摘 要：提出二甲醚热泵与太阳能互补供能的工艺和经济性分析方法，在太阳能集热器供热比例不同时，进行特定条件下的经济性计算，提出了太阳能集热器供热比例为0．4～0．6时，经济性及供热效果最优。
关键词：二甲醚热泵； 太阳能热利用； 集热器； 经济性分析
Economic Analysis of Complementary Energy Supply between Dimethyl Ether Heat Pump and Solar Collector
Abstract：The process and economic analysis method of the complementary energy supply between dimethyl ether(DME)heat pump and solar c011ector are proposed．The economic calculation under the special condition is carried out when the heating percentages of solar collector are different．It is pointed show that the economy and heating efficiency are optimal when the heating percentage of solar collector is controlled at 0.4 to 0.6．
Keywords：dimethyl ether(DME)heat pump；solar heat utilization；heat collector；economic analysis
1 概述
由于煤炭是固体燃料，其组成复杂，直接燃烧利用对环境的污染较大，因此煤炭的高效清洁利用是当前的重要研究方向。二甲醚是由煤炭气化制成合成气，合成甲醇后脱水生成，我国已经制定GB 25035—2010《城镇燃气用二甲醚》标准。二甲醚的十六烷值与柴油相当，发动机燃烧过程噪声低，氮氧化物排放量少，是柴油发动机的理想替代燃料。二甲醚发动机不仅能驱动交通工具，也可以驱动热泵用压缩机。
利用二甲醚驱动工质压缩机是一种高效的技术。我国广大地区有较丰富的太阳能资源，太阳能集热器的利用已经比较普遍[1-2]。二甲醚热泵与太阳能集热器供热各有优缺点，二甲醚是二次能源，其燃料成本相对较高；太阳能集热系统昼夜和四季可接受的能量波动大，造价也较高。如果将二甲醚热泵与太阳能结合进行互补供能，既可降低供热的燃料成本，又可提高供热的可靠性。
2 二甲醚热泵与太阳能互补供能的工艺
二甲醚热泵与太阳能互补供能的工艺流程见图1[3]。二甲醚储罐l中的二甲醚气化后经二甲醚发动机2将二甲醚的燃烧热转化为机械能，进而驱动工质压缩机3，将低压气态工质绝热压缩为高压气态工质，高压气态工质进入工质冷凝换热器5中被热媒或热汇介质冷凝为液态工质，液态工质经节流阀6绝热膨胀后进入工质蒸发换热器7中，靠吸收热源介质或冷媒的热量而气化为气态工质，再进入工质压缩机3，循环进行。太阳能集热器10提供的热水与热泵的热水共同进入热水储罐9后外供。利用二甲醚补热器8和发动机冷却水换热器4可回收一部分余热，并可弥补高峰负荷。
二甲醚热泵与太阳能互补供能的功能如下。
①冬季制热
利用二甲醚热泵的工质冷凝换热器5放出的热量将供暖回水加热后，与太阳能集热器10的热水、发动机冷却水换热器4的热水、二甲醚补热器8的热水共同进入热水储罐9，作为供暖供水。工质蒸发换热器7所需的蒸发热则由热源介质提供。
②夏季制冷
利用二甲醚热泵的工质蒸发换热器7吸收热量使空调用冷媒降温，直接供建筑物空调用。工质冷凝换热器5放出的热量可带进热水储罐9用于制备生活热水，或由热汇介质带走。
③制备生活热水
夏季可以利用制冷过程工质冷凝换热器5放出的热量，经热水储罐9中的换热盘管将自来水加热供应生活热水；冬季供暖负荷大时，可启动二甲醚补热器8补充提供部分热水；非供暖和非空调季节，如太阳能集热器l0的热水不够用，可启动二甲醚热泵进行低负荷运行或启动二甲醚补热器8供应生活热水。
3 二甲醚热泵与太阳能互补供能费用
①燃料费用
以R22为工质的二甲醚热泵与太阳能互补供能的参数为：制冷时冷媒温度5～7℃，供热时热媒温度45～55℃，生活热水温度40～50℃。因太阳能部分无燃料费用，只计算二甲醚热泵与太阳能互补供能中二甲醚热泵的燃料费用。
a．供热负荷的计算
Fh＝Sqh/1000 (1)
式中Fh——供热负荷，kW
S——建筑供热面积，m2
qh——热负荷指标，W／m2
b．压缩机出口、进口工质绝对压力的计算
式中p1——压缩机出口工质绝对压力，Mpa
p0——标准大气压绝对压力，Mpa
r——工质的蒸发热，kJ／kg，取206kJ／kg
Mr——工质相对分子质量，取86.5
R——摩尔气体常数，kJ／(kmol·K)，取8.314kJ／(kmol·K)
