燃氣機熱泵系統在學校建筑的適用性分析

摘要

摘要：探討了燃氣機熱泵系統在一次能源利用率、變負荷特性、環境保護方面的技術特性。結合工程實例，采用層次分析法對燃氣機熱泵、電驅動熱泵、電空調+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴

摘要：探討了燃氣機熱泵系統在一次能源利用率、變負荷特性、環境保護方面的技術特性。結合工程實例，采用層次分析法對燃氣機熱泵、電驅動熱泵、電空調+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴化鋰吸收式熱泵在學校建筑的適用性進行了評價，燃氣機熱泵的適用性最佳。

關鍵詞：燃氣機熱泵；冷熱源；層次分析法

Key words：gas engine-driven heat pump；cooling and heat sources；analytic hierarchy process

燃氣機熱泵系統由燃氣發動機系統、熱泵系統組成。和一般的電驅動熱泵的不同之處是多了一套燃氣發動機，且該系統可以回收利用煙氣余熱和發動機缸套冷卻水余熱，余熱利用率可達80%左右。以天然氣作為燃料的燃氣機熱泵，不僅具有環保的特點，而且耗電量極少，也比電驅動熱泵具有更高的效率^[1、2]。本文結合工程實例，分析燃氣機熱泵在學校類建筑應用的可行性，利用層次分析法綜合考慮技術、經濟和環境等方面的因素，與其他冷熱源形式進行比較。

1 燃氣機熱泵系統的技術特點

1.1 一次能源利用率

在各種制熱系統中，一次能源利用率的計算式

I_PER,g=η_gI_CPO,hp+α(1-η_g) (1)

I_PER,e=η_etI_COP,e (2)

I_PER,e=η_b (3)

I_PER,L=η_zr (4)

式中I_PER,g——燃氣機熱泵的一次能源利用率

η_g——燃氣發動機的效率，取0.32

I_CPO,hp——燃氣機熱泵制熱性能系數，取3.6

α——余熱回收率，取0.8

I_PER,e——電驅動熱泵的一次能源利用率

η_et——電廠的發電效率，取0.33

I_COP,e——電驅動熱泵的制熱性能系數，取3.6

I_PER,c——燃煤鍋爐的一次能源利用率

η_b——燃煤鍋爐的熱效率，取0.8

I_PER,L——直燃式溴化鋰吸收式熱泵的一次能源利用率

η_zr——直燃式溴化鋰吸收式熱泵的熱效率，取0.9

由式(1)～(4)計算可得，4種制熱系統的一次能源利用率(見表1)。由表1可知，燃氣機熱泵的一次能源利用率是最高的，是電驅動熱泵的1.44倍，是燃煤鍋爐的2.12倍，是直燃式溴化鋰吸收式熱泵的1.88倍。

表1 各熱源的一次能源利用率比較

熱源形式	一次能源利用率
燃氣機熱泵	1.696
電驅動熱泵	1.180
燃煤鍋爐	0.800
直燃式溴化鋰吸收式熱泵	0.900

1.2 變負荷特性

學校類建筑一般設有很多專業教室，如書法類教室、美術類教室等，這些教室在空調負荷計算時仍然要考慮進去，但是這些教室的利用率并不高，很多時候是不用的，因此教學樓的空調系統實際上經常在部分負荷條件下運行。燃氣機熱泵可以通過改變發動機的轉速適應空調系統的負荷變化，擁有良好的部分負荷性能。相比其他熱泵系統，燃氣機熱泵擁有更好的部分負荷特性^[4]，部分負荷性能好，可以更好地實現變負荷運行。

1.3 環境保護

由于天然氣的雜質含量極少，是礦物燃料中最清潔的能源^[5]，因此燃氣機熱泵對環境的危害很小。以煤的污染物排放量作為基準，將煤、石油、天然氣的污染物排放量進行比較(見表2^[6])。由表2可知，天然氣對環境的污染程度是最小的。

表2 不同燃料排放污染物的比較^[6]

燃料	SO_x排放量	NO_x排放量	CO₂排放量
煤	100%	100%	100%
石油	70%	70%	80%
天然氣	0	20%～40%	60%

2 應用實例分析

2.1 工程概況

某學校的教學樓建筑面積為6000m²，總冷負荷為480kW，總熱負荷為400kW。利用燃氣機熱泵制熱、制冷。該工程在室外安裝了6臺室外機組，額定最大制冷能力均為84kW，額定最大制熱能力均為95kW。，室內機組共計182臺。

將燃氣機熱泵(方案1)與電驅動熱泵(方案2)、電空調+燃煤供熱鍋爐(方案3)、直燃式溴化鋰吸收式熱泵(方案4)進行比較，得到各方案單位建筑面積造價、運行費用(見表3)。

表3 各方案單位建筑面積造價、運行費用

方案	單位建筑面積造價/(元·m^-2)	單位面積運行費用/(元·m^-2·a^-1)
方案1	522.0	22.0
方案2	468.8	26.0
方案3	459.4	15.5
方案4	483.3	41.5

