燃气机热泵系统在学校建筑的适用性分析_工程实践

摘要

摘要：探讨了燃气机热泵系统在一次能源利用率、变负荷特性、环境保护方面的技术特性。结合工程实例，采用层次分析法对燃气机热泵、电驱动热泵、电空调+燃煤供热锅炉、直燃式溴

摘要：探讨了燃气机热泵系统在一次能源利用率、变负荷特性、环境保护方面的技术特性。结合工程实例，采用层次分析法对燃气机热泵、电驱动热泵、电空调+燃煤供热锅炉、直燃式溴化锂吸收式热泵在学校建筑的适用性进行了评价，燃气机热泵的适用性最佳。

关键词：燃气机热泵；冷热源；层次分析法

Key words：gas engine-driven heat pump；cooling and heat sources；analytic hierarchy process

燃气机热泵系统由燃气发动机系统、热泵系统组成。和一般的电驱动热泵的不同之处是多了一套燃气发动机，且该系统可以回收利用烟气余热和发动机缸套冷却水余热，余热利用率可达80%左右。以天然气作为燃料的燃气机热泵，不仅具有环保的特点，而且耗电量极少，也比电驱动热泵具有更高的效率^[1、2]。本文结合工程实例，分析燃气机热泵在学校类建筑应用的可行性，利用层次分析法综合考虑技术、经济和环境等方面的因素，与其他冷热源形式进行比较。

1 燃气机热泵系统的技术特点

1.1 一次能源利用率

在各种制热系统中，一次能源利用率的计算式

I_PER,g=η_gI_CPO,hp+α(1-η_g) (1)

I_PER,e=η_etI_COP,e (2)

I_PER,e=η_b (3)

I_PER,L=η_zr (4)

式中I_PER,g——燃气机热泵的一次能源利用率

η_g——燃气发动机的效率，取0.32

I_CPO,hp——燃气机热泵制热性能系数，取3.6

α——余热回收率，取0.8

I_PER,e——电驱动热泵的一次能源利用率

η_et——电厂的发电效率，取0.33

I_COP,e——电驱动热泵的制热性能系数，取3.6

I_PER,c——燃煤锅炉的一次能源利用率

η_b——燃煤锅炉的热效率，取0.8

I_PER,L——直燃式溴化锂吸收式热泵的一次能源利用率

η_zr——直燃式溴化锂吸收式热泵的热效率，取0.9

由式(1)～(4)计算可得，4种制热系统的一次能源利用率(见表1)。由表1可知，燃气机热泵的一次能源利用率是最高的，是电驱动热泵的1.44倍，是燃煤锅炉的2.12倍，是直燃式溴化锂吸收式热泵的1.88倍。

表1 各热源的一次能源利用率比较

热源形式	一次能源利用率
燃气机热泵	1.696
电驱动热泵	1.180
燃煤锅炉	0.800
直燃式溴化锂吸收式热泵	0.900

1.2 变负荷特性

学校类建筑一般设有很多专业教室，如书法类教室、美术类教室等，这些教室在空调负荷计算时仍然要考虑进去，但是这些教室的利用率并不高，很多时候是不用的，因此教学楼的空调系统实际上经常在部分负荷条件下运行。燃气机热泵可以通过改变发动机的转速适应空调系统的负荷变化，拥有良好的部分负荷性能。相比其他热泵系统，燃气机热泵拥有更好的部分负荷特性^[4]，部分负荷性能好，可以更好地实现变负荷运行。

1.3 环境保护

由于天然气的杂质含量极少，是矿物燃料中最清洁的能源^[5]，因此燃气机热泵对环境的危害很小。以煤的污染物排放量作为基准，将煤、石油、天然气的污染物排放量进行比较(见表2^[6])。由表2可知，天然气对环境的污染程度是最小的。

表2 不同燃料排放污染物的比较^[6]

燃料	SO_x排放量	NO_x排放量	CO₂排放量
煤	100%	100%	100%
石油	70%	70%	80%
天然气	0	20%～40%	60%

2 应用实例分析

2.1 工程概况

某学校的教学楼建筑面积为6000m²，总冷负荷为480kW，总热负荷为400kW。利用燃气机热泵制热、制冷。该工程在室外安装了6台室外机组，额定最大制冷能力均为84kW，额定最大制热能力均为95kW。，室内机组共计182台。

将燃气机热泵(方案1)与电驱动热泵(方案2)、电空调+燃煤供热锅炉(方案3)、直燃式溴化锂吸收式热泵(方案4)进行比较，得到各方案单位建筑面积造价、运行费用(见表3)。

表3 各方案单位建筑面积造价、运行费用

方案	单位建筑面积造价/(元·m^-2)	单位面积运行费用/(元·m^-2·a^-1)
方案1	522.0	22.0
方案2	468.8	26.0
方案3	459.4	15.5
方案4	483.3	41.5

