天然氣熱泵供熱過程的經(jīng)濟性分析

摘 要

摘要：為了給天然氣供熱用戶選擇供熱方案時提供技術(shù)經(jīng)濟的依據(jù)，需要對天然氣供熱方案進行經(jīng)濟性分析。為此，在建立天然氣熱泵供熱過程經(jīng)濟分析模型的基礎(chǔ)上，采用對天然氣熱泵供熱
摘要：為了給天然氣供熱用戶選擇供熱方案時提供技術(shù)經(jīng)濟的依據(jù)，需要對天然氣供熱方案進行經(jīng)濟性分析。為此，在建立天然氣熱泵供熱過程經(jīng)濟分析模型的基礎(chǔ)上，采用對天然氣熱泵供熱過程進行模擬計算的方法，得出了其供熱過程的年費用和主要參數(shù)的影響規(guī)律，并與天然氣鍋爐、電動熱泵等供熱過程進行了經(jīng)濟比較。結(jié)果表明：①天然氣熱泵供熱效率為天然氣鍋爐熱效率的1.6倍，天然氣價格為2.6元/m3時，天然氣熱泵供熱總費用僅為天然氣鍋爐供熱總費用的83%；天然氣價格越高，天然氣熱泵的經(jīng)濟效益越顯著；②在供熱量和其他參數(shù)相同的前提下，天然氣價格為2.2元/m3時天然氣熱泵供熱總費用與電價為0.6元/kWh時的電動熱泵供熱總費用相當。
關(guān)鍵詞：天然氣；供熱；天然氣熱泵；天然氣鍋爐；電動熱泵；過程優(yōu)化；經(jīng)濟性分析；節(jié)能技術(shù)
    天然氣供熱的熱源裝置有多種，如：①天然氣鍋爐供熱可用于城市熱源調(diào)峰；②天然氣壁掛爐供熱適用于單戶采暖；③冷熱電聯(lián)供適于電負荷、熱負荷、冷負荷均較大的用戶；④天然氣直燃式溴化鋰制冷機適用于供冷負荷大、供熱負荷較小的地區(qū)；⑤天然氣熱泵可用于制冷、制熱及供應(yīng)生活熱水。天然氣熱泵在民用建筑中應(yīng)用的可行性和用于制冷的技術(shù)經(jīng)濟性已有研究[1～2]。筆者以天然氣熱泵供熱為研究對象，采用模擬法計算出其運行參數(shù)與費用，并與相關(guān)供熱方式進行經(jīng)濟性比較，以期為天然氣用戶選擇供熱方案時提供技術(shù)經(jīng)濟依據(jù)。
1 天然氣熱泵供熱工藝
1.1 天然氣熱泵供熱流程及供熱要求
    天然氣熱泵供熱的流程見圖1，主要設(shè)備有天然氣發(fā)動機、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)熱源設(shè)備以及利用發(fā)動機冷卻水的發(fā)動機余熱換熱器等。供熱回來的熱媒分別經(jīng)熱泵冷凝器和發(fā)動機余熱換熱器換熱升溫并匯合后供給熱用戶。天然氣在發(fā)動機中燃燒后經(jīng)絕熱膨脹做功和經(jīng)發(fā)動機冷卻水冷卻后，煙氣溫度已不太高，但可用作蒸發(fā)器冬天除霜用，本文未考慮煙氣余熱的回收。
 

    本文計算示傭的采暖建筑面積為10000m2，采暖熱媒溫度為50℃，采暖熱指標為50W/m2，年采暖時間為2880h。
1.2 天然氣熱泵工藝參數(shù)及經(jīng)濟參數(shù)
    天然氣熱泵工質(zhì)為R22，天然氣高熱值為36000kJ/m3，天然氣發(fā)動機效率為30%(一般為30%～35%)，由發(fā)動機余熱換熱器回收天然氣發(fā)動機余熱回收率取30%，壓縮機效率以80%計，冷凝器換熱效率為80%，蒸發(fā)器熱源水溫度為10℃。
    熱泵裝置初投資約為100萬元，熱泵設(shè)備折舊年限按10年計，設(shè)備維修和管理費用為折舊費的40%。
2 天然氣熱泵供熱費用計算
2.1 計算模型
    影響天然氣熱泵供熱費用的因素主要包括建筑供熱面積、熱媒要求的溫度、熱源條件、熱泵性能和燃料價格等。為了計算產(chǎn)品的費用，需要根據(jù)熱力學原理和經(jīng)濟學原理，建立生產(chǎn)函數(shù)與費用函數(shù)之間的關(guān)系式[3～4]。天然氣熱泵裝置供熱的總費用為燃料費用和非燃料費用之和，即：Z=Zr+Zfr。
2.1.1燃料費用計算過程
    1) 采暖熱負荷：Qh=qhAh/1000
    2) 壓縮機出口工質(zhì)冷凝溫度：T1=Tr+3
3) 壓縮機出口工質(zhì)冷凝壓力：
 
    4) 蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸發(fā)溫度：T4=Ty-3
5) 壓縮機進口工質(zhì)蒸發(fā)壓力：
 
