燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)在學(xué)校建筑的適用性分析

摘 要

摘要：探討了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)在一次能源利用率、變負(fù)荷特性、環(huán)境保護(hù)方面的技術(shù)特性。結(jié)合工程實(shí)例，采用層次分析法對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵、電空調(diào)+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴
摘要：探討了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)在一次能源利用率、變負(fù)荷特性、環(huán)境保護(hù)方面的技術(shù)特性。結(jié)合工程實(shí)例，采用層次分析法對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵、電空調(diào)+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴化鋰吸收式熱泵在學(xué)校建筑的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的適用性最佳。
關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾C(jī)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?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)組成。和一般的電驅(qū)動(dòng)熱泵的不同之處是多了一套燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，且該系統(tǒng)可以回收利用煙氣余熱和發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻水余熱，余熱利用率可達(dá)80%左右。以天然氣作為燃料的燃?xì)鈾C(jī)熱泵，不僅具有環(huán)保的特點(diǎn)，而且耗電量極少，也比電驅(qū)動(dòng)熱泵具有更高的效率[1、2]。本文結(jié)合工程實(shí)例，分析燃?xì)鈾C(jī)熱泵在學(xué)校類建筑應(yīng)用的可行性，利用層次分析法綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的因素，與其他冷熱源形式進(jìn)行比較。
1 燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
1.1 一次能源利用率
   在各種制熱系統(tǒng)中，一次能源利用率的計(jì)算式
    IPER,g=ηgICPO,hp+α(1-ηg)    (1)
    IPER,e=ηetICOP,e              (2)
    IPER,e=ηb                  (3)
    IPER,L=ηzr                 (4)
式中IPER,g——燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率
    ηg——燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的效率，取0.32
    ICPO,hp——燃?xì)鈾C(jī)熱泵制熱性能系數(shù)，取3.6
    α——余熱回收率，取0.8
    IPER,e——電驅(qū)動(dòng)熱泵的一次能源利用率
    ηet——電廠的發(fā)電效率，取0.33
    ICOP,e——電驅(qū)動(dòng)熱泵的制熱性能系數(shù)，取3.6
    IPER,c——燃煤鍋爐的一次能源利用率
    ηb——燃煤鍋爐的熱效率，取0.8
    IPER,L——直燃式溴化鋰吸收式熱泵的一次能源利用率
    ηzr——直燃式溴化鋰吸收式熱泵的熱效率，取0.9
    由式(1)～(4)計(jì)算可得，4種制熱系統(tǒng)的一次能源利用率(見表1)。由表1可知，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率是最高的，是電驅(qū)動(dòng)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?xì)鈾C(jī)熱泵
1.696
電驅(qū)動(dòng)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(fù)荷特性
    學(xué)校類建筑一般設(shè)有很多專業(yè)教室，如書法類教室、美術(shù)類教室等，這些教室在空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)仍然要考慮進(jìn)去，但是這些教室的利用率并不高，很多時(shí)候是不用的，因此教學(xué)樓的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際上經(jīng)常在部分負(fù)荷條件下運(yùn)行。燃?xì)鈾C(jī)熱泵可以通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速適應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化，擁有良好的部分負(fù)荷性能。相比其他熱泵系統(tǒng)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵擁有更好的部分負(fù)荷特性[4]，部分負(fù)荷性能好，可以更好地實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷運(yùn)行。
1.3 環(huán)境保護(hù)
    由于天然氣的雜質(zhì)含量極少，是礦物燃料中最清潔的能源[5]，因此燃?xì)鈾C(jī)熱泵對(duì)環(huán)境的危害很小。以煤的污染物排放量作為基準(zhǔn)，將煤、石油、天然氣的污染物排放量進(jìn)行比較(見表2[6])。由表2可知，天然氣對(duì)環(huán)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
SOx排放量
NOx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(yīng)用實(shí)例分析
2.1 工程概況
    某學(xué)校的教學(xué)樓建筑面積為6000m2，總冷負(fù)荷為480kW，總熱負(fù)荷為400kW。利用燃?xì)鈾C(jī)熱泵制熱、制冷。該工程在室外安裝了6臺(tái)室外機(jī)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(nèi)機(jī)組共計(jì)182臺(tái)。
