摘要：对燃煤锅炉供热、天然气锅炉供热、天然气热泵供热、电动热泵供热等过程二氧化碳的排放量进行了计算与分析。二氧化碳排放量最大的是燃煤锅炉供热，天然气锅炉供热是燃煤锅炉供热的55%，电动热泵供热是燃煤锅炉供热的50%，天然气热泵供热是燃煤锅炉的31%。

关键词：供热方式；  燃气锅炉；燃气热泵；二氧化碳排放

Impact of Natural Gas Heat Supply on Carbon Dioxide Emission

Abstract: The carbon dioxide emissions in heat supply process of devices such as coal-fired boiler，natural gas boiler，natural gas heat pump and electric heat pump are calculated and analyzed. The carbon dioxide emission of coal-fired boiler is maximum. The natural gas boiler，electric heat pump and electric heat pump are 55%,50%and 31%of that of coal-fired boiler，respectively.

Key words: heat supply mode；gas boiler；gas heat pump；carbon dioxide emission

1 概述

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，供热消耗的能源不断增加，排放的二氧化碳量越来越多。全世界主要二氧化碳排放国家的排放量见表1^[1]。由表1可知，美国2004年的排放量和l950-2002年的累计排放量均占世界第一位；我国2004年的二氧化碳排放量为世界第二位，1950-2002年的累计排放量为世界第三位；7个国家二氧化碳排放量合计约占全世界的60%。我国二氧化碳排放量增加速度加快，说明进入21世纪后，我国经济发展速度加快，能源消耗增加，导致二氧化碳排放量增加，我国二氧化碳的减排压力越来越大。如果按目前的经济发展速度，我国的二氧化碳排放量不久将会超过美国，碳减排的任务非常艰巨。

二氧化碳的排放量中，建筑供热所致二氧化碳排放量占有相当的比例，如何降低建筑供热的二氧化碳排放量是碳减排的一个重要方向。随着天然气供应的增加，天然气供热有所增加。推广天然气供热，对于减少二氧化碳的排放有一定作用，如果使用不合理，其减排作用减弱很多。因此，对天然气供热过程的二氧化碳排放量需要进行计算和分析比较，以期选择合适的天然气供热技术。

2 供热过程能源利用效率计算

目前我国供热的主要热源是燃煤锅炉，也有天然气锅炉供热、天然气热泵供热和电动热泵供热等方式。为了计算供热过程二氧化碳的排放量，首先要确定供热过程的一次能源利用的效率。以北方地区10 000 m²建筑面积供热为例，设热指标为50 W／m²，则供热功率为500 kW。   

燃煤锅炉和燃天然气锅炉供热均为直接燃烧供热，燃煤锅炉制熟效率取80%，天然气锅炉制热效率取85%。热泵供热是利用逆卡诺循环的原理将低品位的热能提升到供暖热水的温度而进行制热。燃气热泵制热时，压缩机靠燃气发动机驱动，其流程见图l。电动热泵制热时，压缩机采用电动机驱动。

热泵循环过程工质压力与热泵蒸发温度和冷凝温度有关。选R22为热泵的工质，假定工质为等温状态下进行冷凝与蒸发，压缩机进口工质压力为：

式中 p₁——压缩机进口工质蒸气绝对压力，kPa

     p₀——T0时工质饱和蒸气绝对压力，kPa

     q_R22——工质R22的蒸发或冷凝潜热，kJ／kg

     M——工质的摩尔质量，kg／kmol

     R——摩尔气体常数，kJ／(kmol·K)

     T₁——工质蒸发温度，K

     T₀——标准状态温度，K，取273 K

压缩机出口工质压力为：

式中 p₂——压缩机出口工质蒸气绝对压力，kPa

     T₂——工质冷凝温度，K

热泵制热系数计算式为：

式中 I_COP,h——热泵制热系数,h

     η_b——压缩机效率，取85%

     η_c——冷凝器效率，取80%

     к——工质R22的等熵指数，为1.194

由式(3)可以计算得到不同蒸发温度和冷凝温度时的热泵制热性能系数(见表2)。

电动热泵的制热效率为：

式中 η_DHP——电动热泵的制热效率

     η_dj——电动机的效率，取85%

燃气热泵的制热效率为：

式中 η_GHP——燃气热泵的制热效率

      h_rj——燃气发动机的效率，取30%

     η_rhs——燃气发动机余热回收率，取30%

热泵蒸发温度为15℃和冷凝温度为60℃时的制热性能系数为4.1，由式(4)、(5)可以得到电动热泵和燃气热泵的制热效率。不同供热过程的制热效率见表3。

3 供热过程二氧化碳排放量的计算

为了计算各种过程的二氧化碳排放量，首先要确定二氧化碳排放因子：标煤为2.7716 kg／kg，天然气为l.994 kg／m³，电力为0.749 6 k9／(kW·h)^[2]。

供热功率为500 kW，1个供暖期时间取2 800h，每个供暖期的供热量为5 040 GJ，则二氧化碳排放量计算式为：

式中 E——二氧化碳排放量，t／a

    α——二氧化碳排放因子

    β——制热效率

    Q——供热系统耗能的热当量，标煤为29.31MJ／kg，天然气为36.OO MJ／m³，电力为3.60 MJ／(kW·h)。

根据表3的数据，由式(6)可以计算得到不同供热过程韵二氧化碳排放量(见表4)。由表4可知，燃煤锅炉的二氧化碳排放量最大，天然气热泵排放量最小，天然气锅炉与电动热泵的排放量居中。

4结语

①二氧化碳的排放量中，建筑供热所致二氧化碳排放量占有相当的比例，如何降低建筑供热的二氧化碳排放量是研究的一个重要方向。

②由计算可知，天然气供热与燃煤锅炉供热相比，二氧化碳的排放量少，体现了环境友好型能源的功能，是减排二氧化碳的重要措施。

③天然气是优质能源，应该优化利用。相对而言，天然气热泵供热的二氧化碳排放量仅为天然气锅炉供热二氧化碳排放量的56%，采用天然气热泵供热对于减排二氧化碳更为有效。

参考文献：

[1] 金涌.资源·能源·环境·社会——循环经济科学工程原理[M].北京：化学工业出版社，2009：297.

[2] 丛林.集中供热热源及一次网能效基准线及核证方法研究(硕士论文)[D].天津：天津大学，2011：43-44.

本文作者：陈莉 李文硕 谭振刚 段国栋