T1——压缩机出口工质温度，K
T0——标准状态温度，K，取273.15K
p4——压缩机进口工质绝对压力，Mpa
T4——压缩机进口工质温度，K
c．热泵供热性能系数的计算[4]
式中Icop——二甲醚热泵供热性能系数
h2——压缩机效率，取80％
h3——冷凝换热器效率，取80％
k——工质等熵指数，取1.194
d．二甲醚功率计算
燃料费用主要取决于满足一定供热负荷时工质压缩所需的机械功，二甲醚热泵制热过程需消耗二甲醚功率计算式为：
式中Pg——二甲醚热泵制热需二甲醚的功率，kW
Fsun——太阳能集热器的供热负荷，kW
h1——二甲醚发动机效率，取30％
h4——发动机余热利用率，取30％
qsun——太阳能集热器供热能力，kW／m2
Ssun——太阳能集热器面积，m2
c．二甲醚燃料费用的计算
Zr＝3.6PgthCDME (7)
式中Zr——二甲醚燃料费用，元／供暖期
th——年供暖期的时间，h，取2800h
CDME——二甲醚的价格，元/MJ
②非燃料费用
非燃料费用主要包括二甲醚热泵和太阳能集热器等设备折旧费用、大修费用、管理费用，为了计算设备折旧费用，首先要计算每个设备的造价。二甲醚热泵供热系统设备造价与规模有关，太阳能集热器供热系统设备的造价主要取决于集热器的面积。
Z1＝A+BPg (8)
式中Z1——二甲醚热泵供热系统设备造价，元
A——二甲醚热泵的基本造价，取18×104元
B——系数，取0.16×104元／kW
Z2＝CsunSsun (9)
式中Z2——太阳能集热器供热系统设备造价，元
Csun——太阳能集热器的价格，元/m2
设备折旧费用采用设备造价按折旧年限均摊计算，大修费用和管理费用取设备折旧费用的0.4倍，冬季制热与夏天制冷的造价各占总造价的50％，非燃料费用的计算式为：
Zfr＝[1.4(0.5Z1+Z2)]/n (10)
式中Zfr——非燃料费用，形供暖期
n——设备折旧年限，a，取15a
③二甲醚热泵与太阳能互补供热总费用
Zsum＝Zr+Zfr (11)
式中Zsum——供热总费用，元／供暖期
4 经济性模拟分析
4.1 初始条件
①供热要求：建筑供热面积为1×104m2，热负荷指标为50W／m2，供水温度为50℃，年供暖时间2800h。
②二甲醚热泵供热系统：热源温度为10℃，冷凝换热器和蒸发换热器的传热温差为3℃。
③太阳能集热器供热系统：热水温度50℃，太阳能集热器的供热能力可按0.6kW／m2计[2]。
4.2 计算结果分析
影响二甲醚热泵与太阳能供能的经济性参数中，二甲醚价格和太阳能集热器价格影响较大。二甲醚热泵系统供热比例大，则燃料费用高；太阳能集热器系统供热比例大，则总造价高。选择太阳能集热器供热与二甲醚热泵供热比为主要变量，计算供热成本。计算工况1：太阳能集热器价格取2000元／m2，二甲醚价格取0.208元／MJ(见表l)；计算工况2：太阳能集热器价格取3000元／m2，二甲醚价格取0.139元／MJ(见表2)。二甲醚供热性能系数为3.69。
由表l、2可以看出，二甲醚的价格越高，太阳能集热器供热比例对于供暖期费用的影响越大，有利于推广利用太阳能集热器供热，太阳能供热系统设备的投资回收期越短，这一观点与文献[4]的观点一致。还可以看出，太阳能集热器供热比例越大，燃料费用越低。但由于太阳能集热器造价高，集热器的安装需要具备一定的条件，并且太阳能辐射强度的四季差别和昼夜差别很大，太阳能集热器供热系统的可靠性低。综合考虑以上各种因素，太阳能集热器供热比例为0.4～0.6时经济性及供热效果最优。
5 结语
综合考虑供热的价格和供热的可靠性，太阳能集热器供热比例可取0.4～0.6。鉴于各地的太阳能资源分布不同，供热的要求也有区别，二甲醚的价格和太阳能集热器的价格也会有波动，建议在既有二甲醚供应又有供热需求的地区进行示范研究，以便取得更为符合实际的工程技术参数，进而推广应用。
参考文献：
[1]杨洪兴，周伟．太阳能建筑一体化技术与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009：299-333．
[2]王崇杰，薛一冰．太阳能建筑设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007：92-96．
[3]天津市迅尔自控设备制造有限公司．二甲醚热泵—太阳能集热器互补供能装置：中国，ZL 2013 2 0660447.2[P]．2014-04-09．
[4]项凌，杨爱萍，刘凤国．天然气价格对节能设备投资回收期的影响[J]．煤气与热力，2011，31(8)：A22-A25．
本文作者：王巨鹏 李宏锁 蒲诚
作者单位：天津市大港油田公司第五采油厂自动化计量队
天津市迅尔仪表科技有限公司
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