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天然气空调的技术经济分析
摘要 本文简述了天然气应用于空调机组的技术概况，通过办公楼空调冷热源的四种方案的经济比较，分析了以天然气为驱动能源的空调机组的经济性。此外本文还就以天然气为驱动能源的空调机组对环境的影响以及在小区集中供冷供热中的应用前景进行了讨论。
1前言
天然气是一种高效、洁净的能源。在功率相同的条件下，燃烧天然气所产生的CO2、NOx、CO量比燃烧油或煤都少。而且没有烟尘又极少SO2的污染。天然气既可以为燃料来获得热能，又可以实现冷热电联产。就上海而言，天然气的供应较为丰富．距上海370公里的东海平湖油田， 已探明储量折合天然气约400亿m3，1999年4月开始向上海浦东地区日供天然气120万m3；，等到2003年“西气东输”的实现将为上海提供更充足的气源。
近年来，人们对空调的需求不断增加，用电量也随之剧增，特别是加重了夏季的用电负荷。如果部分改用天然气作驱动能源，不仅能够调整能源结构，降低环境污染，两且能够对电和燃气分别起到削峰、填谷的作用。
在国外，尤其是能源紧缺、环保要求高的国家里。使用煤气空调已较普遍，具有先进的技术和成熟的经验。1994年，上海市煤气公司在美华大楼开始使用煤气空调系统， 以后在上海图书馆、天然气公司等大楼都使用了人工煤气或天然气空调系统。
2天然气空调冷热源机组
目前，天然气在空调系统中的应用主要有三种方式：一是利用天然气燃烧产生热量的吸收式冷热水机组；二是利用天然气发动机驱动的压缩式制冷机；三是利用天然气燃烧余热的除湿冷却式空调机。
2．1天然气直燃型溴化锂吸收式冷热水机组
吸收式冷热水机组主要由发生器、冷凝器、节流机构、蒸发器和吸收器等组成，工质是两种沸点不同的物质组成的二元混合物。 当前以水-溴化锂为工质对的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组应用较为广泛。溴化锂稀溶液受燃烧直接加热后产生高压水蒸汽，并被冷却水冷却成冷凝水，水在低压下蒸发吸热，使冷冻水的温度降低；蒸发后的水蒸气再被溴化锂溶液吸收，形成制冷循环。当冬天需要供暖时，由燃烧加热溴化锂稀溶液产生水蒸气，水蒸气凝结时释放热量，加热采暖用热水，形成供热循环。
由于溴化锂水溶液需要在发生器中吸收热量，产生水蒸汽，因此可以来用直接燃烧天然气的方法来提供这部分热量，即以天然气为燃料的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。该机组既可以制冷，又可以供热。如果在高压发生器上再加一个热水换热器，就可以同时提供生活用热水，达到一机三用和省电的目的．而且使用天然气的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组还有下面的优点：
(1)由于通过直接燃烧天然气来加热吸收器内的溴化锂溶液，因此省去了由锅炉产生蒸汽，再由蒸汽加热溴化锂溶液的二次加热过程，提高了传热效率。同时，因省去了锅炉而大大减少了占地面积及设备、土建初投资。
(2)由于以燃烧天然气的方式提供热量，避免了间接通过烧煤或油锅炉提供热量的方式，降低了环境污染，调整了能源结构。
(3)直燃型溴化铿吸收式机组除功率较小的泵外，没有其他运动部件，机组噪音和振动都很小。
(4)直燃型溴化锂吸收式机组用吸收器和发生器代替了压缩机，因此大大降低了电耗。但这种直燃型冷热水机组与水冷离心式和螺杆冷水机组相比，一次能耗大，制冷效率低，而且不适用于热负荷大，生活热水用量大的建筑物。
2．2天然气发动机驱动的压缩式制冷机
压缩式制冷主要是制冷剂在压缩机(螺杆式、往复式、离心式)、冷凝器、节流机构、蒸发器等设备中循环流动，完成制冷、制热的过程。传统上压缩机是由电带动进行工作的，因此设备耗电量较大．把天然气用于压缩式制冷机，即通过燃烧天然气的狄塞尔发动机或者燃气轮机提供动力，来推动制冷压缩机运转。
用天然气发动机驱动的压缩式制冷机具有以下优点：
(1)用天然气发动机驱动压缩机运转，可以根据室内温度变化调节发动机，使之以最高效率运转，实现快速制冷和节能；
(2)由于压缩机并不通过煤或油发电驱动，而是用天然气发动机，因此减少了对环境的污染。
