燃氣空調的應用與發展論文
燃氣空調的應用與發展論文
摘要：西氣東輸工程的東段管道已經開始試執行，天然氣在中國能源結構中的比例將越來越大。燃氣空調是一種合理利用天然氣的方法，還可以降低用電用氣的季節不平衡。本文介紹了燃氣空調的不同產品形式，並陳述了燃氣空調的發展優勢。
關鍵詞：燃氣空調 能源結構 天然氣
1.前言
隨著我國經濟的發展和人們生活水平不斷提高，我國空調器的使用量不斷增大。我國的空調器主要是電空調器，隨著空調使用量的增大，空調的耗電量也越來越大，因而造成電力緊張，用電的季節峰谷差加大。另一方面，2003年10月1日，西部大開發的標誌性工程―西氣東輸工程東段管道靖邊――上海段開始投產試執行，源源不斷的天然氣開始進入上海和華東地區，2004年元月1日，上海將開始商業供氣，天然氣在我國能源結構中的比例將越來越大。
發展燃氣空調，既可以緩解由於大量使用電空調器引起的高溫季節的電力緊張，又增加了夏季的用氣量，可以調節用電用氣的季節不平衡。此外，在我國大力發展燃氣空調，可以比較合理的消費天然氣，適應我國“西氣東輸”工程的要求，受到國家能源政策的支援，而且燃氣空調還具有很好的環保效能。
2.燃氣空調主要產品種類
燃氣空調的種類較多，可以根據不同的使用場合、不同的使用要求來加以選用。根據製冷制熱原理和使用目的的不同，燃氣空調大致有以下幾種產品種類。
2.1 燃氣發動機驅動空調
由燃氣發動機驅動的壓縮式空調具有較高的效能係數，因而在燃氣空調中以燃氣為能源的壓縮式冷水機組及熱泵機組發展較快。由燃氣發動機驅動的壓縮式冷水機組及熱泵機組與電動壓縮機組比較，可無需考慮電力系統的發電效率及輸配電效率，因而具有較高的效能係數，是一種既可以燃氣為能源又具有較高效能係數的製冷機組。燃氣發動機驅動空調透過燃氣發動機驅動製冷壓縮機，同時回收發動機水夾套中的尾氣的廢熱用於吸收式製冷機或產生熱水、蒸氣等[1]。燃氣發動機驅動空調與電動蒸氣壓縮式空調相比還具有以下特點: 1)可回收發動機的排熱使熱泵的輸出量增加，還可將回收的排熱驅動吸收式製冷機製取冷水; 2)發動機驅動極易進行轉速控制，實現能量調節，可保持部分負荷時的高效率; 3)以大氣為熱源的場合，因發動機的排熱基本不受大氣影響，即使在嚴冬，輸出熱量也變化不大; 4)除霜過程可用發動機的排熱加熱，對輸出熱水溫度影響較小。
2.2 直燃型吸收式空調機組
直燃吸收式空調機組以天然氣、液化石油氣、燃油為能源，在高壓發生器內燃燒，釋放熱量，以高溫煙氣作為加熱源，利用吸收式製冷迴圈的基本原理，製取冷熱水，供夏季製冷、冬季採暖用。它結合了吸收式冷水機組與鍋爐的優點，具有一機多用的功能。直燃型機組有單冷機組和冷溫水機組兩種形式：單冷機組只具有製冷功能，在天氣炎熱時為空調系統提供冷凍水；冷溫水機組則具有製冷和採暖的雙重功能，既可以提供冷凍水，還可以提供熱源以及熱水。按照採暖迴圈的不同方式，冷溫水機組又可以分為如下幾種型別：
1)製冷、採暖專用機：它只能交替地以製冷/採暖方式進行運轉，而不能同時具備兩種功能；
2)同時製冷與採暖型：它在工作時可以同時完成製冷與採暖迴圈;
3)同時製冷、採暖與供應生活熱水型：它的優點是裝置利用率高，可以節省機房的面積。
2.3 冷熱電三聯產系統
冷熱電三聯產系統是一種對燃氣進行梯級利用的系統，可以有效的提高一次能源利用率。為了有效利用燃氣，不僅要提高耗能裝置效率，儘量減少排放熱損失，而且要使燃氣產生的能量由高溫到低溫實行多階段多次利用，也就是按能量品位的高低，安排好功、熱和物料熱力學能的各種能量之間的合理配合，實現不同形式、不同品位能量的梯級利用，以獲得整個系統能量綜合利用最佳效果。
