燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用

文 _ 尚百師 張俊巧 康海鷗 北京縱橫熱力集團

燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用

文 _ 尚百師 張俊巧 康海鷗 北京縱橫熱力集團

我國建筑采暖和生活熱水的能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計，1996～2008年我國北方城鎮(zhèn)采暖能耗從7200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到15300萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑總能耗的23%；2008年我國城鎮(zhèn)住宅生活熱水總能耗為2810 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占住宅總能耗的23.4%。隨著我國城市的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，必然帶來用能設(shè)備數(shù)量和服務(wù)水平需求的增長，如果保持現(xiàn)有的采暖和生活熱水模式，其能耗還將會大幅度提升。

《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》中規(guī)定：全面整治燃煤小鍋爐加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè)，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。

2014年8月，國家發(fā)展改革委發(fā)出通知，調(diào)整非居民用存量天然氣價格，決定自9月1日起非居民用存量天然氣價格每立方米提高0.4元。可以推測，隨著能源需求的增長和國家對節(jié)能減排的更高要求，今后天然氣用量及價格仍將快速增長。因此，北京市供暖企業(yè)和天然氣主要用戶，必須改變觀念，以科技創(chuàng)新為生產(chǎn)力，加快新產(chǎn)品新技術(shù)的引進與推廣，大力發(fā)展可再生能源的利用，降低運營成本，控制天然氣消耗量，保護能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 燃氣氨水吸收式熱泵介紹

1.1 系統(tǒng)原理

圖1 過渡季風(fēng)冷吸收式熱泵與燃氣鍋爐能源利用率比較

我國北方夏熱冬冷地區(qū)，特別是以北京為代表的東部城市，冬季供暖已逐步改為以清潔能源天然氣為主。燃氣鍋爐能源利用率基本在90%左右，而本文介紹一種以天然氣為驅(qū)動熱源，利用空氣能，用于非嚴寒地區(qū)供熱的燃氣氨水吸收式空氣源熱泵，其冬季能源利用率可以達到130%～150%。對于目前使用最廣泛的LiBr/H20工質(zhì)對，由于制冷劑H20冰點的限制，其蒸發(fā)溫度不能低于0℃ , 即采用該工質(zhì)對的空氣源吸收式熱泵不能用于溫度低于5℃ 的環(huán)境。為了使空氣源吸收式熱泵在北方采暖地區(qū)有應(yīng)用的價值，可以采用H20/NH3作為工質(zhì)對，制冷劑NH3凝固點為-77℃, 故氨水空氣源吸收式熱泵可以在很低的環(huán)境溫度下運行。

純氨標(biāo)準(zhǔn)大氣壓沸點為-33.4℃，可以吸收冬季室外空氣能。燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵以天然氣作為燃料輸入能量，以氨水作為工質(zhì)對，氨作為制冷劑。氨水濃溶液在發(fā)生器內(nèi)被燃燒機加熱，蒸發(fā)出高溫高壓氨氣，進入冷凝器冷卻為低溫高壓氨液，經(jīng)節(jié)流為濕蒸汽后在風(fēng)冷蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，吸收空氣中熱能，變?yōu)榘币涸谖掌鲀?nèi)被氨水稀溶液吸收為濃溶液進入發(fā)生器，此過程無限循環(huán)。供暖系統(tǒng)供水從吸收器吸收溶解熱，從冷凝器吸收高溫高壓氨氣熱能，將天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量和從空氣中吸收的熱量帶到用戶系統(tǒng)。

從圖1可看出，當(dāng)過渡季室外空氣溫度較高時，燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵效率可以達到1.8，遠高于普通燃氣鍋爐0.85～0.95的熱效率，隨著室外溫度的降低，吸收式機組的效率隨之降低，逐漸接近普通燃氣鍋爐效率。整個供暖季內(nèi)，平均運行效率在1.3～1.5之間，即使與0.95效率的普通燃氣鍋爐相比，節(jié)能率仍可以達到26%～47%。

1.2 測試數(shù)據(jù)及分析

隨蒸發(fā)溫度的降低，系統(tǒng)COP 下降緩慢，換熱器面積隨蒸發(fā)溫度的下降也即蒸發(fā)器溫差的增大而顯著減小，且蒸發(fā)器的面積占據(jù)著主導(dǎo)地位，因此機組設(shè)計時，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)器面積，而不應(yīng)一味的追求提高COP值。

