天然氣熱泵供熱過程的經(jīng)濟(jì)性分析

摘 要

摘要：為了給天然氣供熱用戶選擇供熱方案時(shí)提供技術(shù)經(jīng)濟(jì)的依據(jù)，需要對(duì)天然氣供熱方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。為此，在建立天然氣熱泵供熱過程經(jīng)濟(jì)分析模型的基礎(chǔ)上，采用對(duì)天然氣熱泵供熱
摘要：為了給天然氣供熱用戶選擇供熱方案時(shí)提供技術(shù)經(jīng)濟(jì)的依據(jù)，需要對(duì)天然氣供熱方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。為此，在建立天然氣熱泵供熱過程經(jīng)濟(jì)分析模型的基礎(chǔ)上，采用對(duì)天然氣熱泵供熱過程進(jìn)行模擬計(jì)算的方法，得出了其供熱過程的年費(fèi)用和主要參數(shù)的影響規(guī)律，并與天然氣鍋爐、電動(dòng)熱泵等供熱過程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較。結(jié)果表明：①天然氣熱泵供熱效率為天然氣鍋爐熱效率的1.6倍，天然氣價(jià)格為2.6元/m3時(shí)，天然氣熱泵供熱總費(fèi)用僅為天然氣鍋爐供熱總費(fèi)用的83%；天然氣價(jià)格越高，天然氣熱泵的經(jīng)濟(jì)效益越顯著；②在供熱量和其他參數(shù)相同的前提下，天然氣價(jià)格為2.2元/m3時(shí)天然氣熱泵供熱總費(fèi)用與電價(jià)為0.6元/kWh時(shí)的電動(dòng)熱泵供熱總費(fèi)用相當(dāng)。
關(guān)鍵詞：天然氣；供熱；天然氣熱泵；天然氣鍋爐；電動(dòng)熱泵；過程優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)性分析；節(jié)能技術(shù)
    天然氣供熱的熱源裝置有多種，如：①天然氣鍋爐供熱可用于城市熱源調(diào)峰；②天然氣壁掛爐供熱適用于單戶采暖；③冷熱電聯(lián)供適于電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷均較大的用戶；④天然氣直燃式溴化鋰制冷機(jī)適用于供冷負(fù)荷大、供熱負(fù)荷較小的地區(qū)；⑤天然氣熱泵可用于制冷、制熱及供應(yīng)生活熱水。天然氣熱泵在民用建筑中應(yīng)用的可行性和用于制冷的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已有研究[1～2]。筆者以天然氣熱泵供熱為研究對(duì)象，采用模擬法計(jì)算出其運(yùn)行參數(shù)與費(fèi)用，并與相關(guān)供熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，以期為天然氣用戶選擇供熱方案時(shí)提供技術(shù)經(jīng)濟(jì)依據(jù)。
1 天然氣熱泵供熱工藝
1.1 天然氣熱泵供熱流程及供熱要求
    天然氣熱泵供熱的流程見圖1，主要設(shè)備有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)熱源設(shè)備以及利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱換熱器等。供熱回來的熱媒分別經(jīng)熱泵冷凝器和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱換熱器換熱升溫并匯合后供給熱用戶。天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒后經(jīng)絕熱膨脹做功和經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水冷卻后，煙氣溫度已不太高，但可用作蒸發(fā)器冬天除霜用，本文未考慮煙氣余熱的回收。
 

    本文計(jì)算示傭的采暖建筑面積為10000m2，采暖熱媒溫度為50℃，采暖熱指標(biāo)為50W/m2，年采暖時(shí)間為2880h。
1.2 天然氣熱泵工藝參數(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)
    天然氣熱泵工質(zhì)為R22，天然氣高熱值為36000kJ/m3，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)效率為30%(一般為30%～35%)，由發(fā)動(dòng)機(jī)余熱換熱器回收天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收率取30%，壓縮機(jī)效率以80%計(jì)，冷凝器換熱效率為80%，蒸發(fā)器熱源水溫度為10℃。
    熱泵裝置初投資約為100萬元，熱泵設(shè)備折舊年限按10年計(jì)，設(shè)備維修和管理費(fèi)用為折舊費(fèi)的40%。
2 天然氣熱泵供熱費(fèi)用計(jì)算
2.1 計(jì)算模型
    影響天然氣熱泵供熱費(fèi)用的因素主要包括建筑供熱面積、熱媒要求的溫度、熱源條件、熱泵性能和燃料價(jià)格等。為了計(jì)算產(chǎn)品的費(fèi)用，需要根據(jù)熱力學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，建立生產(chǎn)函數(shù)與費(fèi)用函數(shù)之間的關(guān)系式[3～4]。天然氣熱泵裝置供熱的總費(fèi)用為燃料費(fèi)用和非燃料費(fèi)用之和，即：Z=Zr+Zfr。
2.1.1燃料費(fèi)用計(jì)算過程
    1) 采暖熱負(fù)荷：Qh=qhAh/1000
    2) 壓縮機(jī)出口工質(zhì)冷凝溫度：T1=Tr+3
3) 壓縮機(jī)出口工質(zhì)冷凝壓力：
 
