摘 要

二甲醚熱泵與太陽能互補供能的經(jīng)濟性分析:提出二甲醚熱泵與太陽能互補供能的工藝和經(jīng)濟性分析方法，在太陽能集熱器供熱比例不同時，進行特定條件下的經(jīng)濟性計算，提出了太陽能集熱器供熱比例為 0 ． 4 ～ 0 ． 6 時，經(jīng)濟性及供熱效果最優(yōu)。

 摘　要：提出二甲醚熱泵與太陽能互補供能的工藝和經(jīng)濟性分析方法，在太陽能集熱器供熱比例不同時，進行特定條件下的經(jīng)濟性計算，提出了太陽能集熱器供熱比例為0．4～0．6時，經(jīng)濟性及供熱效果最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：二甲醚熱泵；  太陽能熱利用；  集熱器；  經(jīng)濟性分析

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

由于煤炭是固體燃料，其組成復雜，直接燃燒利用對環(huán)境的污染較大，因此煤炭的高效清潔利用是當前的重要研究方向。二甲醚是由煤炭氣化制成合成氣，合成甲醇后脫水生成，我國已經(jīng)制定GB 25035—2010《城鎮(zhèn)燃氣用二甲醚》標準。二甲醚的十六烷值與柴油相當，發(fā)動機燃燒過程噪聲低，氮氧化物排放量少，是柴油發(fā)動機的理想替代燃料。二甲醚發(fā)動機不僅能驅(qū)動交通工具，也可以驅(qū)動熱泵用壓縮機。

利用二甲醚驅(qū)動工質(zhì)壓縮機是一種高效的技術(shù)。我國廣大地區(qū)有較豐富的太陽能資源，太陽能集熱器的利用已經(jīng)比較普遍[1-2]。二甲醚熱泵與太陽能集熱器供熱各有優(yōu)缺點，二甲醚是二次能源，其燃料成本相對較高；太陽能集熱系統(tǒng)晝夜和四季可接受的能量波動大，造價也較高。如果將二甲醚熱泵與太陽能結(jié)合進行互補供能，既可降低供熱的燃料成本，又可提高供熱的可靠性。

2　二甲醚熱泵與太陽能互補供能的工藝

二甲醚熱泵與太陽能互補供能的工藝流程見圖1[3]。二甲醚儲罐l中的二甲醚氣化后經(jīng)二甲醚發(fā)動機2將二甲醚的燃燒熱轉(zhuǎn)化為機械能，進而驅(qū)動工質(zhì)壓縮機3，將低壓氣態(tài)工質(zhì)絕熱壓縮為高壓氣態(tài)工質(zhì)，高壓氣態(tài)工質(zhì)進入工質(zhì)冷凝換熱器5中被熱媒或熱匯介質(zhì)冷凝為液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥6絕熱膨脹后進入工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7中，靠吸收熱源介質(zhì)或冷媒的熱量而氣化為氣態(tài)工質(zhì)，再進入工質(zhì)壓縮機3，循環(huán)進行。太陽能集熱器10提供的熱水與熱泵的熱水共同進入熱水儲罐9后外供。利用二甲醚補熱器8和發(fā)動機冷卻水換熱器4可回收一部分余熱，并可彌補高峰負荷。

 

二甲醚熱泵與太陽能互補供能的功能如下。

①冬季制熱

利用二甲醚熱泵的工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量將供暖回水加熱后，與太陽能集熱器10的熱水、發(fā)動機冷卻水換熱器4的熱水、二甲醚補熱器8的熱水共同進入熱水儲罐9，作為供暖供水。工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7所需的蒸發(fā)熱則由熱源介質(zhì)提供。

②夏季制冷

利用二甲醚熱泵的工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7吸收熱量使空調(diào)用冷媒降溫，直接供建筑物空調(diào)用。工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量可帶進熱水儲罐9用于制備生活熱水，或由熱匯介質(zhì)帶走。

③制備生活熱水

夏季可以利用制冷過程工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量，經(jīng)熱水儲罐9中的換熱盤管將自來水加熱供應生活熱水；冬季供暖負荷大時，可啟動二甲醚補熱器8補充提供部分熱水；非供暖和非空調(diào)季節(jié)，如太陽能集熱器l0的熱水不夠用，可啟動二甲醚熱泵進行低負荷運行或啟動二甲醚補熱器8供應生活熱水。

3　二甲醚熱泵與太陽能互補供能費用

①燃料費用

以R22為工質(zhì)的二甲醚熱泵與太陽能互補供能的參數(shù)為：制冷時冷媒溫度5～7℃，供熱時熱媒溫度45～55℃，生活熱水溫度40～50℃。因太陽能部分無燃料費用，只計算二甲醚熱泵與太陽能互補供能中二甲醚熱泵的燃料費用。

a．供熱負荷的計算

Fh＝Sqh/1000　　　　　　(1)

式中Fh——供熱負荷，kW

S——建筑供熱面積，m2

qh——熱負荷指標，W／m2

b．壓縮機出口、進口工質(zhì)絕對壓力的計算

 

式中p1——壓縮機出口工質(zhì)絕對壓力，Mpa

p0——標準大氣壓絕對壓力，Mpa

r——工質(zhì)的蒸發(fā)熱，kJ／kg，取206kJ／kg

Mr——工質(zhì)相對分子質(zhì)量，取86.5

R——摩爾氣體常數(shù)，kJ／(kmol·K)，取8.314kJ／(kmol·K)