當(dāng)環(huán)境溫度較低時，燃氣氨水吸收式熱泵機組的COP值降低, 宜選取15℃為切換溫度, 當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃ 時，切換到燃氣鍋爐模式供熱。而電驅(qū)動熱泵隨環(huán)境溫度降低，COP值降低較快，一般宜在10℃時切換到電制熱模式供熱。圖2為鍋爐、電熱泵、燃氣氨水熱泵在不同地區(qū)供暖的比較。

從圖2可以看出，由于嚴寒地區(qū)采暖期很長時間氣溫低于電熱泵的切換溫度（10℃） , 所以，電熱泵的運行時間比吸收式熱泵短, 因而節(jié)能效果不如吸收式熱泵顯著。夏熱冬冷地區(qū)由于氣溫升高，這種差別有所減小。而夏熱冬暖地區(qū)由于氣溫較高，電熱泵運行時間較長，因而其節(jié)能效果超過了吸收式熱泵。故越往北方, 氨水吸收式熱泵采暖系統(tǒng)比電熱泵更有優(yōu)勢；越往南方，電熱泵由于其COP較高而體現(xiàn)出更高的節(jié)能率。

1.3 技術(shù)特點

燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵具有以下特點：

（1）采用清潔能源天然氣作為驅(qū)動能源，運行費用更低。

（2）機組熱效率高，是傳統(tǒng)燃氣鍋爐的1.3～1.5倍，大大降低了天然氣的消耗量，能有效緩解“煤改氣”中的燃氣不足問題。

（3）機組使用范圍廣泛，可在環(huán)境溫度-20～43℃內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，水溫可從5～55℃寬工況范圍內(nèi)有效運轉(zhuǎn)，最高出水溫度可達65℃。

（4）天然工質(zhì)R717，對生態(tài)無破壞作用（ODP=GWP=0）。

2 案例分析

2.1 工程概況

某小區(qū)共計12棟樓，其中1#、2#、6#、9#、10#、11#樓單樓建筑面積為7999㎡，3#、4#、5#、12#樓單樓建筑面積為13900㎡，7#、8#樓單樓建筑面積為6239㎡，共計建筑面積為11.6萬㎡，采暖熱總負荷為3712kW/㎡(設(shè)計院設(shè)計負荷32W/㎡)，采暖型式為地板采暖。

全市年平均氣溫12.9℃。光熱資源豐富，光照充足，全市年平均無霜期208天。7月份最熱，平均氣溫26.7℃。冬季盛行西北風(fēng)，氣候寒冷干燥，雨雪較少，1月份最冷，全市平均氣溫-2.9℃。

圖2 三種不同供暖方式用于不同地區(qū)能耗比較

2.2 設(shè)計依據(jù)

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)

參照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。

（2）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

參照CJJ/T216-2014《燃氣熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》。

2.3 設(shè)計方案

系統(tǒng)采用燃氣氨水吸收式熱泵作為冬季采暖的熱源。能源價格：電0.6元/kWh，天然氣3.65元/m3（工業(yè)用氣價格）。本項目計劃采用燃氣氨水吸收式熱泵作為小區(qū)冬季采暖的熱源，采暖形式為地板采暖。采暖對象為12棟17層高層住宅，選用燃氣氨水吸收式熱泵86臺，設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.4 經(jīng)濟效益分析

以3#樓為例，按照每天運行24小時進行運行費用計算，中央采暖系統(tǒng)運行費用計算分析如表2。

表2 經(jīng)濟運行分析

綜上所述，3#樓單位采暖面積運行費用13.13元/㎡/季，采暖季總運行費用為18.252萬元，合計12棟樓采暖季運行費用為152.3萬元。

該項目若采用城市熱網(wǎng)，初投資約255.2萬元；若采用燃氣鍋爐，初投資約355萬元；采用燃氣氨水吸收式熱泵中央采暖系統(tǒng)初投資為720萬元。燃氣氨水吸收式熱泵中央采暖系統(tǒng)對比城市熱網(wǎng)年節(jié)約運行費用102.9萬元，投資回收期4.5年；對比燃氣鍋爐節(jié)約運行費用202.7萬元，投資回收期1.8年。因此，在計劃采用燃氣鍋爐供暖地區(qū)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用燃氣氨水吸收式熱泵作為全部或基礎(chǔ)熱源。

3 結(jié)論

燃氣氨水吸收式風(fēng)冷熱泵具有充分利用冬季空氣能，顯著減少天然氣消耗量的優(yōu)勢，對比燃氣熱水鍋爐，投資回收期不超過兩年，節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟效益顯著，可作為冬季燃氣鍋爐房獨立熱源或基礎(chǔ)熱源，在我國北方地區(qū)推廣應(yīng)用。