1、摘要 本文簡述了天然氣應(yīng)用于空調(diào)機組的技術(shù)概況，通過辦公樓空調(diào)冷熱源的四種方案的經(jīng)濟比較，分析了以天然氣為驅(qū)動能源的空調(diào)機組的經(jīng)濟性。此外本文還就以天然氣為驅(qū)動能源的空調(diào)機組對環(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(yīng)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200

2、3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(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荷。如果部分改用天然氣作驅(qū)動能源，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，具有先進的技術(shù)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(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組；二是利用天然氣發(fā)動機驅(qū)動的

3、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(diào)機。21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(gòu)、蒸發(fā)器和吸收器等組成，工質(zhì)是兩種沸點不同的物質(zhì)組成的二元混合物。 當(dāng)前以水-溴化鋰為工質(zhì)對的直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組應(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，由燃燒加熱溴化鋰稀溶液產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣凝結(jié)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

4、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(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，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組

5、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。22天然氣發(fā)動機驅(qū)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(fù)式、離心式)、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)、蒸發(fā)器等設(shè)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(shè)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(zhuǎn)。 用天然氣發(fā)動機驅(qū)動的壓縮式制冷

6、機具有以下優(yōu)點：(1)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，可以根據(jù)室內(nèi)溫度變化調(diào)節(jié)發(fā)動機，使之以最高效率運轉(zhuǎn)，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(qū)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(qū)動的壓縮式制冷機組除一些輔助設(shè)備外，基本不耗電。而且避免了用電高峰時因電力不足成停電造成的電動壓縮式制冷機無法運轉(zhuǎn)的麻煩。 (4)天然氣發(fā)動機驅(qū)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。23天然氣用于除濕冷卻式空調(diào)機要達到室內(nèi)的溫濕度要求，僅依靠常規(guī)的制冷機組對于新風(fēng)負荷較大，而室內(nèi)濕度要求低的環(huán)境是不夠的為了滿足

7、要求，可以在機組中加入轉(zhuǎn)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(fēng)首先進入轉(zhuǎn)輪除濕機，除濕后進入空調(diào)機進行處理，再進入空調(diào)房間，完成制冷或制熱過程。轉(zhuǎn)輪除溫機由吸濕轉(zhuǎn)輪、傳動機構(gòu)、外殼、風(fēng)機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)吸溫劑達到含濕量的極限時，會失去吸濕能力，為了重復(fù)使用，需要進行再生處理。再生是用180240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(diào)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

8、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(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(diào)冷熱源設(shè)計方案進行經(jīng)濟比較，分析天然氣應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點。31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(jié)構(gòu)，宙培面積比為13。該建筑物高峰負荷時：夏季供冷量QL2326kw(8374MJh)；冬季供熱量QR2868kw(10325MJ/h)。設(shè)計條件：夏季室外空氣設(shè)計溫度

9、tw.n=34，濕球溫度284，空氣烙92kJkg，室內(nèi)設(shè)計溫度tN25，空氣焓50kJkg；冬季室外空氣設(shè)計溫度tW.M-4， 空氣焓0kJkg。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11631kw2臺制熱量940kw 2臺方案二直燃型機組(天然氣)1163kw2臺制熱量973kw 2臺方案三直燃型機組(輕 油)1163kw 2臺制熱量973kW2臺方案四熱 泵11632kw2臺制熱量1058kw 2臺3.2冷熱源機組設(shè)備投資這里僅討論設(shè)備費及安裝費，土建費應(yīng)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。3.21冷熱源

10、主機設(shè)備費用不同容量的冷熱源機組設(shè)備費用以下圖表示。具體主機設(shè)備費用見下表2。表2 主機設(shè)備費用 單位：萬元費用類別方案一方案二方案三方案四設(shè)備費冷源機組19222646264432熱源機組888 1冷噸1266MJ/h352kw322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(shè)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1851kw0694方案1: 2臺30kw0906方案1-4： 各2臺37kw1088方案2、3：各2臺冷卻塔LBC- M1506200方案1： 2臺LBCM20011200方案2、3：各2臺鍋爐給水泵221kw0250方案1：

11、 2臺3.23設(shè)備安裝費用主、輔機設(shè)備安裝費用，除熱泵以設(shè)備費用的15計外，其它設(shè)備以25計。33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(shè)備折舊費、占有空間費、利息和稅金等，暫不予考慮。331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(diào)節(jié)特性，結(jié)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(xué)會ARI-550標(biāo)準中提出綜合部分負荷能耗值IPLV(Integrated

12、Pant Load Value)和部分負荷應(yīng)用值A(chǔ)PLV(Application Part Load Value)：IPLV005A十030B十040C十025DAPLVIPLVT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(ha)。制冷系統(tǒng)全年能耗為：ERIPLV， 或ER=APLVTb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Mwha主機冬季84617.12672主機夏季34121081255985輔機1605196119611091小計5

13、10.1213021579748耗油ta主機冬季878-845-主機夏季-1335-小計878-2180-耗氣1000Nm3a主機冬季-857-主機夏季-1355-小計-2212-一次能耗GJa主機冬季3843401537232992主機夏季3519636158976702輔機1797219621961222小計9159125721181610916單位面積一次能耗MJm2a458.0628.4590.8546.0(天然氣熱值取4605MJNm3，油鍋爐燃油熱值取4271MJkg，輕油熱值取4312MJkg)在實際應(yīng)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(diào)節(jié)年，假定機

