燃气氨水吸收式风冷热泵在供暖领域的应用

文 _ 尚百师 张俊巧 康海鸥 北京纵横热力集团

燃气氨水吸收式风冷热泵在供暖领域的应用

文 _ 尚百师 张俊巧 康海鸥 北京纵横热力集团

我国建筑采暖和生活热水的能耗巨大。据统计，1996～2008年我国北方城镇采暖能耗从7200万吨标准煤增加到15300万吨标准煤，占建筑总能耗的23%；2008年我国城镇住宅生活热水总能耗为2810 万吨标准煤，占住宅总能耗的23.4%。随着我国城市的高速发展和人民生活水平的不断提高，必然带来用能设备数量和服务水平需求的增长，如果保持现有的采暖和生活热水模式，其能耗还将会大幅度提升。

《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》中规定：全面整治燃煤小锅炉加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。

2014年8月，国家发展改革委发出通知，调整非居民用存量天然气价格，决定自9月1日起非居民用存量天然气价格每立方米提高0.4元。可以推测，随着能源需求的增长和国家对节能减排的更高要求，今后天然气用量及价格仍将快速增长。因此，北京市供暖企业和天然气主要用户，必须改变观念，以科技创新为生产力，加快新产品新技术的引进与推广，大力发展可再生能源的利用，降低运营成本，控制天然气消耗量，保护能源与环境的可持续发展。

1 燃气氨水吸收式热泵介绍

1.1 系统原理

图1 过渡季风冷吸收式热泵与燃气锅炉能源利用率比较

我国北方夏热冬冷地区，特别是以北京为代表的东部城市，冬季供暖已逐步改为以清洁能源天然气为主。燃气锅炉能源利用率基本在90%左右，而本文介绍一种以天然气为驱动热源，利用空气能，用于非严寒地区供热的燃气氨水吸收式空气源热泵，其冬季能源利用率可以达到130%～150%。对于目前使用最广泛的LiBr/H20工质对，由于制冷剂H20冰点的限制，其蒸发温度不能低于0℃ , 即采用该工质对的空气源吸收式热泵不能用于温度低于5℃ 的环境。为了使空气源吸收式热泵在北方采暖地区有应用的价值，可以采用H20/NH3作为工质对，制冷剂NH3凝固点为-77℃, 故氨水空气源吸收式热泵可以在很低的环境温度下运行。

纯氨标准大气压沸点为-33.4℃，可以吸收冬季室外空气能。燃气氨水吸收式风冷热泵以天然气作为燃料输入能量，以氨水作为工质对，氨作为制冷剂。氨水浓溶液在发生器内被燃烧机加热，蒸发出高温高压氨气，进入冷凝器冷却为低温高压氨液，经节流为湿蒸汽后在风冷蒸发器内蒸发，吸收空气中热能，变为氨液在吸收器内被氨水稀溶液吸收为浓溶液进入发生器，此过程无限循环。供暖系统供水从吸收器吸收溶解热，从冷凝器吸收高温高压氨气热能，将天然气燃烧产生的热量和从空气中吸收的热量带到用户系统。

从图1可看出，当过渡季室外空气温度较高时，燃气氨水吸收式风冷热泵效率可以达到1.8，远高于普通燃气锅炉0.85～0.95的热效率，随着室外温度的降低，吸收式机组的效率随之降低，逐渐接近普通燃气锅炉效率。整个供暖季内，平均运行效率在1.3～1.5之间，即使与0.95效率的普通燃气锅炉相比，节能率仍可以达到26%～47%。

1.2 测试数据及分析

随蒸发温度的降低，系统COP 下降缓慢，换热器面积随蒸发温度的下降也即蒸发器温差的增大而显著减小，且蒸发器的面积占据着主导地位，因此机组设计时，应考虑适当的蒸发器面积，而不应一味的追求提高COP值。