(3)天然气发动机驱动的压缩式制冷机组除一些辅助设备外，基本不耗电。而且避免了用电高峰时因电力不足成停电造成的电动压缩式制冷机无法运转的麻烦。
(4)天然气发动机驱动的压缩式制冷机除可以制冷、供暖外，还可以回收天然气发动机的尾气废热，所以提高了机组的供暖能力。
2．3天然气用于除湿冷却式空调机
要达到室内的温湿度要求，仅依靠常规的制冷机组对于新风负荷较大，而室内湿度要求低的环境是不够的．为了满足要求，可以在机组中加入转轮除湿机先对室外空气进行除湿处理。在该机组中，室外新风首先进入转轮除湿机，除湿后进入空调机进行处理，再进入空调房间，完成制冷或制热过程。
转轮除温机由吸湿转轮、传动机构、外壳、风机及再生用加热器组成。用来吸收室外新风中水分的吸湿剂一般为硅胶或分子筛．当吸温剂达到含湿量的极限时，会失去吸湿能力，为了重复使用，需要进行再生处理。再生是用180—240℃的热空气即再生空气来加热除湿剂，使其空隙中的水分蒸发。而热空气就是通过在再生用加热器中利用天然气燃烧后尾气的废热与空气进行热交换获得的。
天然气用于除温冷却式空调机有下面的优点：
(1)天然气燃烧后尾气的余热用来加热再生空气，充分利用余热，起到节能的作用。
(2)除温冷却式空调因新风经过除湿处理，能够承担较大的冷负荷和湿负荷。节约了能耗，有较好的经济性．而且避免了制冷剂的蒸发温度过低影响制冷效率，也避免了凝结水排放不当造成的渗漏。
3．办公楼采用天然气作为空调驱动能源的经济性分析
以上海地区商用分公楼为对象，通过对四种典型的空调冷热源设计方案进行经济比较，分析天然气应用于空调系统的优缺点。
3．1方案简介
3.1.1办公楼概况
建筑面积20000m2，楼层数20层，钢筋混凝土结构，宙培面积比为1／3。该建筑物高峰负荷时：夏季供冷量QL2326kw(8374MJ／h)；冬季供热量QR2868kw(10325MJ/h)。
设计条件：夏季室外空气设计温度tw.n=34℃，湿球温度28．4℃，空气烙92kJ／kg，室内设计温度tN＝25℃，空气焓50kJ／kg；冬季室外空气设计温度tW.M＝-4℃， 空气焓0kJ／kg。
3.1.2冷热源系统方案
表1 冷热源系统方案
项 目 冷热源 冷源容量 热源容量 方案一 离心式冷水机组+油锅炉 11631kw×2台 制热量940kw× 2台 方案二 直燃型机组(天然气) 1163kw×2台 制热量973kw× 2台 方案三 直燃型机组(轻 油) 1163kw ×2台 制热量973kW×2台 方案四 热 泵 11632kw×2台 制热量1058kw ×2台3.2冷热源机组设备投资
这里仅讨论设备费及安装费，土建费应另考虑。至于天然气和电的增容费， 目前上海市已可申请减免。
3.2．1冷热源主机设备费用
不同容量的冷热源机组设备费用以下图表示。具体主机设备费用见下表2。
表2 主机设备费用 单位：万元
费用类别 方案一 方案二 方案三 方案四 设备费 冷源机组 192．2 264．6 264 432 热源机组 88．81冷吨＝12．66MJ/h＝3．52kw
3．2．2辅机费用
辅机费用主要指冷却水泵、冷却塔和锅炉给水泵等设备的费用，见下表3。
表3 辅机费用 辅机名称 功率或型号 价格(万元/台) 辅机数量 水泵 18．51kw 0．694 方案1: 2台 30kw 0．906 方案1-4： 各2台 37kw 1．088 方案2、3：各2台 冷却塔 LBC- M150 6．200 方案1： 2台 LBC—M200 11．200 方案2、3：各2台 锅炉给水泵 2．21kw 0．250 方案1： 2台
3.2．3设备安装费用
主、辅机设备安装费用，除热泵以设备费用的15％计外，其它设备以25％计。
3．3年运行费
年运行费包括能耗费、维修费和人工费．由于各方案的人工费差不多，比较时可以略去。固定费，包括设备折旧费、占有空间费、利息和税金等，暂不予考虑。
3．3．1能耗费用
(1)对各冷热源方案进行能耗分析
a.制冷机组的全年能耗
在制冷系统容量和运行时间一定时，全年能耗取决于制冷组的类型、单机容量、台数、不同机型不同容量机组的搭配方式等．如果知道机组的额定冷量和部分负荷调节特性，结合用户全年冷负荷的分布规律，就可以计算其全年能耗。
美国制冷学会ARI-550标准中提出综合部分负荷能耗值IPLV(Integrated Pant Load Value)和部分负荷应用值APLV(Application Part Load Value)：
