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摘要：针对空调主机的不同类型，在制冷方面，分析了离心式制冷机、燃气溴化锂制冷机的制冷成本和设备投资，得出了电制冷比燃气制冷更经济的结论；在制热方面，分析了风冷热泵、燃气锅炉的制热成本和设备投资，并且对于不同环境温度下的风冷热泵分析了运行成本，得出了在环境温度高于6℃的条件下，风冷热泵比燃气锅炉运行成本更低的结论。
关键词：电制冷，直燃型溴化锂制冷，风冷热泵，燃气锅炉，性能系数，电代气
1、空调主机分类
空调主机的分类，按照驱动能源的形式，一般分为电能、矿物能（煤、油、气等）；按照设备形式来分，制冷方面可分为电制冷（一般为蒸汽压缩式）和热力制冷（一般为吸收式）两种，供热方面，除了传统的热泵和矿物能源外，还有可再生能源（例如太阳能等）。
2、制冷经济性对比
本文仅就常见的蒸汽压缩式制冷机组和吸收式直燃机组进行制冷的经济性对比，并分析电代气的可能性。
下面以离心式冷水机组和直燃型溴化锂冷水机组为例，对电制冷空调主机和燃气制冷空调主机进行初投资、运行成本的对比。
对比的空调主机参数如下：
1）离心式冷水机组：
制冷量：1000冷吨（3517kW）
输入电功率：629.9kW
蒸发器水流量：605.52m3/h
冷凝器水流量：712.08m3/h
冷水进水温度：12℃
冷水出水温度：7℃
机组尺寸：长×宽×高=4340mm×1963mm×2523mm
机组重量：11.8t
2）直燃型溴化锂冷水机组：
制冷量：3489kW（300×104ckal/h，992 USRt）
天然气耗量：198.3Nm3/h（天然气低位热值：11000kcal/Nm3）
电功率：23.1kW（3φ-380V/50Hz）
蒸发器水流量：600 m3/h
冷凝器水流量：849 m3/h
冷水进水温度：12℃
冷水出水温度：7℃
机组尺寸：长×宽×高=6155mm×3390mm×3370mm
机组重量：38.9t（运行重量）
以上两台机组的设备投资和运行经济性对比如下表所示：
表1 电制冷与燃气制冷的设备投资和运行经济性对比表
注：电价：0.75元/kW.h;天然气价：2.03元/Nm3;自来水价：4.5元/t。
从上表可以看出，离心式电制冷机的运行费用为39.34元/GJ，直燃型溴化锂制冷机的运行费用为46.96元/GJ，离心式电制冷机的运行费用更低，而且离心式电制冷机的设备投资也低于直燃型溴化锂制冷机。折合单位供冷量全成本，离心式电制冷机为55.24元/GJ，直燃型溴化锂制冷机为76.82元/GJ，离心式电制冷机比直燃型溴化锂制冷机成本更低。
在夏季制冷方面，电制冷相比较于燃气溴化锂制冷，无论在设备投资方面，还是在运行费用方面，电制冷都更具优势。
3、制热经济性对比
本文仅就常见的燃气锅炉和蒸汽压缩式热泵机组进行制热成本的分析。为了对风冷热泵的制热成本有更深入的分析，加入了空气源热水机组（供生活热水用）进行对比分析。
3.1 燃气锅炉、螺杆式风冷热泵机组与空气源热水机组的制热成本分析。
对比的各机组参数如下：
1）燃气常压热水锅炉：
额定热功率：30×104kcal/h（348.83kW）
20℃温差热水产量：5t/h
天然气消耗量：41.7Nm3/h（天然气低位热值：8000kcal/Nm3）
热效率：＞90%
电功率：0.75kW（220V/50Hz）
锅炉尺寸：长×宽×高=2300mm×1140mm×1270mm
运行重量：2t
2）螺杆式风冷热泵机组：
额定制热量：329kW
压缩机电功率：92.7kW（压缩机输入功率：90.4kW）
制热系数：3.55
冷媒类型：R134a
水流量：61.2m3/h
空气侧换热器：风机个数：6
单风机风量：25050m3/h
单风机功率：2.1kW
热水出水温度：45℃（室外环境温度7/6℃）
外形尺寸：长×宽×高=3930mm×2270mm×2710mm
运行重量：3.9t
3）空气源热水机组
制热量：47kW
额定电功率：10.5kW
性能系数：4.47
出水温度：35-60℃可调（默认55℃）
名义产水量：1.01t/h
额定工况条件，室外环境温度20℃ DB/15℃ WB，进水温度15℃，出水温度55℃。
以上三台机组的设备投资和运行经济性对比如下表所示：
表2 燃气锅炉、螺杆式风冷热泵机组、空气源
