天然气热泵供热过程的经济性分析

摘 要

摘要：为了给天然气供热用户选择供热方案时提供技术经济的依据，需要对天然气供热方案进行经济性分析。为此，在建立天然气热泵供热过程经济分析模型的基础上，采用对天然气热泵供热
摘要：为了给天然气供热用户选择供热方案时提供技术经济的依据，需要对天然气供热方案进行经济性分析。为此，在建立天然气热泵供热过程经济分析模型的基础上，采用对天然气热泵供热过程进行模拟计算的方法，得出了其供热过程的年费用和主要参数的影响规律，并与天然气锅炉、电动热泵等供热过程进行了经济比较。结果表明：①天然气热泵供热效率为天然气锅炉热效率的1.6倍，天然气价格为2.6元/m3时，天然气热泵供热总费用仅为天然气锅炉供热总费用的83%；天然气价格越高，天然气热泵的经济效益越显著；②在供热量和其他参数相同的前提下，天然气价格为2.2元/m3时天然气热泵供热总费用与电价为0.6元/kWh时的电动热泵供热总费用相当。
关键词：天然气；供热；天然气热泵；天然气锅炉；电动热泵；过程优化；经济性分析；节能技术
    天然气供热的热源装置有多种，如：①天然气锅炉供热可用于城市热源调峰；②天然气壁挂炉供热适用于单户采暖；③冷热电联供适于电负荷、热负荷、冷负荷均较大的用户；④天然气直燃式溴化锂制冷机适用于供冷负荷大、供热负荷较小的地区；⑤天然气热泵可用于制冷、制热及供应生活热水。天然气热泵在民用建筑中应用的可行性和用于制冷的技术经济性已有研究[1～2]。笔者以天然气热泵供热为研究对象，采用模拟法计算出其运行参数与费用，并与相关供热方式进行经济性比较，以期为天然气用户选择供热方案时提供技术经济依据。
1 天然气热泵供热工艺
1.1 天然气热泵供热流程及供热要求
    天然气热泵供热的流程见图1，主要设备有天然气发动机、压缩机、冷凝器、蒸发器、蒸发热源设备以及利用发动机冷却水的发动机余热换热器等。供热回来的热媒分别经热泵冷凝器和发动机余热换热器换热升温并汇合后供给热用户。天然气在发动机中燃烧后经绝热膨胀做功和经发动机冷却水冷却后，烟气温度已不太高，但可用作蒸发器冬天除霜用，本文未考虑烟气余热的回收。
 

    本文计算示佣的采暖建筑面积为10000m2，采暖热媒温度为50℃，采暖热指标为50W/m2，年采暖时间为2880h。
1.2 天然气热泵工艺参数及经济参数
    天然气热泵工质为R22，天然气高热值为36000kJ/m3，天然气发动机效率为30%(一般为30%～35%)，由发动机余热换热器回收天然气发动机余热回收率取30%，压缩机效率以80%计，冷凝器换热效率为80%，蒸发器热源水温度为10℃。
    热泵装置初投资约为100万元，热泵设备折旧年限按10年计，设备维修和管理费用为折旧费的40%。
2 天然气热泵供热费用计算
2.1 计算模型
    影响天然气热泵供热费用的因素主要包括建筑供热面积、热媒要求的温度、热源条件、热泵性能和燃料价格等。为了计算产品的费用，需要根据热力学原理和经济学原理，建立生产函数与费用函数之间的关系式[3～4]。天然气热泵装置供热的总费用为燃料费用和非燃料费用之和，即：Z=Zr+Zfr。
2.1.1燃料费用计算过程
    1) 采暖热负荷：Qh=qhAh/1000
    2) 压缩机出口工质冷凝温度：T1=Tr+3
3) 压缩机出口工质冷凝压力：
 
    4) 蒸发器出口工质蒸发温度：T4=Ty-3
5) 压缩机进口工质蒸发压力：
 
6) 热泵性能系数：
 
7) 天然气发动机带动压缩机所需天然气量：
 
    8) 一个采暖季工质加压用的天然气发动机所需燃料费用：Zr=QgCg
2.1.2非燃料费用计算
    热泵运行过程的非燃料费用主要包括设备折旧费用、大修费用、管理费用等。热泵装置初投资、热泵设备折旧年限及设备维修和管理费用如前所述。由于天然气热泵具有制热、制冷和供应生活热水的功能，制热的折旧费用应取其半。
    非燃料费用计算式为：Zfr=0.5Cch(1+Kg)/n
2.2 天然气热泵供热费用的模拟计算
    根据上述条件和建立的模型，模拟计算结果如下。
2.2.1运行参数
    冷凝温度为53℃；蒸发温度为7℃；冷凝压力为2.021MPa；蒸发压力为0.607MPa；供热能力500kW，制热用天然气功率为355.65kW。
2.2.2运行费用
    在上述供热参数、热泵工艺参数、热泵经济参数的条件下，基本条件为：采暖指标50W/m2，热水源温度10℃，当天然气价格取2.5元/m3时，一个采暖季天然气消耗为102417m3，燃料费用为256041元，非燃料费用为70000元，一个采暖季总费用为326041元，折算为1m2建筑面积采暖费用为32.60元。
2.2.3条件变化对运行费用的影响
    基本条件中，只有采暖热指标变化对天然气热泵供热费用的影响见表1；只有热源水温度变化对费用的影响见表2；只有天然气价格变化对费用的影响见表3。由表可知，天然气热泵供热费以燃料费用为主，降低采暖费用的主要措施是提高燃料的利用效率。
 

