天然氣熱泵供熱過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)凌 汪波 劉鳳國(guó)

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

天然氣熱泵供熱過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性分析

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

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(guò)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(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算的方法,得出了其供熱過(guò)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(guò)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)。

天然氣 供熱 天然氣熱泵 天然氣鍋爐 電動(dòng)熱泵 過(guò)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(jiàn)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(lái)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。

圖1 天然氣熱泵供熱流程示意圖

本文計(jì)算示例的采暖建筑面積為10 000 m2,采暖熱媒溫度為50℃,采暖熱指標(biāo)為50 W/m2,年采暖時(shí)間為2 880 h。

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36 000 kJ/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(wàn)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(guò)程

1)采暖熱負(fù)荷:Qh=qhAh/1 000

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:Z r=Q g C g

2.1.2 非燃料費(fèi)用計(jì)算

熱泵運(yùn)行過(guò)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:Z fr=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2.021 M Pa;蒸發(fā)壓力為0.607 M Pa;供熱能力500 kW,制熱用天然氣功率為355.65 kW。

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)50 W/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102 417 m3,燃料費(fèi)用為256 041元,非燃料費(fèi)用為70 000元,一個(gè)采暖季總費(fèi)用為326 041元,折算為1 m2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(jiàn)表1;只有熱源水溫度變化對(duì)費(fèi)用的影響見(jiàn)表2;只有天然氣價(jià)格變化對(duì)費(fèi)用的影響見(jiàn)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。

表1 一個(gè)采暖季采暖熱指標(biāo)對(duì)天然氣熱泵供熱過(guò)程費(fèi)用的影響表

表2 熱源水溫度對(duì)天然氣熱泵供熱過(guò)程費(fèi)用的影響表

表3 天然氣價(jià)格對(duì)天然氣熱泵供熱過(guò)程費(fèi)用的影響表

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(wàn)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(jiàn)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(shuō)明天然氣熱泵的效益更顯著。

表4 不同天然氣價(jià)格時(shí)天然氣供熱與天然氣鍋爐、電動(dòng)熱泵供熱的費(fèi)用比較表

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/kW h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(jiàn)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500 kW時(shí),天然氣耗能僅為355.65 kW,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(shuō) 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,k Pa;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8.314 kJ/(kmol·K);T0為標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度,273 K;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,k Pa;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36 000 kJ/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;n為設(shè)備折舊年限,a。

[1]傅允準(zhǔn),張旭,許旺發(fā).天然氣熱泵空調(diào)在上海住宅應(yīng)用的可行性[J].天然氣工業(yè),2005,25(11):115-118.

[2]羅東曉,陳耀東.天然氣熱泵用于制冷的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].天然氣工業(yè),2007,27(2):128-130.

[3]王加璇,張恒良.動(dòng)力工程熱經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京:水利電力出版社,1995.

[4]王偉,鄧蓉,張志強(qiáng).資源經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007.

Technical and econom ic analysis of the heat-supply process of natural gas heat pum ps

Xiang Ling1,Wang Bo1,Liu Fengguo2
(1.School of Business M anagement,Tianjin University,Tianjin 300372,China;2.Department of Energy and M echanical Engineering,Tianjin Institute of Urban Construction,Tianjin 300384,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.94-96,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The economic analysis is so necessary to be made of the natural gas heat-supp ly p rojects that customers w ill have a better choice according to the available technical and economic indexes.In view of this,an economic analysismodel was first made on the heat-supp ly p rocessof a natural gas heat pump,based on w hich a simulation calculation was then done to obtain the annual cost of the heat-supply p rocess and the influence law sof the involved main facto rs.Moreover,technical and economic comparison wasmade among a gas heat pump,a gas burner,and an electrical heat pump,from w hich the follow ing conclusions are p resented:the heatsupp ly efficiency of a gas heat pump is 1.6 times that of a gas burner;the cumulative cost of the heat-supp ly p rocess for a gas heat pump is only 83%of that for a gas burner w hen the gas p rice is at 2.6 Yuan RMB/m3;the higher p rice the natural gas,the more obviously favorable the economic p rofit of a gas heat pump;p rovided that the heat-supply quantity and other parameters are all the same,the cumulative cost of the heat-supp ly p rocess fo r a heat pump w hen the gas p rice is at 2.6 Yuan RMB/m3is equivalent to that fo r an electrical heat pump w hen the electricity p rice is at 0.6 Yuan RMB/kWh.

natural gas,heat supp ly,gas burner,electrical heat pump(EHP),p rocessop timization,economic analysis,energy saving techniques

項(xiàng)凌等.天然氣熱泵供熱過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性分析.天然氣工業(yè),2011,31(7):94-96.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.023

項(xiàng)凌,1974年生,博士研究生;研究方向?yàn)槟茉崔D(zhuǎn)換過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。地址:(300072)天津市南開(kāi)區(qū)衛(wèi)津路72號(hào)。電話:13501059131。E-mail:w14987@126.com

2011-02-21 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.023

Xiang L ing,born in 1974,is studying fo r a Ph.D degree,focusing on studiesof technical economy in the energy conversion p rocess. Add:No.72,Weijin Rd.,Nankai District,Tianjin 300072,P.R.China

Mobile:+86-13501059131 E-mail:w14987@126.com