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天然氣空調的技術經(jīng)濟分析
摘要 本文簡述了天然氣應用于空調機組的技術概況，通過辦公樓空調冷熱源的四種方案的經(jīng)濟比較，分析了以天然氣為驅動能源的空調機組的經(jīng)濟性。此外本文還就以天然氣為驅動能源的空調機組對環(huán)境的影響以及在小區(qū)集中供冷供熱中的應用前景進行了討論。
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，又可以實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)。就上海而言，天然氣的供應較為豐富．距上海370公里的東海平湖油田， 已探明儲量折合天然氣約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”的實現(xiàn)將為上海提供更充足的氣源。
近年來，人們對空調的需求不斷增加，用電量也隨之劇增，特別是加重了夏季的用電負荷。如果部分改用天然氣作驅動能源，不僅能夠調整能源結構，降低環(huán)境污染，兩且能夠對電和燃氣分別起到削峰、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。使用煤氣空調已較普遍，具有先進的技術和成熟的經(jīng)驗。1994年，上海市煤氣公司在美華大樓開始使用煤氣空調系統(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系統(tǒng)。
2天然氣空調冷熱源機組
目前，天然氣在空調系統(tǒng)中的應用主要有三種方式：一是利用天然氣燃燒產(chǎn)生熱量的吸收式冷熱水機組；二是利用天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷機；三是利用天然氣燃燒余熱的除濕冷卻式空調機。
2．1天然氣直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組
吸收式冷熱水機組主要由發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流機構、蒸發(fā)器和吸收器等組成，工質是兩種沸點不同的物質組成的二元混合物。 當前以水-溴化鋰為工質對的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組應用較為廣泛。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)。當冬天需要供暖時，由燃燒加熱溴化鋰稀溶液產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣凝結時釋放熱量，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組。該機組既可以制冷，又可以供熱。如果在高壓發(fā)生器上再加一個熱水換熱器，就可以同時提供生活用熱水，達到一機三用和省電的目的．而且使用天然氣的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組還有下面的優(yōu)點：
(1)由于通過直接燃燒天然氣來加熱吸收器內的溴化鋰溶液，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，因省去了鍋爐而大大減少了占地面積及設備、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，調整了能源結構。
(3)直燃型溴化鏗吸收式機組除功率較小的泵外，沒有其他運動部件，機組噪音和振動都很小。
(4)直燃型溴化鋰吸收式機組用吸收器和發(fā)生器代替了壓縮機，因此大大降低了電耗。但這種直燃型冷熱水機組與水冷離心式和螺桿冷水機組相比，一次能耗大，制冷效率低，而且不適用于熱負荷大，生活熱水用量大的建筑物。
2．2天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷機
壓縮式制冷主要是制冷劑在壓縮機(螺桿式、往復式、離心式)、冷凝器、節(jié)流機構、蒸發(fā)器等設備中循環(huán)流動，完成制冷、制熱的過程。傳統(tǒng)上壓縮機是由電帶動進行工作的，因此設備耗電量較大．把天然氣用于壓縮式制冷機，即通過燃燒天然氣的狄塞爾發(fā)動機或者燃氣輪機提供動力，來推動制冷壓縮機運轉。
用天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷機具有以下優(yōu)點：
(1)用天然氣發(fā)動機驅動壓縮機運轉，可以根據(jù)室內溫度變化調節(jié)發(fā)動機，使之以最高效率運轉，實現(xiàn)快速制冷和節(jié)能；
(2)由于壓縮機并不通過煤或油發(fā)電驅動，而是用天然氣發(fā)動機，因此減少了對環(huán)境的污染。
(3)天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷機組除一些輔助設備外，基本不耗電。而且避免了用電高峰時因電力不足成停電造成的電動壓縮式制冷機無法運轉的麻煩。
(4)天然氣發(fā)動機驅動的壓縮式制冷機除可以制冷、供暖外，還可以回收天然氣發(fā)動機的尾氣廢熱，所以提高了機組的供暖能力。
2．3天然氣用于除濕冷卻式空調機
要達到室內的溫濕度要求，僅依靠常規(guī)的制冷機組對于新風負荷較大，而室內濕度要求低的環(huán)境是不夠的．為了滿足要求，可以在機組中加入轉輪除濕機先對室外空氣進行除濕處理。在該機組中，室外新風首先進入轉輪除濕機，除濕后進入空調機進行處理，再進入空調房間，完成制冷或制熱過程。
轉輪除溫機由吸濕轉輪、傳動機構、外殼、風機及再生用加熱器組成。用來吸收室外新風中水分的吸濕劑一般為硅膠或分子篩．當吸溫劑達到含濕量的極限時，會失去吸濕能力，為了重復使用，需要進行再生處理。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行熱交換獲得的。
天然氣用于除溫冷卻式空調機有下面的優(yōu)點：
(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)除溫冷卻式空調因新風經(jīng)過除濕處理，能夠承擔較大的冷負荷和濕負荷。節(jié)約了能耗，有較好的經(jīng)濟性．而且避免了制冷劑的蒸發(fā)溫度過低影響制冷效率，也避免了凝結水排放不當造成的滲漏。
3．辦公樓采用天然氣作為空調驅動能源的經(jīng)濟性分析