热水机组的设备投资和运行经济性对比表
注：电价：0.75元/kW.h;天然气价：2.03元/Nm3;自来水价：4.5元/t。
从上表可以看出，燃气热水锅炉的运行成本为66.45元/GJ，螺杆式风冷热泵机组的运行成本为66.68元/GJ，空气源热水机组的运行成本为46.54元/GJ，螺杆式风冷热泵机组的运行成本与燃气锅炉大致相同，但空气源热水机组的运行成本明显低于燃气热水锅炉。造成这一结果的原因是空气源热水机组的额定运行环境温度（20℃）高于螺杆式风冷热泵机组的额定运行环境温度（6℃）。
为了明确风冷热泵的运行成本，需要进一步分析风冷热泵机组在不同外界环境温度下的运行情况。
3.2 风冷热泵在不同室外环境温度下的运行经济性
当制热温度一定的条件下，风冷热泵在不同的室外环境温度条件下，制热系数有较大变化。随着室外环境温度的降低，制热系数越来越小。
以制冷剂R134a为例，风冷热泵的理论制热循环如下图所示：
1-2：绝热压缩过程；
2-3：冷凝制热过程（有3-5℃的过冷）；
3-4：等焓节流过程；
4-1：蒸发吸热过程。
其中4-1过程对应的是室外环境温度t0，该过程吸收的热量是h1-h4,2-3过程对应的是制热温度tk，该过程放出的热量是h2-h3，热泵循环的制热系数是：
εh=（h2-h3）/（h2-h1）
图1 热泵的理论循环
在冷凝温度为45℃的条件下，对应0-22℃范围内不同的室外环境温度（对应制冷剂的蒸发温度），查得制冷剂为R134a的理论热泵循环各个状态点的热力性质如下表所示：
表3 R134a在不同蒸发温度下的各个状态点的比焓
从上表可以看出，随着蒸发温度的的提高，热泵制热循环的理论制热系数上升明显，蒸发温度22℃对应的制热系数约为蒸发温度0℃对应的制热系数的2倍。
考虑到实际循环与理论循环之间存在许多差别。例如，理论循环中没有考虑到蒸汽过热的影响，没有考虑冷凝器、蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂的流动阻力产生的压力降，实际压缩过程并非等熵过程，系统中存在不凝性气体等，这些因素都影响到循环的性能，最终影响到制热系数。综合考虑以上因素，实际循环的制热系数约为理论循环制热系数的0.5倍。据此，0-22℃范围内不同蒸发温度对应的实际循环的制热系数如下：
表4 不同蒸发温度下的实际制热系数
当蒸发温度为8℃（对应的环境温度为6℃，考虑2℃的换热温差）时，风冷热泵的制热系数为3.5（如表2中风冷螺杆热泵机组的计算结果），风冷热泵的运行费用与燃气锅炉大致相同。
在出水温度为45℃的前提下，当环境温度低于6℃，风冷热泵的制热成本高于燃气锅炉，并且随着环境温度的降低，风冷热泵的制热成本越来越高；当环境温度高于6℃，风冷热泵的制热成本低于燃气锅炉，并且随着环境温度的升高，风冷热泵的制热成本越来越低。
在冬季制热方面，当运行环境温度高于6℃的时候，采用风冷热泵制热，比采用燃气锅炉制热的运行成本更低，具备电代气的可能性；当运行环境温度低于6℃的时候，采用燃气锅炉制热成本更低，不具备电代气的可能性。
4、结论
1）在制冷方面，蒸汽压缩式制冷机组（电制冷）比吸收式制冷机组运行成本更低，设备费用也更低，具备电代气的可能性。
2）在制热方面，当环境温度高于6℃的时候，热泵机组的制热成本比燃气锅炉低；当环境温度低于6℃的时候，热泵机组的制热成本比燃气锅炉高。燃气锅炉的设备成本低于热泵机组。综合考虑，如果作为空调热源使用，北方地区采用燃气锅炉更合适；南方冬季温度常年在6℃以上的地区采用风冷热泵更合适，具备电代气的可能性。
参考文献：
[1]吴业正，制冷原理及设备（第3版）.西安：西安交通大学出版社，2010.12
[2]全国勘察设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处，全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材（第三版）.北京：中国建筑工业出版社，2012.12
论文作者:李明浩1,杨剑蓝1,张映阳1,赵恩兰1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：热泵论文; 机组论文; 成本论文; 环境温度论文; 制冷机论文; 温度论文; 系数论文; 《电力设备》2018年第30期论文;