原理图
式中 Q1：水冷螺杆式机组的制冷量，KW；
Q2：吸收式制冷机组的制冷量，KW；
P3：油泵的功率，KW；
P1、p2、N、q意义同前。

此类机组的COP一般在2．0以上。

2．4以燃气为能源的热泵机组(GHP)
该机组包括以燃气机直接驱动的螺杆式、活塞式或离心式压缩机组，可以利用燃气机的废热；还包括以燃气为能源的吸收式户式热泵机组。

以燃气为能源的吸收式户式热泵机组的原理如下：
图3 以燃气为能源的热泵机组原理图
该机组可以同时提供制冷、制热和生活用热水，冷凝器由冷却水冷却。

2．5以燃气为能源的电热冷三联供系统
2．5．1燃气锅炉+蒸汽轮机驱动的离心式制冷机+余热型溴化锂吸收式制冷机
燃气锅炉产生高温高压的蒸汽，一部分蒸汽经过减温减压后供热；另一部分则经过蒸汽轮机驱动离心式制冷机工作，其排气作为余热型溴化锂吸收式制冷机的热源。

此系统可以作为大型区域的集中供冷供热，由于余热能够充分利用，故该系统的能源利用率较高。

原理如下：
图4燃气锅炉+蒸汽轮机驱动的离心式制冷机+余热型溴化锂吸收式制冷机系统原理图
式中 Q1：离心式制冷机的制冷量，KW；
Q2：吸收式制冷机的制冷量，KW；
m1：单位时间内进入离心式制冷机的蒸汽的消耗量，kg／s；
m2：单位时间内进入吸收式制冷机的蒸汽的消耗量，kg／s；
h1：进入离心式制冷机的蒸汽的焓，KJ／kg；
h2：离开离心式制冷机的蒸汽的焓，KJ／kg；
h3：进入吸收式制冷机的蒸汽的焓，KJ／kg；
h4：离开吸收式制冷机的蒸汽的焓，KJ／kg；
P：离心式和吸收式制冷机的总耗电量，KW。

其中 Q3：供热量，KW；
η1：发电效率；
η2：输配电效率；
η3：蒸汽锅炉的效率。

其它符号同前。

2．5．2燃气轮机发电+生活热水系统+吸收式制冷机组(或集中供热系统)
燃气通过燃气轮机发电，可以提供照明及动力用电；排气废热作为锅炉的热源，产生蒸汽，通过换热器提供生活热水，集中供热，以及作为溴化锂吸收式制冷机组的热源。

燃气轮机的排气和气缸套冷却水通过换热器可以提供生活用热水
原理如下：
图5 燃气轮机发电+生活热水系统+吸收式制冷机组原理图其中Q：溴化锂吸收式制冷机的制冷量，KW；其它符号同前。

其中 Q1：生活热水的供热量，KW；
Q2：吸收式制冷机的制冷量，KW；
Q3：集中供热的供热量，KW；
Q4：照明和动力用电的总功率，KW；
η3：锅炉的效率；
η4：燃气轮机发电机组的效率。

其它符号同前。

3 经济性分析
以海某办公楼为例，建筑面积为7500m3，夏季冷负荷为1125kw，冬季热负荷为1275kw。

采用以下三种空调冷热源方案：
三种不同方案的比较表2(单位：万元)
注：上海地区采暖期为150天，制冷为90天，考虑到节假日，实际运行时间为70％。

(1)鉴于此建筑为商用建筑，用电均在平时段和峰时段，空调运行时间从7：00—22：00，期间各时段电价如下：
平段电价：06：00-08：00； 11：00-18：00；21：00-22：00 0．638元／kw．h 高段电价：08：00-11：00； 18：00-21：00 0．994元八w．h
(2)上海地区目前使用天然气热值：36．2 MJ／Nm3，价格：2．1元／Nm3。

(3)0#柴油热值：46．13MJ／Kg，上海地区价格：3．6元／Kg。

(4)维护保养费用是按照设备费用的6％来计算的，年运行费用包括冬夏季运行费及维护保养费。

此外，还可以得出各种能源的每兆焦的价格如下：
电(平时段)：0．63元／Kw．h
天然气：2．1×3．6×103／36200=0．21元／Kw．h
0#柴油：3．6×3．6×103／46130=0．28元／Kw．h
从以上方案比较可知，无论是从初投资还是运行费用，天然气空调的经济性最好。

直然机组的耗电量主要在于辅机，相对于常规冷水机组而言只占一半左右。

燃气和燃油空调初投资相差不大，但燃油空调的运行费用却高出许多，且轻油的运输费也是一笔不小的开支。

所以在用电紧张而燃气供应又很充裕的地区，采用燃气空调的方案不失为一种双赢的选择，比如说上海地区就是一个很好的例子。

4 结语
4．1燃气空调对电力系统的削峰减谷作用，使得城市电网的压力有了极大的减
缓。

随着夏季电力供应缺口及峰谷差在逐年增大，寻求一种有效解决的方法迫在眉睫，燃气空调则可以有效地削减电力高峰。

4．2对于燃气锅炉，由于用燃气直接加热锅炉内的水，故无用功少，热效率提高。

4．3对于直燃式溴化锂吸收式机组，燃气直接加热溴化锂浓溶液和生活热水，故热转换效率高。

但吸收式机组的主要优点是可以利用低品位的能源，而直燃式溴化锂机组采用的是高品位的燃气燃烧热能，故该机组的COP较低。

4．4对于燃气发动机直接驱动的冷水机组，燃气发动机不仅驱动压缩机组，汽缸套水和排气还可以加热生活热水，或者作为热水型吸收式制冷机的热源。

故该机组的COP较高，能源利用率较高。

4．5对于以燃气为热源的户式中央空调，采用直燃式双效溴化锂吸收式制冷机组，故噪音小；同时可以提供家庭用生活热水，方便舒适。

冷却水由小型的冷却器提供。

4．6燃气空调的经济性。

燃气空调的经济性优于燃油空调，也优于电力空调。

无论是在初投资，还是运行费用上都占优势。

参考文献：
1．吴业正，主编。

制冷原理与设备(第2版)。

西安交通大学出版社，1997 2．Gas—engine Driven Chiller
3．志诚，主编。

城市冷·暖·汽三联供手册。

北京，中国建筑工业出版社，1995 4．钱必华采用燃气空调缓解电力负荷的若干思考暖通空调 2004年第2期
5．何于涛等天然气空调的技术经济分析上海煤气 2001第2期
6．张跃燃气空调是中国空调发展方向城市煤气 2000年第11期。