以上海地區(qū)商用分公樓為對象，通過對四種典型的空調冷熱源設計方案進行經(jīng)濟比較，分析天然氣應用于空調系統(tǒng)的優(yōu)缺點。
3．1方案簡介
3.1.1辦公樓概況
建筑面積20000m2，樓層數(shù)20層，鋼筋混凝土結構，宙培面積比為1／3。該建筑物高峰負荷時：夏季供冷量QL2326kw(8374MJ／h)；冬季供熱量QR2868kw(10325MJ/h)。
設計條件：夏季室外空氣設計溫度tw.n=34℃，濕球溫度28．4℃，空氣烙92kJ／kg，室內設計溫度tN＝25℃，空氣焓50kJ／kg；冬季室外空氣設計溫度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 目 冷熱源 冷源容量 熱源容量 方案一 離心式冷水機組+油鍋爐 11631kw×2臺 制熱量940kw× 2臺 方案二 直燃型機組(天然氣) 1163kw×2臺 制熱量973kw× 2臺 方案三 直燃型機組(輕 油) 1163kw ×2臺 制熱量973kW×2臺 方案四 熱 泵 11632kw×2臺 制熱量1058kw ×2臺3.2冷熱源機組設備投資
這里僅討論設備費及安裝費，土建費應另考慮。至于天然氣和電的增容費， 目前上海市已可申請減免。
3.2．1冷熱源主機設備費用
不同容量的冷熱源機組設備費用以下圖表示。具體主機設備費用見下表2。
表2 主機設備費用 單位：萬元
費用類別 方案一 方案二 方案三 方案四 設備費 冷源機組 192．2 264．6 264 432 熱源機組 88．81冷噸＝12．66MJ/h＝3．52kw
3．2．2輔機費用
輔機費用主要指冷卻水泵、冷卻塔和鍋爐給水泵等設備的費用，見下表3。
表3 輔機費用 輔機名稱 功率或型號 價格(萬元/臺) 輔機數(shù)量 水泵 18．51kw 0．694 方案1: 2臺 30kw 0．906 方案1-4： 各2臺 37kw 1．088 方案2、3：各2臺 冷卻塔 LBC- M150 6．200 方案1： 2臺 LBC—M200 11．200 方案2、3：各2臺 鍋爐給水泵 2．21kw 0．250 方案1： 2臺
3.2．3設備安裝費用
主、輔機設備安裝費用，除熱泵以設備費用的15％計外，其它設備以25％計。
3．3年運行費
年運行費包括能耗費、維修費和人工費．由于各方案的人工費差不多，比較時可以略去。固定費，包括設備折舊費、占有空間費、利息和稅金等，暫不予考慮。
3．3．1能耗費用
(1)對各冷熱源方案進行能耗分析
a.制冷機組的全年能耗
在制冷系統(tǒng)容量和運行時間一定時，全年能耗取決于制冷組的類型、單機容量、臺數(shù)、不同機型不同容量機組的搭配方式等．如果知道機組的額定冷量和部分負荷調節(jié)特性，結合用戶全年冷負荷的分布規(guī)律，就可以計算其全年能耗。
美國制冷學會ARI-550標準中提出綜合部分負荷能耗值IPLV(Integrated Pant Load Value)和部分負荷應用值APLV(Application Part Load Value)：
IPLV＝0．05A十0．30B十0．40C十0．25D
APLV＝IPLV／T
式中：A--100％負荷時的耗能量；
B--75％負荷時的耗能量；
C--50％負荷時的耗能量；
D--25％負荷時的耗能量；
T--制冷機組全年運行時間(h／a)。
制冷系統(tǒng)全年能耗為：
ER＝IPLV， 或ER=APLV×T
b．熱源機組的全年能耗
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 主機冬季 8．4 6．1 7.1 267．2 主機夏季 341．2 10．8 12．5 598．5 輔機 160．5 196．1 196．1 109．1 小計 510.1 213．0 215．7 974．8 耗油t／a 主機冬季 87．8 -- 84．5 -- 主機夏季 -- -- 133．5 -- 小計 87．8 -- 218．0 -- 耗氣1000Nm3／a 主機冬季 -- 85．7 -- -- 主機夏季 -- 135．5 -- -- 小計 -- 221．2 -- -- 一次能耗GJ／a 主機冬季 3843 4015 3723 2992 主機夏季 3519 6361 5897 6702 輔機 1797 2196 2196 1222 小計 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)
在實際應用中，熱源機組的系統(tǒng)負荷率往往比較低。為了便于計算，一般采用間歇調節(jié)年，假定機組成者處于滿負荷運行，或者處于停機。把全年的熱負荷總量qh(kJ／a)與熱源機組額定出力qH(kJ／h)之比，定義為“全年當量滿負荷運行時間τEH”，即 τEH＝qh/qH 。
熱源機組全年能耗為
EH＝τEH·WH
式中：WH--熱源機組滿負荷運行時的單位能耗，(kJ／h)
如果機組實際運行時間為TH，定義平均負荷率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
考慮各方案輔機的能耗消耗，并綜合前面主機機組的能耗得到下面各方案全年主機與鋪機的能耗如下表4：
考慮6月1日-9月31日和11月1日-次年3月31日，全年空調期間(共274天)有休息日78天，在加上元旦、新年放假，實際空調系統(tǒng)運行時間為計算的70％，修正后的空調系統(tǒng)實際能耗見表5。
表5 各方案考慮休息日停機后的全年能耗
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采用下面公式：
W'＝W／(ηf×ηw)
W--機組耗電量；
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％；
如果考慮火電機組在調蜂運行時的發(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)全年能耗費用
在上海目前價格體系下，電價為1元/kwh， 輕油價格為3．2元／kg，天然氣價格為2．1元/Nm3。根據(jù)前面能耗分析，得到各方案的全年能耗費，如表6。
表6 各方案全年能耗費用
項 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(萬元／年) 35．71 14．91 15．10 68．24 總油費(萬元／年) 19．68 -- 48．83 -- 天然氣費(萬元／年) -- 32．51 -- -- 總能耗費(萬元／年) 55．39 47．42 63．93 68．24
3．3．2年維修費用
年維修費用以設備費用的6％計算。
3．4各方案費用匯總
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