我国南方地区推广天然气热泵的可行性分析
罗东晓
摘 要：天然气热泵在南方地区用于制冷，其与电力的互补性特点可同时对电网和燃气管网起到削峰填谷作用，较好解决资源优化利用问题。通过对天然气热泵技术及其优势的介绍，指出南方地区推广使用节能环保型的天然气热泵具备技术经济可行性，有良好的市场推广应用前景，符合国家产业政策，可以产生一定的经济与社会效益，是天然气和空调产业的重要发展方向之一。
关键词：天然气；燃气热泵、空调；互补性；节能；环保；制冷；制热

    燃气机热泵(GHP：Gas-Engine Heat Pump)在南方地区用于制冷，不仅能够满足制冷市场需求，且由于其与电力的互补特性，因而可同时对电网和燃气管网起到削峰填谷、平衡负荷的作用，较好解决燃气管网和电网资源优化利用问题。
一、天然气热泵技术及其优势
    热泵是一种将低温热源提高品位后提供高温热源的设备。顾名思义，天然气热泵以天然气作为发动机燃料，通过燃烧做功驱动压缩机，同时回收发动机缸套水和烟气的余热，以提高热泵机组的一次能源利用率，降低运行费用。
(一)天然气热泵技术
    天然气热泵通过使冷媒循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热，或在冷凝器中液化放热，实现热泵循环，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热和制冷功能的转换。
    天然气热泵设备组成主要分为：1)机组系统，包括燃气发动机，压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等；2)热回收系统，包括缸套水热回收热交换器，排烟热回收热交换器和热水箱等；3)燃气供应和排烟系统；4)冷水系统，包括冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔等。如系统回收的热量用于制冷，则在机组部分还包括吸收式制冷机。
    天然气热泵的工作原理与制冷机相同，按热机的逆循环工作，遵循热力学第二定律：通过消耗部分高位能(热量为P)，可以从低温热源中吸取Q。热量转移给高温热源Q 热量，达到空调(制热或制冷)之目的，其供出的热量大于所消耗的高位能(天然气)，是高位能热量与
吸取的低位能热量之总和。用公式表示为：
Qh=Q1+P
    低温热源可以是空气、井水、海水、土壤热、太阳能等。
    空气源热泵是天然气热泵的主要型式，分“空气／水”热泵和“空气／空气”热泵两种类型，其运行原理图如下图1 所示：