冷熱電三聯產系統是由一種一次能源連續產生兩種以上的二次能源的系統，燃氣燃燒把化學能轉化為熱能，高品位的熱能用來發電(燃料電池冷熱電三聯產系統直接把天然氣的化學能轉化為電能)，低品位的熱能用於供熱或者為吸收式、吸附式製冷系統提供驅動熱源，從而實現對燃氣化學能的多級多次利用。
根據採用的原動機不同，冷熱電聯產系統分為兩類：
1)以燃氣機為原動機的系統
燃氣機與柴油機類似，同屬內燃機，為往復運動機械，再將往復運動轉變為迴轉運動, 驅動發電機組。發電效率為（20～35）%，熱電綜合利用效率為80%。排熱回收形態主要為（400～600）℃的排氣與（85～90）℃的熱水，可用於採暖、供熱水與製冷。發電量規模一般為（15～1000）kW的中小型容量，日本已有容量（15～300）kW機組型的產品[1]。
2)以燃氣輪機為原動機的系統
可直接傳遞迴轉能帶動發電機組，發電效率為（20～40）%，熱電綜合利用效率為80%.不用冷卻水，排熱回收形態主要是排氣，排氣溫度（400～550）℃，排氣經廢熱鍋爐產生蒸汽或熱水，用於採暖、供熱水與製冷，也可將排氣直接用於吸收式製冷機組製冷。發電規模為（1000～3000）kW的大型容量。但隨著微型燃氣輪機的發展，小容量的發電機組得到發展。日本已生產以城市煤氣為能源的微氣體發電機組，最小容量為290kW[1]。
2.4 天然氣除溼空調系統
普通的空調器的除溼功能只有在被冷卻的房間溫度低於露點時，才具有一定的除溼能力，但也是有限的，其調節能力較差，因此需要專門具有除溼功能的空調系統[2]。目前，以天然氣作為驅動能源的除溼空調系統主要有如下兩種形式：
1)除溼蒸發冷卻系統
該系統採用溶液作為除溼劑，在除溼器中對新風進行除溼，吸收水分成為稀溶液，必須在再生器中被再生熱源加熱，除去水分提高濃度才能恢復其除溼功效。以太陽能、餘熱或其它低溫熱源會有很多不方便之處，影響其推廣使用，而使用天然氣加熱是一個比較理想的辦法，可以說天然氣除溼蒸發冷卻系統是新型的節電、節能、經濟的空調技術，其理論COP值可以達到1左右。
2)燃氣用於轉輪再生的乾燥空調方式
在空調機組中加入轉輪除溼機，室外新風先進入轉輪除溼機進行除溼處理，除溼後的幹空氣再進入空調機進行空調處理，然後進入空調室完成製冷、採暖過程。轉輪除溼機由吸溼轉輪、傳動機構、外殼、風機及再生用加熱器等組成。用來吸收室外新風中水分的吸溼劑一般為矽膠或分子篩。當吸溼劑達到含溼量的極限時會失去吸溼能力，為重複使用需進行再生處理。再生處理是用（180～240）℃的熱空氣加熱吸溼劑，使其所含水份蒸發。而熱空氣就是透過在再生加熱器中利用天然氣燃燒後的排熱與空氣進行熱交換獲得的。這種乾燥空調方式的優點有：充分利用天然氣燃燒後的排熱，起到節能的作用；對空氣分別進行溼度和溫度的處理，能承擔較大的冷負荷和溼負荷，且避免了為滿足溼度要求製冷機在低蒸發溫度下運轉, 效率降低的`弊端，有較好的經濟性。
3.燃氣空調的經濟性和其帶來的社會效益
許多學者和國內的一些企業針對以天然氣作為驅動能源的空調器的經濟性作了相關研究，一致認為燃氣空調器比電空調器更具競爭力。文獻[3] 的研究表明，目前國內天然氣價格與等熱值的電力價格之比為約為3.8∶1，吸收式燃氣空調器供熱費用低於電空調，以天然氣為燃料的吸收式燃氣空調器的製冷迴圈與電空調器相比很有競爭力。文獻[4]表明吸收式燃氣空調不僅具有用電少、環境汙染輕等優點，而且其建設投資和執行費用(未包括折舊費和人工費等)均低於常規集中空調。文獻[5]的研究顯示，從一次能源的角度看，燃氣空調的一次能耗不低於電力空調方案，且節能性較好。文獻[6]認為在目前的能源價格等條件下，天然氣熱泵的年單位面積總成本低於電動冷熱水機組、燃氣鍋爐和冷水機組。文獻[7]的研究表明，如果燃氣空調採用樓宇冷熱電聯產技術，可大幅度提高能源利用率，其能源綜合利用率可達到80%～90%，與大型熱電聯產比較，樓宇冷熱電聯產可以減少輸配電系統和供熱管網的投資，無論從減少投資成本和減輕汙染來講都是十分有利的。
