蓝焰高科(天津)燃气技术有限公司

燃气机热泵与电驱动热泵技术经济性实测对比

发表时间:2022-04-26 08:18


1概述

我国能源结构以煤炭为主,占比高达69.3%,能源转换率低,环境污染严重。政府正积极进行能源结构调整,逐步降低煤炭消耗,加速发展清洁能源。随着燃气事业的蓬勃发展,许多城市燃气使用量的季节不平衡性日益凸显。与此同时,电驱动空调的大量使用造成了夏季电力负荷高峰。燃气与电力具有互补性,因此发展燃气空调是提高夏季燃气消耗量,减小电力系统夏季负荷,平衡能源季节分配不均匀的有效措施之一。


燃气内燃机驱动的压缩式热泵(简称燃气机热泵)以小型燃气内燃机取代电动机,驱动空调压缩机进行制冷、制热,最大优势在于供暖期可回收燃气内燃机余热,提升制热能力。


燃气机热泵的研究往往是通过建立模型分析发动机转速、蒸发器和冷凝器进出水温度、室内外温度等参数对机组性能的影响,完善、提升燃气机热泵的运行性能。燃气机热泵性能的实测研究有限,仅有少部分学者实测了燃气机热泵的平均性能系数、一次能源利用率。对燃气机热泵的经济性研究,多集中于气价与电价的模拟比较分析。随着二氧化碳减排压力的日趋严峻,对热泵的碳排放研究也日益引起国内外学者的高度关注。


本文以上海地区某办公建筑为对象,对燃气机热泵、电驱动热泵的运行情况进行实测。分析室外温度、部分负荷率对燃气机热泵、电驱动热泵运行性能的影响,比较二者的经济性、碳排放量。


2项目介绍


测试项目位于上海金山区的某办公楼,总建筑面积为6380 ㎡。选取办公楼的1、2楼使用频率较高、空调面积大致相同的空调区域作为测试区域进行研究。1、2楼测试区域分布分别见图1、2,图中粉色剖面线为测试区域。1楼测试区域采用燃气机热泵,空调面积为316 ㎡。2楼测试区域采用电驱动热泵,空调面积为424 ㎡。

图1 1楼测试区域分布

图2 2楼测试区域分布

数据采集时间为供冷期(2019年5—9月)、供暖期(2019年11月—2020年2月)。办公楼每日8:00—18:00工作,周末、节假日休息。


燃气机热泵空调系统包括1台室外机、13台室内机。采用天花板内置薄型风管式高静压型室内机,性能参数见表1。

表1 燃气机热泵空调系统室内机性能参数


单机额定制冷量/KW

单机额定制热量/WK

数量/台

单机风机电功率/W

2.8

3,0

1

35

4.5

5.6

1

60

5.6

6.3

6

75

7.1

8.0

4

75

11.2

12.0

1

120



电驱动热泵空调系统包括1台室外机、13台室内机。采用天花板内置薄型风管式高静压型室内机,性能参数见表2。

表2 电驱动热泵空调系统室内机性能参数


单机额定制冷量/KW

单机额定制热量/WK

数量/台

单机风机电功率/W

4.5

5.0

4

60

5.6

6.3

4

75

8.0

9.0

3

120

10.0

11.2

2

120



3测量原理及参数

热泵机组的实际制冷量、制热量为各台室内机的制冷量、制热量之和,单室内机的制冷量、制热量重的计算式为:



式中:

Φ——单台室内机的制冷量、制热量,kW

qm——室内机的送风量,kg / s

hs——送风空气比炝,kJ / kg

hr——回风空气比熔,kJ / kg

测量仪器性能参数见表3。送回风空气比熔由送回风空气温度、相对湿度获得。室外空气温度、相对湿度、大气压力由附近气象站获得。每30s采集1次数据。由实测结果可知,在30 s 内,送回风空气温度、送回风空气相对湿度、送风回风管静压、送风量变化不明显。因此,认为以上测量参数在30 s 内保持不变,将30 s 的前1个测点的测量值作为这30 s 的测量结果。1个测试期(即30 s )的耗电量、耗气量由电能表、燃气表的测量结果获得。

表3 测量仪器性能参数


测量仪器

测量参数

量程

分辨率

温度传感器

送回风空气温度

-20~60

0.5

湿度传感器

送回风空气相对湿度

0%~100%

3%

压力传感器

送风回风管静压

-100~100Pa

1Pa

风量罩

送风量

42~4250m3/h

3%

电能表

热泵机组耗电量

0`9999kw·h

1%

燃气表

耗气(天燃气)量

0.06~10.00m3/h

1.5%



部分负荷率β的计算式:

式中:

β——部分负荷率

Φac——热泵机组的实际制冷(热)量,KW

Φrac——热泵机组的额定制冷(热)量,KW


燃气机热泵机组制冷(热)性能系数的计算式为:

式中:

 ——燃气机热泵机组制冷(热)性能系数

t——测量期时间,s,为30s

V——测量期耗气量,m

Hi——天然气低热值,kJ /m3,本文取35310 kJ/m3

Eg——测量期燃气机热泵机组耗电量,kW·h


电驱动热泵机组制冷(热)性能系数的计算式为:

式中:

 ——电驱动热泵机组制冷(热)性能系数

Ee ——测量期电驱动热泵机组耗电量,kW·h


4实测结果与分析

4.1运行性能

由实测结果可知,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组均多运行在低部分负荷率工况,供暖期尤为明显,主要原因为热泵机组选型偏大。


①供冷期


由实测结果可知,当部分负荷率一定时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制冷性能系数均随室外温度的升高而减小。