6) 熱泵性能系數(shù)：
 
7) 天然氣發(fā)動機帶動壓縮機所需天然氣量：
 
    8) 一個采暖季工質(zhì)加壓用的天然氣發(fā)動機所需燃料費用：Zr=QgCg
2.1.2非燃料費用計算
    熱泵運行過程的非燃料費用主要包括設(shè)備折舊費用、大修費用、管理費用等。熱泵裝置初投資、熱泵設(shè)備折舊年限及設(shè)備維修和管理費用如前所述。由于天然氣熱泵具有制熱、制冷和供應(yīng)生活熱水的功能，制熱的折舊費用應(yīng)取其半。
    非燃料費用計算式為：Zfr=0.5Cch(1+Kg)/n
2.2 天然氣熱泵供熱費用的模擬計算
    根據(jù)上述條件和建立的模型，模擬計算結(jié)果如下。
2.2.1運行參數(shù)
    冷凝溫度為53℃；蒸發(fā)溫度為7℃；冷凝壓力為2.021MPa；蒸發(fā)壓力為0.607MPa；供熱能力500kW，制熱用天然氣功率為355.65kW。
2.2.2運行費用
    在上述供熱參數(shù)、熱泵工藝參數(shù)、熱泵經(jīng)濟參數(shù)的條件下，基本條件為：采暖指標50W/m2，熱水源溫度10℃，當天然氣價格取2.5元/m3時，一個采暖季天然氣消耗為102417m3，燃料費用為256041元，非燃料費用為70000元，一個采暖季總費用為326041元，折算為1m2建筑面積采暖費用為32.60元。
2.2.3條件變化對運行費用的影響
    基本條件中，只有采暖熱指標變化對天然氣熱泵供熱費用的影響見表1；只有熱源水溫度變化對費用的影響見表2；只有天然氣價格變化對費用的影響見表3。由表可知，天然氣熱泵供熱費以燃料費用為主，降低采暖費用的主要措施是提高燃料的利用效率。
 

3 與其他供熱方式的費用比較
3.1 天然氣熱泵與天然氣鍋爐供熱的比較
    設(shè)天然氣鍋爐熱效率為85%，初投資約為40萬元。設(shè)備折舊費用按設(shè)備費的10年平均折舊計算，維修與管理費用按設(shè)備折舊費的20%計。天然氣鍋爐的效率比天然氣熱泵的供熱效率低，而且只有供熱的功能。在供熱量相同和天然氣價格不同時，只用于供熱的天然氣熱泵與天然氣鍋爐供熱費用的比較見表4。由表4可以看出，天然氣鍋爐供熱的總費用比天然氣熱泵單供熱的費用高，天然氣價格越高，二者之差越大，說明天然氣熱泵的效益更顯著。
 

3.2 天然氣熱泵與電動熱泵供熱的比較
    電動熱泵與天然氣熱泵均能用于夏天制冷、冬天制熱。但天然氣熱泵能利用一部分發(fā)動機的余熱，實際上天然氣熱泵供熱量比電動熱泵少，冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積少，二者的設(shè)備費用相差不大。因此，天然氣熱泵與電動熱泵供熱費用的比較主要取決于天然氣和電的相對價格。在供熱量相同的前提下，電價為0.6元/kWh時的電動熱泵供熱費用與不同天然氣價格時天然氣熱泵供熱費用的比較見表4。由表可知，天然氣價格為2.2元/m3時，天然氣熱泵的供熱費用與電價為0.6/kWh時的電動熱泵供熱費用相當；如果天然氣熱泵只在冬天用于供熱，夏天不用于制冷，由于設(shè)備費用不分攤，只供熱時的非燃料費用增加，則供熱總費用增加。
4 結(jié)論
    1) 天然氣熱泵供熱是能量梯級利用的一種方式，由天然氣熱泵的運行參數(shù)可知，供熱能力為500kW時，天然氣耗能僅為355.65kW，其能量利用效率為140%，而天然氣鍋爐熱效率為85%。前者供熱總費用比后者低，天然氣價格越高，天然氣熱泵的經(jīng)濟效益越顯著。由于冬季供熱量隨室外溫度波動的影響大，需要有較大的儲氣能力，采用天然氣熱泵供熱可減少天然氣用量，相對減少了儲氣設(shè)施的投資，也減少了二氧化碳的排放量，有利于節(jié)能減排，是采用天然氣供熱的最佳選擇之一。
    2) 在供熱量和其他參數(shù)相同的前提下，天然氣價格為2.2元/m3時天然氣熱泵供熱總費用與電價為0.6元/kWh時的電動熱泵供熱總費用相當。一個采暖季節(jié)中，熱負荷的波動大，由于天然氣的儲存比電能的儲存容易，天然氣熱泵供熱比天然氣發(fā)電后用電動熱泵供熱更為合適。
符號說明
    Z為天然氣熱泵供熱費用，元/a；Zr為燃料費用，元/a；Zfr為非燃料費用，元/a；Qh為采暖熱負荷，kW；qh為采暖熱指標，W/m2；Ah為建筑供熱面積，m2；T1為壓縮機出口工質(zhì)溫度，K；Tr為供熱水溫度，K；p1為壓縮機出口壓力，kPa；p0為0℃工質(zhì)飽和蒸汽壓力，kPa；qR22為工質(zhì)R22的蒸發(fā)或冷凝潛熱，kJ/kg；M為工質(zhì)R22的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；R為通用氣體常數(shù)，為8.314kJ/(kmol·K)；T0為標準大氣溫度，273K；T4為蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度，K；Ty為熱泵熱源水溫度，K；p4為壓縮機進口壓力，kPa；COP為熱泵制熱性能系數(shù)；ηb為壓縮機效率；ηc為冷凝器效率；k為等熵指數(shù)；Qg為年制熱所需天然氣量，m3/a；τ為年采暖時間，h/a；ηa為發(fā)動機效率；ηr為發(fā)動機余熱回收效率；Hg為天然氣熱值，按36000kJ/m3計；Cg為天然氣價格，元/m3；Cch為天然氣熱泵設(shè)備初投資，元；Kg為設(shè)備維修、管理等費用與設(shè)備折舊費用之比；押為設(shè)備折舊年限，a。
參考文獻
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(本文作者：項凌1 汪波1 劉鳳國2 1.天津大學管理學院；2.天津城市建設(shè)學院能源與機械工程系)