此外，目前我國各種能源的價格並不十分合理，尤其是天然氣的價格，與國際慣例並不一致。在北京，1ｍ3天然氣1.6元多，相當於4kWh電的費用，在國外1ｍ3氣大約相當於2ｋＷｈ多電的費用，因為1ｍ3天然氣可以發3ｋＷｈ電[8]。隨著我國能源結構的調整及經濟的發展，我國各種能源的價格將趨於合理化，城市天然氣的價格相對於電價將會有所降低，這將使得燃氣空調的執行費用將會進一步下降。還有一點就是針對我國夏季是用電高峰、用氣低谷，冬季為用電低谷、用氣高峰的能源消費現狀，已有部分地區實行了峰谷電價，可以預見今後在全國主要城市必然要推行峰谷電價，而隨著天然氣的廣泛使用，也必將會實行峰谷氣價，而燃氣空調的使用時間正趕上峰值電價和谷值氣價，必將大大節省執行費用。以目前日本燃氣空呼叫戶來說，由於國家實行了峰值電價和谷值氣價，鼓勵夏季更多地使用天然氣，其執行費用就比電力空調低一倍以上[9]。
另外，發展燃氣空調還能為國家帶來很大的社會效益，提高天然氣管網的利用率，降低相對維護成本。目前的天然氣輸送管網的利用率很低。以陝北到北京的天然氣輸送管道為例，由於季節供氣不平衡，管線供氣能力有30個億，實際用氣只有10多個億，管網利用率只有30%左右，冬夏差非常大，冬季高峰的平均用氣量是夏季最低月份的平均用氣量的5倍[2]，季節不平衡非常嚴重，最直接的後果是經濟成本加大。雖然建設地下儲氣庫可以解決用氣不平衡問題，但成本依舊很高。因此，發展燃氣空調，提高管網利用率的同時也降低季節用氣的不平衡性，有“一舉兩得”的功效。
目前，西部大開發是我國的一項重大經濟發展政策，西氣東輸又是西部大開發的一個重要組成部分，也是我國的一項重要能源調整政策。合理利用天然氣，關係到西氣東輸政策的成敗，而燃氣空調則是天然氣資源的一種較好的利用方式。從美國加州2001年夏季、2002年夏季發生了幾次電力危機和今夏我國眾多省份拉閘限電來看，連日高溫導致發電廠超負荷執行，其中大量使用電空調器是導致電力危機的一個重要原因[2]，這也說明發展燃氣空調，使之與電空調器構成合適的使用比例，從而減少電空調器在夏季對電網的衝擊，可以避免類似的能源危機在我國發生。
4.結論
發展以天然氣為能源的空調，有利於保護環境，解決電力緊張和用電峰谷差增大的問題，同時也可以減小用氣的季節不平衡性，提高天然氣輸送管道的利用率，降低天然氣輸送成本。隨著天然氣價格和電力價格趨於合理化，天然氣氣空調將比電空調器具有更好的經濟性。因此，發展燃氣空調，不僅符合我國的能源政策，同時有助於我國的能源安全，在“西氣東輸”工程全面供氣時，更好地解決沿海大城市的“西氣東用”問題。
參考文獻
[1]耿惠彬.燃氣發動機驅動熱泵性冷熱水機組的部分負荷分析.製冷技術，2003(1)
[2]嚴小軍, 張小松, 顧春寧．迎接“西氣東輸",積極開展燃氣空調的研製.製冷空調與電力機械, 2002, (4)
[3]田貫三，李恩山，馬一太，王侃宏.吸收式燃氣空調器製冷迴圈的技術經濟分析.暖通空調，2003，30(4)
[4]謝沂崢．淺析燃氣直燃型溴化鋰吸收式製冷機在深圳的應用．暖通空調，2002，32(4)
[5]任繩鳳，張志剛，蔡波.發展小型天然氣空調.天津城市建設學院學報，2002，8(3)
[6]楊昭, 張世鋼，劉斌，馬一太.燃氣熱泵及其它供熱空調系統的能源利用分析評價.太陽能學報，2001，22(2)
[7]羅麗芬.暖通空調領域的燃氣應用.暖通空調，2002，32(4)
[8]羅麗芬.2001年能源與發展專題研討會紀實.暖通空調，2001，31(6)
[9]王長慶，龍惟定，黃治鍾，譚洪衛．日本燃氣空調發展．能源技術，2002，8(4)