T1——壓縮機出口工質(zhì)溫度，K

T0——標準狀態(tài)溫度，K，取273.15K

p4——壓縮機進口工質(zhì)絕對壓力，Mpa

T4——壓縮機進口工質(zhì)溫度，K

c．熱泵供熱性能系數(shù)的計算[4]

 

式中Icop——二甲醚熱泵供熱性能系數(shù)

h2——壓縮機效率，取80％

h3——冷凝換熱器效率，取80％

k——工質(zhì)等熵指數(shù)，取1.194

d．二甲醚功率計算

燃料費用主要取決于滿足一定供熱負荷時工質(zhì)壓縮所需的機械功，二甲醚熱泵制熱過程需消耗二甲醚功率計算式為：

 

式中Pg——二甲醚熱泵制熱需二甲醚的功率，kW

Fsun——太陽能集熱器的供熱負荷，kW

h1——二甲醚發(fā)動機效率，取30％

h4——發(fā)動機余熱利用率，取30％

qsun——太陽能集熱器供熱能力，kW／m2

Ssun——太陽能集熱器面積，m2

c．二甲醚燃料費用的計算

Zr＝3.6PgthCDME  　　  (7)

式中Zr——二甲醚燃料費用，元／供暖期

th——年供暖期的時間，h，取2800h

CDME——二甲醚的價格，元/MJ

②非燃料費用

非燃料費用主要包括二甲醚熱泵和太陽能集熱器等設備折舊費用、大修費用、管理費用，為了計算設備折舊費用，首先要計算每個設備的造價。二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)設備造價與規(guī)模有關(guān)，太陽能集熱器供熱系統(tǒng)設備的造價主要取決于集熱器的面積。

Z1＝A+BPg 　　 　　　(8)

式中Z1——二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)設備造價，元

A——二甲醚熱泵的基本造價，取18×104元

B——系數(shù)，取0.16×104元／kW

Z2＝CsunSsun 　　　   (9)

式中Z2——太陽能集熱器供熱系統(tǒng)設備造價，元

Csun——太陽能集熱器的價格，元/m2

設備折舊費用采用設備造價按折舊年限均攤計算，大修費用和管理費用取設備折舊費用的0.4倍，冬季制熱與夏天制冷的造價各占總造價的50％，非燃料費用的計算式為：

Zfr＝[1.4(0.5Z1+Z2)]/n　　　(10)

式中Zfr——非燃料費用，形供暖期

n——設備折舊年限，a，取15a

③二甲醚熱泵與太陽能互補供熱總費用

Zsum＝Zr+Zfr 　　　　　　   (11)

式中Zsum——供熱總費用，元／供暖期

4　經(jīng)濟性模擬分析

4.1　初始條件

①供熱要求：建筑供熱面積為1×104m2，熱負荷指標為50W／m2，供水溫度為50℃，年供暖時間2800h。

②二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)：熱源溫度為10℃，冷凝換熱器和蒸發(fā)換熱器的傳熱溫差為3℃。

③太陽能集熱器供熱系統(tǒng)：熱水溫度50℃，太陽能集熱器的供熱能力可按0.6kW／m2計[2]。

4.2　計算結(jié)果分析

影響二甲醚熱泵與太陽能供能的經(jīng)濟性參數(shù)中，二甲醚價格和太陽能集熱器價格影響較大。二甲醚熱泵系統(tǒng)供熱比例大，則燃料費用高；太陽能集熱器系統(tǒng)供熱比例大，則總造價高。選擇太陽能集熱器供熱與二甲醚熱泵供熱比為主要變量，計算供熱成本。計算工況1：太陽能集熱器價格取2000元／m2，二甲醚價格取0.208元／MJ(見表l)；計算工況2：太陽能集熱器價格取3000元／m2，二甲醚價格取0.139元／MJ(見表2)。二甲醚供熱性能系數(shù)為3.69。

 

 

由表l、2可以看出，二甲醚的價格越高，太陽能集熱器供熱比例對于供暖期費用的影響越大，有利于推廣利用太陽能集熱器供熱，太陽能供熱系統(tǒng)設備的投資回收期越短，這一觀點與文獻[4]的觀點一致。還可以看出，太陽能集熱器供熱比例越大，燃料費用越低。但由于太陽能集熱器造價高，集熱器的安裝需要具備一定的條件，并且太陽能輻射強度的四季差別和晝夜差別很大，太陽能集熱器供熱系統(tǒng)的可靠性低。綜合考慮以上各種因素，太陽能集熱器供熱比例為0.4～0.6時經(jīng)濟性及供熱效果最優(yōu)。

5　結(jié)語

綜合考慮供熱的價格和供熱的可靠性，太陽能集熱器供熱比例可取0.4～0.6。鑒于各地的太陽能資源分布不同，供熱的要求也有區(qū)別，二甲醚的價格和太陽能集熱器的價格也會有波動，建議在既有二甲醚供應又有供熱需求的地區(qū)進行示范研究，以便取得更為符合實際的工程技術(shù)參數(shù)，進而推廣應用。

 

參考文獻：

[1]楊洪興，周偉．太陽能建筑一體化技術(shù)與應用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：299-333．

[2]王崇杰，薛一冰．太陽能建筑設計[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：92-96．

[3]天津市迅爾自控設備制造有限公司．二甲醚熱泵—太陽能集熱器互補供能裝置：中國，ZL 2013 2 0660447.2[P]．2014-04-09．

[4]項凌，楊愛萍，劉鳳國．天然氣價格對節(jié)能設備投資回收期的影響[J]．煤氣與熱力，2011，31(8)：A22-A25．

 

 

 

本文作者：王巨鵬  李宏鎖  蒲誠

作者單位：天津市大港油田公司第五采油廠自動化計量隊

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