    4) 蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸發(fā)溫度：T4=Ty-3
5) 壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)蒸發(fā)壓力：
 
6) 熱泵性能系數(shù)：
 
7) 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)所需天然氣量：
 
    8) 一個(gè)采暖季工質(zhì)加壓用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃料費(fèi)用：Zr=QgCg
2.1.2非燃料費(fèi)用計(jì)算
    熱泵運(yùn)行過程的非燃料費(fèi)用主要包括設(shè)備折舊費(fèi)用、大修費(fèi)用、管理費(fèi)用等。熱泵裝置初投資、熱泵設(shè)備折舊年限及設(shè)備維修和管理費(fèi)用如前所述。由于天然氣熱泵具有制熱、制冷和供應(yīng)生活熱水的功能，制熱的折舊費(fèi)用應(yīng)取其半。
    非燃料費(fèi)用計(jì)算式為：Zfr=0.5Cch(1+Kg)/n
2.2 天然氣熱泵供熱費(fèi)用的模擬計(jì)算
    根據(jù)上述條件和建立的模型，模擬計(jì)算結(jié)果如下。
2.2.1運(yùn)行參數(shù)
    冷凝溫度為53℃；蒸發(fā)溫度為7℃；冷凝壓力為2.021MPa；蒸發(fā)壓力為0.607MPa；供熱能力500kW，制熱用天然氣功率為355.65kW。
2.2.2運(yùn)行費(fèi)用
    在上述供熱參數(shù)、熱泵工藝參數(shù)、熱泵經(jīng)濟(jì)參數(shù)的條件下，基本條件為：采暖指標(biāo)50W/m2，熱水源溫度10℃，當(dāng)天然氣價(jià)格取2.5元/m3時(shí)，一個(gè)采暖季天然氣消耗為102417m3，燃料費(fèi)用為256041元，非燃料費(fèi)用為70000元，一個(gè)采暖季總費(fèi)用為326041元，折算為1m2建筑面積采暖費(fèi)用為32.60元。
2.2.3條件變化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響
    基本條件中，只有采暖熱指標(biāo)變化對(duì)天然氣熱泵供熱費(fèi)用的影響見表1；只有熱源水溫度變化對(duì)費(fèi)用的影響見表2；只有天然氣價(jià)格變化對(duì)費(fèi)用的影響見表3。由表可知，天然氣熱泵供熱費(fèi)以燃料費(fèi)用為主，降低采暖費(fèi)用的主要措施是提高燃料的利用效率。
 

3 與其他供熱方式的費(fèi)用比較
3.1 天然氣熱泵與天然氣鍋爐供熱的比較
    設(shè)天然氣鍋爐熱效率為85%，初投資約為40萬元。設(shè)備折舊費(fèi)用按設(shè)備費(fèi)的10年平均折舊計(jì)算，維修與管理費(fèi)用按設(shè)備折舊費(fèi)的20%計(jì)。天然氣鍋爐的效率比天然氣熱泵的供熱效率低，而且只有供熱的功能。在供熱量相同和天然氣價(jià)格不同時(shí)，只用于供熱的天然氣熱泵與天然氣鍋爐供熱費(fèi)用的比較見表4。由表4可以看出，天然氣鍋爐供熱的總費(fèi)用比天然氣熱泵單供熱的費(fèi)用高，天然氣價(jià)格越高，二者之差越大，說明天然氣熱泵的效益更顯著。
 