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图1 天然气热泵运行原理图

(1)制冷运行模式
① 燃气发动机驱动压缩机，压缩工质(制冷剂)。
② 压缩后的高温高压制冷剂在冷凝器中冷却，放出冷凝热而液化。
③ 液化后的制冷剂，经膨胀阀进人蒸发器，从室内空气中吸取汽化所需的蒸发热，同时使室内空气冷却，即制冷。
④ 蒸发后的制冷剂回到压缩机中，被再度压缩。
⑤ 燃气发动机的排热(缸套热与高温烟气)作为热水回收使用。
(2)制热运行模式
① 燃气发动机驱动压缩机，压缩工质(制冷剂)。
② 压缩后的高温高压制冷剂在冷凝器中冷却，放出冷凝热而液化。冷凝热用于加热室内空气，达到采暖效果，即供热。
③ 液化后的制冷剂，经膨胀阀进人蒸发器，从室外空气中吸取汽化所需的蒸发热。
④ 蒸发后的制冷剂回到压缩机中，被再度压缩。
⑤ 燃气发动机的排热作为热水回收使用。
(二)天然气热泵主要优势
天然气热泵主要优势包括：
① 优化能源利用结构。燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，缓解夏季用电高峰压力，提高燃气管网利用率，实现资源的充分和均衡利用。
② 使用一套系统同时解决夏季制冷和冬季供暖需求，节省投资。
③ 环保性能优良。我国燃煤发电量占比例较高，可以说，电力并不能完全算做真正意义上的清洁能源。天然气热泵使用真正清洁的一次能源，设备运转低排放、低噪音，冷媒使用R407C等新环保冷媒，对大气臭氧层无破坏作用。
④ 温度调节稳定。可根据制冷或供暖时的负荷变化，电脑通过无级变速方式调节发动机转速以控制热泵负荷，保持室内温度恒定、舒适。同时还可实现楼宇网络远程集中监控。
⑤ 高效节能，运行费用低，较电空调节省能源。
    天然气热泵可灵活应用于中小型建筑物，包括公建与民用建筑的制冷、采暖和卫生热水供应，节能环保是其显著特点。
二、南方地区推广天然气热泵用于制冷的可行性分析
(一)技术可行性
    发达国家天然气热泵的应用已经有了相当的发展。用其替代能量利用系数不高的锅炉供热和电空调，是保护环境、缓解电力紧张的有效措施。
    日本是世界上GHP系统应用最广泛的国家。自20世纪80年代始，经过20多年的研究，现今GHP技术已经是一项十分成熟的技术。天然气热泵产品在空调市场上占有较高的比例，成为电力空调市场的有益补充。美国的天然气热泵已经达到商业化水平，欧洲国家在天然气热泵的研究与应用方面也取得了突破性的进展，应用领域和范围正在不断扩大。
    随着天然气工业的发展，天然气热泵在我国空调产业中也正在步入快速发展期，技术日趋成熟，产品性能不断提高，设备成本逐步下降。
(二)经济可行性
    南方地区是我国经济发达地区，由于气候原因，该地区热天时间长，制冷负荷大，推广使用天然气热泵用于制冷，应该说具备一定的经济可行性。
    从国家层面看，可以减少温室效应、提高能源利用效率，是建设和谐和节约型社会的需要，这是一项可观的社会效益。
    而与企业和用户经济利益息息相关的则是天然气热泵显著的节能效果和能源价格竞争优势，以及可以同时平抑电网和燃气管网峰谷的独特优势。资料显示 ：
(1)制热工况下，以驱动能源的热量为100，输出热量分别为：电动热泵132(计人发电过程6o％的损失)，锅炉60～95，天然气热泵192；
(2)制冷工况下，制冷量分别为：电动热泵132(人发电过程60％的损失)，双效吸收式制冷机105，天然气热泵140o以广东地区2006年l0月市场上各种能源价格为例进行比较，制冷工况下，天然气热泵较电空调节省能源23％ ；就燃料成本看，天然气与其它能源比较，即便不回收缸套水及排烟余热，运行费用都相对低一些。天然气热泵较电空调、燃气(油制气、液化石油气)空调，燃料消耗费用分别可以降低36．22％、44．21％ 、38．65％ ，可见存在较大优势。如果将制热模式和回收余热的效益一并综合考虑，则经济优势更为明显，完全可以补偿设备投资偏大的弊端。
可见天然气热泵在南方地区用于空气调节，无论是制热还是制冷，都具有一定经济优势。
(三)南方地区推广天然气热泵用于制冷的前景分析
1．具备推广天然气热泵的气源条件
    地处国家实施“利用海外”天然气战略的华南珠三角地区，已经率先使用了进口澳大利亚的液化天然气。位于深圳大鹏湾LNG接收站，远期规模可达1 200万t／年接收量，同样是南方地区的福建LNG项目也即将投产。此外，规划中的还有珠海、汕头LNG接收站项目以及筹划中的广州南沙接收站项目。其中，珠海LNG接收站项目已完成初步的可行性研究，并获国家有关部门批准，设计规模超过1 000万t／a，计划2010年投入运营。
    另一个进口气项目，“土库曼斯坦”管输天然气项目进展迅速，有关协议已经签署。土库曼斯坦共和国天然气通过管道进入中国新疆后继续南下到广州，输气量为300亿m3／a左右，计划2009年1月1日前投产。
    国产气方面，南海海域新发现上千亿m3大气田，南海海上天然气已经在珠海横琴岛登陆。
    这些都是南方地区发展天然气热泵具备的气源条件。
2．经济实力强、存在巨大的制冷市场需求
    南方地区气候特征普遍表现为夏季长、气温高，冬季采暖期短，而需要制冷的天数超过180 d，制冷负荷与供热负荷之比值高达8.0以上。

    而从经济发展水平、居民收入等指标看，南方地区普遍经济实力较强，城市第三产业发达，宾馆、写字楼等使用中央空调系统的建筑物多，气候条件决定有大量冷市场需求存在，商业用户冬季取暖、热水供应也有一定市场空间，这给推广使用天然气热泵提供了有利条件。
3．可以解决夏季电力缺口大、电网峰谷差偏大的难题
    南方地区商业、民用空调器数量多，绝大部分使用电力能源，而该地区电力却严重缺乏。每到夏季空调用电高峰期，用电负荷过高，使城市电网不堪重负，拉闸限电现象时有发生，直接制约当地经济发展。 推广使用天然气热泵替代电空调制冷，可以减少电网负荷，起到削峰和降低电网总投资费用的作用。
4．有利于燃气管网负荷平衡，减轻调峰压力，与电网需求构成互补
    夏季是燃气消费低谷，大力发展天然气热泵正好可以增加夏季天然气用量，减少燃气管网峰谷差，起到填谷效果。能有效调节燃气季节平衡，减轻管网调峰压力，提高燃气管网使用效率和管网供气安全l4 J。此外，使用天然气热泵制冷，表现出与电网间较好的互补关系。
5．对改善城市大气环境的积极作用
    南方城市宾馆、酒店中，空调用冷量和热水供应量都相当大，通常，空调和热水供应是由两个独立的冷热源如冷水机组和燃煤、燃油、燃气锅炉等来供应，大量的燃煤、燃油锅炉的使用，使城市大气质量变差。而使用天然气热泵则可以将两套系统合二为一，减少部分CO 、SO 、NO 和粉尘的排放量，降低对城市大气环境的破坏。
    即便是普遍使用的电力空调，尽管电属于清洁能源，但电的生产相当一部分来源于燃煤、燃油，无疑，天然气取代电力对改善城市大气环境有积极作用。
6． 天然气热泵具备良好的负荷调节特性
    天然气热泵负荷调节方便，连续可调范围宽广，可以营造相对恒定的环境气温，且负荷变化时机组效率基本维持不变，这是电空调无法比拟的优势。
三、结语
    南方地区推广使用节能环保型的天然气热泵具备技术经济可行性，符合国家产业政策，可以产生一定的经济与社会效益，是天然气和空调产业的重要发展方向之一。需要解决的是设备投资偏高、机组噪音与体积相对较大等问题。