3 与其他供热方式的费用比较
3.1 天然气热泵与天然气锅炉供热的比较
    设天然气锅炉热效率为85%，初投资约为40万元。设备折旧费用按设备费的10年平均折旧计算，维修与管理费用按设备折旧费的20%计。天然气锅炉的效率比天然气热泵的供热效率低，而且只有供热的功能。在供热量相同和天然气价格不同时，只用于供热的天然气热泵与天然气锅炉供热费用的比较见表4。由表4可以看出，天然气锅炉供热的总费用比天然气热泵单供热的费用高，天然气价格越高，二者之差越大，说明天然气热泵的效益更显著。
 

3.2 天然气热泵与电动热泵供热的比较
    电动热泵与天然气热泵均能用于夏天制冷、冬天制热。但天然气热泵能利用一部分发动机的余热，实际上天然气热泵供热量比电动热泵少，冷凝器和蒸发器的换热面积少，二者的设备费用相差不大。因此，天然气热泵与电动热泵供热费用的比较主要取决于天然气和电的相对价格。在供热量相同的前提下，电价为0.6元/kWh时的电动热泵供热费用与不同天然气价格时天然气热泵供热费用的比较见表4。由表可知，天然气价格为2.2元/m3时，天然气热泵的供热费用与电价为0.6/kWh时的电动热泵供热费用相当；如果天然气热泵只在冬天用于供热，夏天不用于制冷，由于设备费用不分摊，只供热时的非燃料费用增加，则供热总费用增加。
4 结论
    1) 天然气热泵供热是能量梯级利用的一种方式，由天然气热泵的运行参数可知，供热能力为500kW时，天然气耗能仅为355.65kW，其能量利用效率为140%，而天然气锅炉热效率为85%。前者供热总费用比后者低，天然气价格越高，天然气热泵的经济效益越显著。由于冬季供热量随室外温度波动的影响大，需要有较大的储气能力，采用天然气热泵供热可减少天然气用量，相对减少了储气设施的投资，也减少了二氧化碳的排放量，有利于节能减排，是采用天然气供热的最佳选择之一。
    2) 在供热量和其他参数相同的前提下，天然气价格为2.2元/m3时天然气热泵供热总费用与电价为0.6元/kWh时的电动热泵供热总费用相当。一个采暖季节中，热负荷的波动大，由于天然气的储存比电能的储存容易，天然气热泵供热比天然气发电后用电动热泵供热更为合适。
符号说明
    Z为天然气热泵供热费用，元/a；Zr为燃料费用，元/a；Zfr为非燃料费用，元/a；Qh为采暖热负荷，kW；qh为采暖热指标，W/m2；Ah为建筑供热面积，m2；T1为压缩机出口工质温度，K；Tr为供热水温度，K；p1为压缩机出口压力，kPa；p0为0℃工质饱和蒸汽压力，kPa；qR22为工质R22的蒸发或冷凝潜热，kJ/kg；M为工质R22的摩尔质量，kg/kmol；R为通用气体常数，为8.314kJ/(kmol·K)；T0为标准大气温度，273K；T4为蒸发器出口工质温度，K；Ty为热泵热源水温度，K；p4为压缩机进口压力，kPa；COP为热泵制热性能系数；ηb为压缩机效率；ηc为冷凝器效率；k为等熵指数；Qg为年制热所需天然气量，m3/a；τ为年采暖时间，h/a；ηa为发动机效率；ηr为发动机余热回收效率；Hg为天然气热值，按36000kJ/m3计；Cg为天然气价格，元/m3；Cch为天然气热泵设备初投资，元；Kg为设备维修、管理等费用与设备折旧费用之比；押为设备折旧年限，a。
参考文献
[1] 傅允准，张旭，许旺发.天然气热泵空调在上海住宅应用的可行性[J].天然气工业，2005，25(11)：115-118.
[2] 罗东晓，陈耀东.天然气热泵用于制冷的技术经济分析[J].天然气工业，2007，27(2)：128-130.
[3] 王加璇，张恒良.动力工程热经济学[M].北京：水利电力出版社，1995.
[4] 王伟，邓蓉，张志强.资源经济学[M].北京：中国农业出版社，2007.
 
(本文作者：项凌1 汪波1 刘凤国2 1.天津大学管理学院；2.天津城市建设学院能源与机械工程系)