室外温度为30、32℃时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布分别见图3、4。图3、4为散点图,图中的点划线为轮廓线,图5、6相同。由图3、4可知,在室外温度一定时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制冷性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时,热泵机组的制冷性能系数并不是定值,而是在一定的范围内波动。主要是由于部分负荷率相同时,室内机的开启情况不同。

图3 室外温度为30、32℃时燃气机热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布


图4 室外温度为30、32℃时电驱动热泵机组制冷性能系数在部分负荷率范围的分布

②供暖期


由实测结果可知,当部分负荷率一定时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制热性能系数均随室外温度的升高而增大。


室外温度为6、9℃时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布分别见图5、6。由图5、6可知,在室外温度一定时,燃气机热泵机组、电驱动热泵机组的制热性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时,热泵机组的制热性能系数并不是定值,而是在一定的范围内波动。

图5 室外温度为6、9℃时燃气机热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布


图6 室外温度为6、9℃时电驱动热泵机组制热性能系数在部分负荷率范围的分布


4.2经济性分析

燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期能耗见表4。上海地区分时电价见表5。供冷期:峰时段为8:00—11:00、13:00—15:00、18:00—21:00,平时段为6:00—8:00、11:00—13:00、15:00—18:00、21:00—22:00,谷时段为22:00—次日6:00。供暖期:峰时段为8:00—11:00、18:00—21:00,平时段为6:00—8:00、11:00—18:00、21:00—22:00,谷时段为22:00—次日6:00。上海地区天然气价格见表6,该办公建筑为非全天候用户。

表4 燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期能耗



机组

供冷期耗气量/m3

供冷期耗点量/(KW·h)

供暖期耗气量/m3

供冷期耗电量/(kw·h)

燃气机热泵机组

2541

737

1903

563

电驱动热泵机组

0

8722

0

6039



表5 上海地区分时电价


时段

供冷期电价/

(元·kw-1·h-1)

供暖期电价/(元·kw-1·h-1)

峰时段

0.916

0.888

平时段

0.567

0.538

谷时段

0.213

0.266



表6 上海地区分季天然气价格


时间

4~11月

12~3月

非全天候用户气价/(元·m-3)

3.09

3.29

全天候用户气价/(元·m-3)

2.89

3.09




经计算,燃气机热泵机组的年运行费用为15067

经计算,燃气机热泵机组的年运行费用为15067 元/a,单位空调面积年运行费用为47.7元/(㎡·a)。电驱动热泵机组的年运行费用为11098 元/a,单位空调面积年运行费用为26.2元/(㎡·a)。由计算结果可知,在上海当前的电价、气价条件下,燃气机热泵机组的运行费用比较高。


4.3碳排放

根据《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》,电网二氧化碳平均排放因子取0.7921 kg/(kW·h)。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,天然气的碳排放因子取56.1 kg/GJ。

燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期碳排放量见表7。由表7可知,两种热泵机组二氧化碳年排放量分别为9832.86、11692.19 kg。由此可知,燃气机热泵机组对环境更加友好。

表7 燃气机热泵机组、电驱动热泵机组供冷期、供暖期碳排放量


时间

供冷期

供暖期

燃气机热泵机组碳排放量/Kg

5617.63

4215.23

电驱动热泵机组碳排放量/Kg

6908.70

4783.49



5结论

①燃气机热泵机组、电驱动热泵机组均多运行在低部分负荷率工况,供暖期尤为明显。


②当部分负荷率一定时,两种热泵机组的制冷性能系数均随室外温度的升高而减小,制热性能系数均随室外温度的升高而增大。


③在室外温度一定时,两种热泵机组的制冷性能系数、制热性能系数均随部分负荷率的增大而先增加后减小。在室外温度、部分负荷率一定时,两种热泵机组的制冷性能系数、制热性能系数并不是定值,而是在一定的范围内波动。


④在上海当前的电价、气价条件下,燃气机热泵机组的运行费用比较高。


⑤燃气机热泵机组二氧化碳排放量更低,对环境更加友好。


总的来说,作为一种清洁、环保的能源设备,空气源热泵越来越被政府和行业所认可,一种蓬勃发展的能源设备。燃气机热泵机组与电动热泵机组的区别在于:电驱动热泵机组使用电动马达来驱动,而燃气机热泵机组则使用燃气发动机来驱动燃气机热泵机组室内机及其他操作与电驱动式相同,也没有气体在室内燃烧的现象


空气源热泵机组特别适用于炎热的夏季和寒冷的冬季地区作为能源站制取生活热水。在设备选择和设备性能上,其独特的优势是不可替代的,空气源机组作为一种环保能源设备,具有更广阔的应用空间。


在中国说起空气源燃气机热泵机组,不得不说一下蓝焰高科——国内独家专门从事设计、开发、生产、销售、服务于一体的空气源燃气机热泵(GEHP)冷热水机组的制造商,是燃气机热泵机组行业最具有专业技术研发能力的智力密集型公司。


蓝焰高科是国内唯一一家生产研发压缩式空气源燃气热泵的企业,引领了天然气行业在国内的发展。蓝焰高科于2012年投入对空气源燃气热泵的研发生产,多年来公司通过以燃气为能源的高效、低排放新技术产品研发,引领国内燃气采暖、供热水和燃气空调产业技术与国际接轨,至今生产的燃气机热泵已是第五代机。蓝焰高科的第五代空气源燃气机热泵,集节能、环保、智能于一体,在节能减排、削峰填谷改善天然气能源的双重不平衡供应领域,起到关键的作用目前蓝焰高科在燃气机热泵技术领域达到了领先水平是国内“煤改气”“低氮改造”工程的优选设备



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