2.2 層次分析法

本文利用層次分析方法一。和相關軟件，以造價、運行費用、能源效率和環境影響4個元素來比較燃氣機熱泵、電驅動熱泵、電空調+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴化鋰吸收式熱泵，得出學校類建筑較適合的冷熱源方案。

2.3 計算過程和結果

采用層次分析法進行分析時，可按以下4個步驟進行：步驟1：分析系統中各因素之間的關系，建立系統的遞階層次結構。步驟2：同一層次的各元素關于上一層中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較的判斷矩陣。步驟3：由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重。步驟4：計算各層元素對系統目標的合成權重，并進行總排序。

在構造判斷矩陣時，可以根據本層各個因素對上層某個因素的影響程度的大小，以及一定的比率標度，將這種判斷結果定量化，形成判斷矩陣。一般采用1～9比率標度方法。各個標度及其含義見表4^[7]。

表4 判斷矩陣的標度及含義^[7]

標度	標度的含義
1	表示兩個因素相比，同等重要
3	表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素稍微重要
5	表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素明顯重要
7	表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素強烈重要
9	表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素極端重要
2、4、 6、8	上述兩相鄰判斷值的中間值
倒數	因素i與j比較的判斷值為a_ij，因素j與i比較值a_ji=1/a_ij

根據表4構造出判斷矩陣，然后對判斷矩陣進行檢驗，檢驗其是否滿足一致性。即隨機一致性小于0.1時，該矩陣具有滿意的一致性，否則就要調整矩陣，使之達到滿意的一致性。

根據上述的比率標度構造了判斷矩陣，然后利用層次分析法軟件，得到以下結果(見表5～9)。結合表5～9，4個方案的合成權重分別為0.3048、0.2492、0.2397、0.2062。在考慮了造價、運行費用、能源效率和環境影響后，燃氣機熱泵相對于其他3個系統是最適合的。

表5 相對于目標層(空調系統)各個因素兩兩比較后的判斷矩陣及其權重

空調系統	造價	運行費用	能源效率	環境影響	權重
造價	1.0000	3.0000	1.0000	2.0000	0.3512
運行費用	0.3333	1.0000	0.3333	0.5000	0.1089
能源效率	1.0000	3.0000	1.0000	2.0000	0.3512
環境影響	0.5000	2.0000	0.5000	1.0000	0.1887

表6 各方案相對于造價比較后的判斷矩陣及權重

造價	方案1	方案2	方案3	方案4	權重
方案1	1.0000	0.5000	0.2500	0.3333	0.0988
方案2	2.0000	1.0000	0.5000	2.0000	0.2601
方案3	4.0000	2.0000	1.0000	2.0000	0.4375
方案4	3.0000	0.5000	0.5000	1.0000	0.2036

表7 各個方案相對于運行費用比較后的判斷矩陣及權重

運行費用	方案1	方案2	方案3	方案4	權重
方案1	1.0000	2.0000	0.5000	5.0000	0.2984
方案2	0.5000	1.0000	0.5000	4.0000	0.1996
方案3	2.0000	2.0000	1.0000	6.0000	0.4417
方案4	0.2000	0.2500	0.1667	1.0000	0.0603

表8 各個方案相對于能源效率比較后的判斷矩陣及權重

能源效率	方案1	方案2	方案3	方案4	權重
方案1	1.0000	2.0000	5.0000	3.0000	0.4723
方案2	0.5000	1.0000	4.0000	2.0000	0.2854
方案3	0.2000	0.2500	1.0000	0.3333	0.0725
方案4	0.3333	0.5000	3.0000	1.0000	0.1697

表9 各個方案相對于環境影響比較后的判斷矩陣及權重

環境影響	方案1	方案2	方案3	方案4	權重
方案1	1.0000	2.0000	6.0000	1.0000	0.3802
方案2	0.5000	1.0000	3.0000	0.5000	0.1901
方案3	0.1667	0.3333	1.0000	0.2000	0.0663
方案4	1.0000	2.0000	5.0000	1.0000	0.3633

3 結論

① 燃氣機熱泵制熱時一次能源系數明顯高于其他的冷熱源系統。

② 燃氣機熱泵對環境的危害較小。雖然電驅動熱泵消耗電能，表面上沒有對環境造成多大影響，但是電廠在用煤發電時排放的硫化物、氮氧化物和二氧化碳卻對環境有極大的危害。

③ 通過層次分析法的分析，可以看出燃氣機熱泵總體是最有優勢的。雖然它的造價相比電驅動熱源、電空調+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴化鋰吸收式熱泵要高，但是綜合考慮，尤其是對擁有燃氣管道的學校類建筑，是較適用的。

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(本文作者：王晶¹ 呂建¹ 楊洪興² 解群³ 1.天津城市建設學院天津 300384；2.香港理工大學香港；3.海南元正建筑設計咨詢有限公司天津分公司天津 300374)