燃氣空氣源熱泵系統的經濟熱力學研究

黃登捷 劉學來 李永安

山東建筑大學熱能工程學院

0 引言

近年來，我國將節能技術作為能源戰略發展的優先主題，節能減排是我國能源發展的基本國策，《“十三五”節能環保產業發展規劃》指出發展節能環保產業，是培育發展新動能、提高綠色競爭力的巨大舉措，是補齊資源環境短板、改善生態環境質量的重要支撐。隨著我國能源結構的調整，天然氣作為高效節能污染小的一次能源得到大力提倡，以天然氣為驅動能源的燃氣熱泵也得到大量推廣與應用。熱泵是一種利用低品質熱能的高效節能裝置，大力的發展熱泵技術有利于我國建設資源節約型、環境友好型社會。其中空氣源熱泵是利用空氣作為熱泵的低位能源，轉化為可利用的高位熱能，以達到節約高品位能源目的一種熱泵[1]。

本文通過對比研究不同形式的空氣源熱泵，進行經濟熱力學分析，為空氣源熱泵的廣泛應用提供理論基礎。

1 空氣源熱泵的熱力學分析

熱泵系統的能量指標常用制熱系數 COP 和一次能源利用率PER 來衡量。

1.1 熱泵的制熱系數COP

1.1.1 壓縮式熱泵制熱系數

假設壓縮機消耗能量為W；蒸發器從空氣中吸收熱量為Qa。制熱系數：

1.1.2 第一類吸收式熱泵制熱系數

假設發生器消耗驅動熱源熱量為W；在吸收器中釋放熱量為Qa；冷凝器中釋放熱量為Qb；蒸發器從空氣中吸收熱量為Qc。根據能量守恒，不考慮其他因素的影響，可列出關系式：

制熱系數：

在當前技術條件下，壓縮式熱泵 COP 一般為 3～6 左右，而直燃式吸收式熱泵COP 一般為1.3～1.6。雖然從制熱系數上看，兩種熱泵制熱量都大于耗功量，但壓縮式熱泵在提升低品位熱量的能力上更強[1]。

1.2 一次能源利用率PER

常用的熱泵驅動能源為電力，稱為“電驅動熱泵”，除了電驅動以外，還可以利用天然氣的燃燒熱來驅動熱泵，稱為“熱驅動熱泵”。為了充分判斷熱泵的經濟性，當采用不同能源驅動熱泵時要引用一次能源的比即能源利用系數E來衡量[5]。

對于電驅動壓縮式熱泵，除了考慮制熱系數ε之外，還要考慮所利用的一次能源的轉換效率，它包括發電效率η

1、電網輸配效率η2，能源利用系數公式：

對于燃氣驅動的壓縮式熱泵來說，由于存在余熱回收系統，相對電驅動來說，可以獲得更高的能源利用系數。當燃氣機效率為η，余熱回收效率為α，則能源利用系數：

對于燃氣驅動的吸收式熱泵來說，當燃燒器熱效率為ηs，室外熱網輸配效率為ηr，則能源利用系數：

具體效率參數見能流圖標注。比較結果具體如表1 所示。

表1 不同類型熱泵E 值比較

壓縮式熱泵 COP 取范圍內的最小值3，吸收式熱泵COP 取范圍內最大值1.6。可以發現燃氣壓縮式熱泵的一次能源利用率 1.52 仍高于燃氣吸收式熱泵的1.47。

2 空氣源熱泵經濟性分析

計算分析模型：濟南市某廠辦公樓，建筑總面積5000 m2，總熱負荷320 kW。

為進行經濟性分析，本文提供以下三種方案：

1）方案一：電壓縮式空氣源熱泵供熱

2）方案二：燃氣壓縮式空氣源熱泵供熱

3）方案三：燃氣吸收式空氣源熱泵供熱

能源價格按濟南市現行收費標準民用電 0.54 元/kWh，天然氣3.3 元/m3計算。供暖季取120 d，每日運行時間按20 h 計算。由于不同供暖方式存在差異，為方便比較，運行費用僅計算能源消耗費用，其他影響因素忽略不計。

分析比較三種方案的能耗及投資運行費用，結果如表2 所示。

表2 不同供熱方案經濟性指標分析

可以看出方案一電壓縮式空氣源熱泵供熱初投資更低，但供暖季總運行費用最高。方案二燃氣壓縮式空氣源熱泵供熱初投資適中，供暖季運行成本最低。方案三燃氣吸收式空氣源熱泵供熱初投資最高，且供暖季運行成本高于方案二。方案二經濟性更高。

3 結論

1）壓縮式熱泵制熱系數要高于吸收式熱泵。對于電壓縮式空氣源熱泵來說，驅動能源電能雖然是二次能源，不是一次能源，但也是由其他一次能源轉變而來，轉換當中存在損失，相比較燃氣驅動的壓縮式熱泵來說一次能源利用率較低。同為燃氣驅動的壓縮式和吸收式熱泵，壓縮式熱泵一次能源利用率要高于吸收式熱泵。

2）從經濟上分析，適當使用電驅動空氣源熱泵供熱有利于充分利用電力資源，減少環境污染，但歸根到底電能供熱能耗成本高，不適合大規模發展。燃氣壓縮式熱泵與吸收式熱泵二者相差不大，熱泵工作原理不同，適用場所也有區別，各有優缺點，如何選用可根據當地具體條件決定。