14、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(kJa)與熱源機組額定出力qH(kJh)之比，定義為“全年當(dāng)量滿負荷運行時間EH”，即 EHqh/qH 。熱源機組全年能耗為 EHEHWH式中：WH-熱源機組滿負荷運行時的單位能耗，(kJh)如果機組實際運行時間為TH，定義平均負荷率：EHTH則系統(tǒng)總耗能為EH=WHTHc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(diào)期間(共274天)有休息日78天，在加上元旦、新年放假，實際空調(diào)系統(tǒng)運行時間為計算的

15、70，修正后的空調(diào)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Mwha3571149115106824耗油總量噸a615-152，6-耗天然氣總量103Nm3a-1548-一次能耗總計GJa6625880382727642單位面積一次能耗GJm2a3312440041373823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采用下面公式：WW(fw)W-機組耗電量；W-電力折算一次能耗量；f-燃煤電廠發(fā)電熱效率，取35；W-電網(wǎng)輸送

16、效率，取92；如果考慮火電機組在調(diào)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32元kg，天然氣價格為21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)3571149115106824總油費(萬元年)1968-4883-天然氣費(萬元年)-3251-總能耗費(萬元年)5539474263936824332年維修費用 年維修費用以設(shè)備費用的6計算。34各方案費用匯總 綜

17、合以上分析，各方案費用匯總?cè)缦卤?。 表7 費 用 匯 總單位：萬元費用類別方案一方案二方案三方案四設(shè)備費冷源機組1922264626404320熱源機組888-輔機16126426418小計297129129044338設(shè)備安裝費7437287266507設(shè)備投資總計3714363.8363.0498.87能耗費年電費357114911516824油費1968-4883-天然氣費-3251-小計5539474263936824維修費年178175174260年運行費用總計73.1964928133942435綜合分析 從一次能耗來看，方案一方案四方案三方案二。 在表4、表5中可以看出，方案一

18、(離心式機組十油鍋爐)的一次能耗最少，而方案二(天然氣直燃型機組)一次能耗最大。方案四(熱泵)雖然在額定的冷量或熱量下，其能耗都比較高，但在部分負荷下，熱泵的性能系數(shù)變優(yōu)，從而能源消耗較低。直燃型機組的耗電量很小，不到方案一的1/2。直燃型機組的耗電主要是在輔機部分， 占全年耗電量的92，但機組是省電不省能，能源消耗在四個方案中最大。因此直燃式機組特別適合用于電力較為緊張而油氣資源較為豐富的地區(qū)。對上海地區(qū)而言，一方面上海用電負荷的峰谷差矛盾較為突出，如1998年峰谷差達到370萬kw；另一方面， 目前特別是將來上海的天然氣供應(yīng)將極為豐富。所以，在上海地區(qū)采用天然氣直燃型吸收式冷熱水機組是一種

19、非常值得推廣的方案。從初投資費用來看，方案一(離心式機組十油鍋爐)、方案二(天然氣直燃型機組)與方案三(燃油直燃型機組)的初投資費用都差不多；方案四(熱泵)的初投資費用較大。當(dāng)四個方案選用不同型號的機組時，初投資費用會有所不同。從年運行費用來看，方案二方案一方案三方案四。年運行費用包括年能耗費用和維修費用。雖然方案二(天然氣直燃型機組)的能耗最大，但由于上海地區(qū)的能源價格體系決定了天然氣直燃型機組的年能耗費用最少。單純用電的熱泵機組由于用電量最大，因而年能耗費用也最大。綜上分析。可以看出直燃式機組特別適合用于電力較為緊張而油氣資源較為豐富的地區(qū)。對上海地區(qū)而言，一方面上海用電負荷的峰谷差矛盾較

20、為突出，如1998年峰谷差達到370萬kw；另一方面，不管是目前還是將來上海的天然氣供應(yīng)將日趨豐富。而且，天然氣的每兆焦價格遠低于電的價格，因此綜合的經(jīng)濟性最好；天然氣的大量應(yīng)用特別有利于改善環(huán)境。所以，在上海地區(qū)采用天然氣直燃型吸收式冷熱水機組是一種非常值得推廣的方案。4.空調(diào)機組用電和用天然氣對環(huán)境影響的比較電力機組雖然運行時不排放污染物，但考慮到上海的發(fā)電廠都是燃煤的，且發(fā)電效率又較低，因而造成的污染十分嚴重。燃煤電廠發(fā)電時污染物的排放情況如下表8，直燃機燃燒天然氣時污染物的排放情況如下表9。 表8 燃煤發(fā)電時污染物的排放量燃料SOxgkwhNOg/kwhTSPg/kwh灰渣gkwh煤9

21、.143320576301表9 燃天然氣污染物排放置燃料單位SOxNOxTSP灰渣天然氣g/Nm30001.28016000對方案一(離心式十油鍋爐)、方案二(天然氣直燃型機組)、方案四(熱泵)夏季制冷所產(chǎn)生的污染物排放置進行比較，算得到如表10的結(jié)果。表10：用電和用天然氣空調(diào)機組夏季制冷的污染物排放量機組SOx(噸)NOx(噸)TSP(噸)灰渣(噸)離心式4081480252814天然氣直燃型1390.68O11956熱泵59121503740.77從表中可看到機組用電量越大，對環(huán)境造成的影，向也越大由于天然氣燃燒排放的污染物較少，所以使用直燃式機組比其它兩種方案對環(huán)境的污染要小得多。5.天然氣直燃式機組用于區(qū)城集中供冷供熱目前居民住宅中，一般是通過使用電力驅(qū)動的獨立的冷暖兩用