当环境温度较低时，燃气氨水吸收式热泵机组的COP值降低, 宜选取15℃为切换温度, 当环境温度低于15℃ 时，切换到燃气锅炉模式供热。而电驱动热泵随环境温度降低，COP值降低较快，一般宜在10℃时切换到电制热模式供热。图2为锅炉、电热泵、燃气氨水热泵在不同地区供暖的比较。

从图2可以看出，由于严寒地区采暖期很长时间气温低于电热泵的切换温度（10℃） , 所以，电热泵的运行时间比吸收式热泵短, 因而节能效果不如吸收式热泵显著。夏热冬冷地区由于气温升高，这种差别有所减小。而夏热冬暖地区由于气温较高，电热泵运行时间较长，因而其节能效果超过了吸收式热泵。故越往北方, 氨水吸收式热泵采暖系统比电热泵更有优势；越往南方，电热泵由于其COP较高而体现出更高的节能率。

1.3 技术特点

燃气氨水吸收式风冷热泵具有以下特点：

（1）采用清洁能源天然气作为驱动能源，运行费用更低。

（2）机组热效率高，是传统燃气锅炉的1.3～1.5倍，大大降低了天然气的消耗量，能有效缓解“煤改气”中的燃气不足问题。

（3）机组使用范围广泛，可在环境温度-20～43℃内稳定运转，水温可从5～55℃宽工况范围内有效运转，最高出水温度可达65℃。

（4）天然工质R717，对生态无破坏作用（ODP=GWP=0）。

2 案例分析

2.1 工程概况

某小区共计12栋楼，其中1#、2#、6#、9#、10#、11#楼单楼建筑面积为7999㎡，3#、4#、5#、12#楼单楼建筑面积为13900㎡，7#、8#楼单楼建筑面积为6239㎡，共计建筑面积为11.6万㎡，采暖热总负荷为3712kW/㎡(设计院设计负荷32W/㎡)，采暖型式为地板采暖。

全市年平均气温12.9℃。光热资源丰富，光照充足，全市年平均无霜期208天。7月份最热，平均气温26.7℃。冬季盛行西北风，气候寒冷干燥，雨雪较少，1月份最冷，全市平均气温-2.9℃。

图2 三种不同供暖方式用于不同地区能耗比较

2.2 设计依据

（1）国家标准

参照GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》、GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》。

（2）行业标准

参照CJJ/T216-2014《燃气热泵空调系统工程技术规程》。

2.3 设计方案

系统采用燃气氨水吸收式热泵作为冬季采暖的热源。能源价格：电0.6元/kWh，天然气3.65元/m³（工业用气价格）。本项目计划采用燃气氨水吸收式热泵作为小区冬季采暖的热源，采暖形式为地板采暖。采暖对象为12栋17层高层住宅，选用燃气氨水吸收式热泵86台，设备参数见表1。

表1 设备技术参数

2.4 经济效益分析

以3#楼为例，按照每天运行24小时进行运行费用计算，中央采暖系统运行费用计算分析如表2。

表2 经济运行分析

综上所述，3#楼单位采暖面积运行费用13.13元/㎡/季，采暖季总运行费用为18.252万元，合计12栋楼采暖季运行费用为152.3万元。

该项目若采用城市热网，初投资约255.2万元；若采用燃气锅炉，初投资约355万元；采用燃气氨水吸收式热泵中央采暖系统初投资为720万元。燃气氨水吸收式热泵中央采暖系统对比城市热网年节约运行费用102.9万元，投资回收期4.5年；对比燃气锅炉节约运行费用202.7万元，投资回收期1.8年。因此，在计划采用燃气锅炉供暖地区，应当优先选用燃气氨水吸收式热泵作为全部或基础热源。

3 结论

燃气氨水吸收式风冷热泵具有充分利用冬季空气能，显著减少天然气消耗量的优势，对比燃气热水锅炉，投资回收期不超过两年，节能环保及经济效益显著，可作为冬季燃气锅炉房独立热源或基础热源，在我国北方地区推广应用。