IPLV＝0．05A十0．30B十0．40C十0．25D
APLV＝IPLV／T
式中：A--100％负荷时的耗能量；
B--75％负荷时的耗能量；
C--50％负荷时的耗能量；
D--25％负荷时的耗能量；
T--制冷机组全年运行时间(h／a)。
制冷系统全年能耗为：
ER＝IPLV， 或ER=APLV×T
b．热源机组的全年能耗
表4：各方案全年能耗
方案一离心式+油锅炉 方案二直燃式(气) 方案三直燃式(油) 方案四热泵 耗电Mwh／a 主机冬季 8．4 6．1 7.1 267．2 主机夏季 341．2 10．8 12．5 598．5 辅机 160．5 196．1 196．1 109．1 小计 510.1 213．0 215．7 974．8 耗油t／a 主机冬季 87．8 -- 84．5 -- 主机夏季 -- -- 133．5 -- 小计 87．8 -- 218．0 -- 耗气1000Nm3／a 主机冬季 -- 85．7 -- -- 主机夏季 -- 135．5 -- -- 小计 -- 221．2 -- -- 一次能耗GJ／a 主机冬季 3843 4015 3723 2992 主机夏季 3519 6361 5897 6702 辅机 1797 2196 2196 1222 小计 9159 12572 11816 10916 单位面积一次能耗MJ／m2．a 458.0 628.4 590.8 546.0
(天然气热值取46．05MJ／Nm3，油锅炉燃油热值取42．71MJ／kg，轻油热值取43．12MJ／kg)
在实际应用中，热源机组的系统负荷率往往比较低。为了便于计算，一般采用间歇调节年，假定机组成者处于满负荷运行，或者处于停机。把全年的热负荷总量qh(kJ／a)与热源机组额定出力qH(kJ／h)之比，定义为“全年当量满负荷运行时间τEH”，即 τEH＝qh/qH 。
热源机组全年能耗为
EH＝τEH·WH
式中：WH--热源机组满负荷运行时的单位能耗，(kJ／h)
如果机组实际运行时间为TH，定义平均负荷率ξ：
ξ＝τEH／TH
则系统总耗能为
EH=WH·TH·ξ
c．各冷热源方案全年能耗汇总
考虑各方案辅机的能耗消耗，并综合前面主机机组的能耗得到下面各方案全年主机与铺机的能耗如下表4：
考虑6月1日-9月31日和11月1日-次年3月31日，全年空调期间(共274天)有休息日78天，在加上元旦、新年放假，实际空调系统运行时间为计算的70％，修正后的空调系统实际能耗见表5。
表5 各方案考虑休息日停机后的全年能耗
方案一离心式+油锅式 方案二直燃式(气) 方案三直燃式(油) 方案四热泵 耗电总量Mwh／a 357．1 149．1 151．0 682．4 耗油总量吨／a 61．5 -- 152，6 -- 耗天然气总量103Nm3／a -- 154．8 -- -- 一次能耗总计GJ／a 6625 8803 8272 7642 单位面积一次能耗GJ／m2．a 331．2 440．0 413．7 382．3
在表4、表5中，电力资源是二次能源，需要转换成一次能源的能耗。由于上海的发电厂全是燃煤电厂，因此电力资源折算成一次能源时采用下面公式：
W'＝W／(ηf×ηw)
W--机组耗电量；
W'--电力折算一次能耗量；
ηf-燃煤电厂发电热效率，取35％；
ηW-电网输送效率，取92％；
如果考虑火电机组在调蜂运行时的发电效率只有约25％，方案一和方案四的一次能耗将显著增大。
(2)全年能耗费用
在上海目前价格体系下，电价为1元/kwh， 轻油价格为3．2元／kg，天然气价格为2．1元/Nm3。根据前面能耗分析，得到各方案的全年能耗费，如表6。
表6 各方案全年能耗费用
项 目 方案一离心式+ 油锅式 方案二直燃式 (气) 方案三直燃式 (油) 方案四热泵 总电费(万元／年) 35．71 14．91 15．10 68．24 总油费(万元／年) 19．68 -- 48．83 -- 天然气费(万元／年) -- 32．51 -- -- 总能耗费(万元／年) 55．39 47．42 63．93 68．24
3．3．2年维修费用
年维修费用以设备费用的6％计算。
3．4各方案费用汇总
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