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(guò)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(méi)有煙塵又極少SO2的污染。天然氣既可以為燃料來(lái)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(kāi)始向上海浦東地區(qū)日供天然氣120萬(wàn)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(lái)，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(guó)外，尤其是能源緊缺、環(huán)保要求高的國(guó)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(kāi)始使用煤氣空調(diào)系統(tǒng)， 以后在上海圖書(shū)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(lái)用直接燃燒天然氣的方法來(lái)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(guò)直接燃燒天然氣來(lái)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)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(lái)加熱除濕劑，使其空隙中的水分蒸發(fā)。而熱空氣就是通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)下表2。

表2 主機(jī)設(shè)備費(fèi)用 單位：萬(wàn)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(jiàn)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(wàn)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(guó)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T(mén)H，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(jiàn)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(wàn)元／年) 35．71 14．91 15．10 68．24 總油費(fèi)(萬(wàn)元／年) 19．68 -- 48．83 -- 天然氣費(fèi)(萬(wàn)元／年) -- 32．51 -- -- 總能耗費(fèi)(萬(wàn)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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