3.2 天然氣熱泵與電動(dòng)熱泵供熱的比較
    電動(dòng)熱泵與天然氣熱泵均能用于夏天制冷、冬天制熱。但天然氣熱泵能利用一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，實(shí)際上天然氣熱泵供熱量比電動(dòng)熱泵少，冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積少，二者的設(shè)備費(fèi)用相差不大。因此，天然氣熱泵與電動(dòng)熱泵供熱費(fèi)用的比較主要取決于天然氣和電的相對(duì)價(jià)格。在供熱量相同的前提下，電價(jià)為0.6元/kWh時(shí)的電動(dòng)熱泵供熱費(fèi)用與不同天然氣價(jià)格時(shí)天然氣熱泵供熱費(fèi)用的比較見表4。由表可知，天然氣價(jià)格為2.2元/m3時(shí)，天然氣熱泵的供熱費(fèi)用與電價(jià)為0.6/kWh時(shí)的電動(dòng)熱泵供熱費(fèi)用相當(dāng)；如果天然氣熱泵只在冬天用于供熱，夏天不用于制冷，由于設(shè)備費(fèi)用不分?jǐn)?，只供熱時(shí)的非燃料費(fèi)用增加，則供熱總費(fèi)用增加。
4 結(jié)論
    1) 天然氣熱泵供熱是能量梯級(jí)利用的一種方式，由天然氣熱泵的運(yùn)行參數(shù)可知，供熱能力為500kW時(shí)，天然氣耗能僅為355.65kW，其能量利用效率為140%，而天然氣鍋爐熱效率為85%。前者供熱總費(fèi)用比后者低，天然氣價(jià)格越高，天然氣熱泵的經(jīng)濟(jì)效益越顯著。由于冬季供熱量隨室外溫度波動(dòng)的影響大，需要有較大的儲(chǔ)氣能力，采用天然氣熱泵供熱可減少天然氣用量，相對(duì)減少了儲(chǔ)氣設(shè)施的投資，也減少了二氧化碳的排放量，有利于節(jié)能減排，是采用天然氣供熱的最佳選擇之一。
    2) 在供熱量和其他參數(shù)相同的前提下，天然氣價(jià)格為2.2元/m3時(shí)天然氣熱泵供熱總費(fèi)用與電價(jià)為0.6元/kWh時(shí)的電動(dòng)熱泵供熱總費(fèi)用相當(dāng)。一個(gè)采暖季節(jié)中，熱負(fù)荷的波動(dòng)大，由于天然氣的儲(chǔ)存比電能的儲(chǔ)存容易，天然氣熱泵供熱比天然氣發(fā)電后用電動(dòng)熱泵供熱更為合適。
符號(hào)說明
    Z為天然氣熱泵供熱費(fèi)用，元/a；Zr為燃料費(fèi)用，元/a；Zfr為非燃料費(fèi)用，元/a；Qh為采暖熱負(fù)荷，kW；qh為采暖熱指標(biāo)，W/m2；Ah為建筑供熱面積，m2；T1為壓縮機(jī)出口工質(zhì)溫度，K；Tr為供熱水溫度，K；p1為壓縮機(jī)出口壓力，kPa；p0為0℃工質(zhì)飽和蒸汽壓力，kPa；qR22為工質(zhì)R22的蒸發(fā)或冷凝潛熱，kJ/kg；M為工質(zhì)R22的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；R為通用氣體常數(shù)，為8.314kJ/(kmol·K)；T0為標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度，273K；T4為蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度，K；Ty為熱泵熱源水溫度，K；p4為壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，kPa；COP為熱泵制熱性能系數(shù)；ηb為壓縮機(jī)效率；ηc為冷凝器效率；k為等熵指數(shù)；Qg為年制熱所需天然氣量，m3/a；τ為年采暖時(shí)間，h/a；ηa為發(fā)動(dòng)機(jī)效率；ηr為發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收效率；Hg為天然氣熱值，按36000kJ/m3計(jì)；Cg為天然氣價(jià)格，元/m3；Cch為天然氣熱泵設(shè)備初投資，元；Kg為設(shè)備維修、管理等費(fèi)用與設(shè)備折舊費(fèi)用之比；押為設(shè)備折舊年限，a。
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(本文作者：項(xiàng)凌1 汪波1 劉鳳國(guó)2 1.天津大學(xué)管理學(xué)院；2.天津城市建設(shè)學(xué)院能源與機(jī)械工程系)