2.2 层次分析法

本文利用层次分析方法一。和相关软件，以造价、运行费用、能源效率和环境影响4个元素来比较燃气机热泵、电驱动热泵、电空调+燃煤供热锅炉、直燃式溴化锂吸收式热泵，得出学校类建筑较适合的冷热源方案。

2.3 计算过程和结果

采用层次分析法进行分析时，可按以下4个步骤进行：步骤1：分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构。步骤2：同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较的判断矩阵。步骤3：由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重。步骤4：计算各层元素对系统目标的合成权重，并进行总排序。

在构造判断矩阵时，可以根据本层各个因素对上层某个因素的影响程度的大小，以及一定的比率标度，将这种判断结果定量化，形成判断矩阵。一般采用1～9比率标度方法。各个标度及其含义见表4^[7]。

表4 判断矩阵的标度及含义^[7]

标度	标度的含义
1	表示两个因素相比，同等重要
3	表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要
5	表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要
7	表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要
9	表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要
2、4、 6、8	上述两相邻判断值的中间值
倒数	因素i与j比较的判断值为a_ij，因素j与i比较值a_ji=1/a_ij

根据表4构造出判断矩阵，然后对判断矩阵进行检验，检验其是否满足一致性。即随机一致性小于0.1时，该矩阵具有满意的一致性，否则就要调整矩阵，使之达到满意的一致性。

根据上述的比率标度构造了判断矩阵，然后利用层次分析法软件，得到以下结果(见表5～9)。结合表5～9，4个方案的合成权重分别为0.3048、0.2492、0.2397、0.2062。在考虑了造价、运行费用、能源效率和环境影响后，燃气机热泵相对于其他3个系统是最适合的。

表5 相对于目标层(空调系统)各个因素两两比较后的判断矩阵及其权重

空调系统	造价	运行费用	能源效率	环境影响	权重
造价	1.0000	3.0000	1.0000	2.0000	0.3512
运行费用	0.3333	1.0000	0.3333	0.5000	0.1089
能源效率	1.0000	3.0000	1.0000	2.0000	0.3512
环境影响	0.5000	2.0000	0.5000	1.0000	0.1887

表6 各方案相对于造价比较后的判断矩阵及权重

造价	方案1	方案2	方案3	方案4	权重
方案1	1.0000	0.5000	0.2500	0.3333	0.0988
方案2	2.0000	1.0000	0.5000	2.0000	0.2601
方案3	4.0000	2.0000	1.0000	2.0000	0.4375
方案4	3.0000	0.5000	0.5000	1.0000	0.2036

表7 各个方案相对于运行费用比较后的判断矩阵及权重

运行费用	方案1	方案2	方案3	方案4	权重
方案1	1.0000	2.0000	0.5000	5.0000	0.2984
方案2	0.5000	1.0000	0.5000	4.0000	0.1996
方案3	2.0000	2.0000	1.0000	6.0000	0.4417
方案4	0.2000	0.2500	0.1667	1.0000	0.0603

表8 各个方案相对于能源效率比较后的判断矩阵及权重

能源效率	方案1	方案2	方案3	方案4	权重
方案1	1.0000	2.0000	5.0000	3.0000	0.4723
方案2	0.5000	1.0000	4.0000	2.0000	0.2854
方案3	0.2000	0.2500	1.0000	0.3333	0.0725
方案4	0.3333	0.5000	3.0000	1.0000	0.1697

表9 各个方案相对于环境影响比较后的判断矩阵及权重

环境影响	方案1	方案2	方案3	方案4	权重
方案1	1.0000	2.0000	6.0000	1.0000	0.3802
方案2	0.5000	1.0000	3.0000	0.5000	0.1901
方案3	0.1667	0.3333	1.0000	0.2000	0.0663
方案4	1.0000	2.0000	5.0000	1.0000	0.3633

3 结论

① 燃气机热泵制热时一次能源系数明显高于其他的冷热源系统。

② 燃气机热泵对环境的危害较小。虽然电驱动热泵消耗电能，表面上没有对环境造成多大影响，但是电厂在用煤发电时排放的硫化物、氮氧化物和二氧化碳却对环境有极大的危害。

③ 通过层次分析法的分析，可以看出燃气机热泵总体是最有优势的。虽然它的造价相比电驱动热源、电空调+燃煤供热锅炉、直燃式溴化锂吸收式热泵要高，但是综合考虑，尤其是对拥有燃气管道的学校类建筑，是较适用的。

参考文献：

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[6] 催民选.2007中国能源发展报告[M].北京：社会科学文献出版社，2007.

[7] 张蕊，涂光备，曹国庆.燃气直燃机冷热源的经济性分析[J].煤气与热力，2005，25(11)：35-38.

(本文作者：王晶¹ 吕建¹ 杨洪兴² 解群³ 1.天津城市建设学院天津 300384；2.香港理工大学香港；3.海南元正建筑设计咨询有限公司天津分公司天津 300374)