    將燃?xì)鈾C(jī)熱泵(方案1)與電驅(qū)動(dòng)熱泵(方案2)、電空調(diào)+燃煤供熱鍋爐(方案3)、直燃式溴化鋰吸收式熱泵(方案4)進(jìn)行比較，得到各方案單位建筑面積造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用(見表3)。
表3 各方案單位建筑面積造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用
方案
單位建筑面積造價(jià)/(元·m-2)
單位面積運(yùn)行費(fèi)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(guān)軟件，以造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、能源效率和環(huán)境影響4個(gè)元素來(lái)比較燃?xì)鈾C(jī)熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵、電空調(diào)+燃煤供熱鍋爐、直燃式溴化鋰吸收式熱泵，得出學(xué)校類建筑較適合的冷熱源方案。
2.3 計(jì)算過程和結(jié)果
    采用層次分析法進(jìn)行分析時(shí)，可按以下4個(gè)步驟進(jìn)行：步驟1：分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)。步驟2：同一層次的各元素關(guān)于上一層中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣。步驟3：由判斷矩陣計(jì)算被比較元素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。步驟4：計(jì)算各層元素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重，并進(jìn)行總排序。
    在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，可以根據(jù)本層各個(gè)因素對(duì)上層某個(gè)因素的影響程度的大小，以及一定的比率標(biāo)度，將這種判斷結(jié)果定量化，形成判斷矩陣。一般采用1～9比率標(biāo)度方法。各個(gè)標(biāo)度及其含義見表4[7]。
表4 判斷矩陣的標(biāo)度及含義[7]
標(biāo)度
標(biāo)度的含義
1
表示兩個(gè)因素相比，同等重要
3
表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要
5
表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要
7
表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要
9
表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素極端重要
2、4、
6、8
上述兩相鄰判斷值的中間值
倒數(shù)
因素i與j比較的判斷值為aij，因素j與i比較值aji=1/aij
   根據(jù)表4構(gòu)造出判斷矩陣，然后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)其是否滿足一致性。即隨機(jī)一致性小于0.1時(shí)，該矩陣具有滿意的一致性，否則就要調(diào)整矩陣，使之達(dá)到滿意的一致性。
   根據(jù)上述的比率標(biāo)度構(gòu)造了判斷矩陣，然后利用層次分析法軟件，得到以下結(jié)果(見表5～9)。結(jié)合表5～9，4個(gè)方案的合成權(quán)重分別為0.3048、0.2492、0.2397、0.2062。在考慮了造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、能源效率和環(huán)境影響后，燃?xì)鈾C(jī)熱泵相對(duì)于其他3個(gè)系統(tǒng)是最適合的。
表5 相對(duì)于目標(biāo)層(空調(diào)系統(tǒng))各個(gè)因素兩兩比較后的判斷矩陣及其權(quán)重
空調(diào)系統(tǒng)
造價(jià)
運(yùn)行費(fèi)用
能源效率
環(huán)境影響
權(quán)重
造價(jià)
1.0000
3.0000
1.0000
2.0000
0.3512
運(yùn)行費(fèi)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(huán)境影響
0.5000
2.0000
0.5000
1.0000
0.1887
表6 各方案相對(duì)于造價(jià)比較后的判斷矩陣及權(quán)重
造價(jià)
方案1
方案2
方案3
方案4
權(quán)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(gè)方案相對(duì)于運(yùn)行費(fèi)用比較后的判斷矩陣及權(quán)重
運(yùn)行費(fèi)用
方案1
方案2
方案3
方案4
權(quán)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(gè)方案相對(duì)于能源效率比較后的判斷矩陣及權(quán)重
能源效率
方案1
方案2
方案3
方案4
權(quán)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(gè)方案相對(duì)于環(huán)境影響比較后的判斷矩陣及權(quán)重
環(huán)境影響
方案1
方案2
方案3
方案4
權(quán)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(jié)論
    ① 燃?xì)鈾C(jī)熱泵制熱時(shí)一次能源系數(shù)明顯高于其他的冷熱源系統(tǒng)。
    ② 燃?xì)鈾C(jī)熱泵對(duì)環(huán)境的危害較小。雖然電驅(qū)動(dòng)熱泵消耗電能，表面上沒有對(duì)環(huán)境造成多大影響，但是電廠在用煤發(fā)電時(shí)排放的硫化物、氮氧化物和二氧化碳卻對(duì)環(huán)境有極大的危害。
    ③ 通過層次分析法的分析，可以看出燃?xì)鈾C(jī)熱泵總體是最有優(yōu)勢(shì)的。雖然它的造價(jià)相比電驅(qū)動(dòng)熱源、電空調(diào)+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(duì)擁有燃?xì)夤艿赖膶W(xué)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(shè)學(xué)院 天津 300384；2.香港理工大學(xué) 香港；3.海南元正建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司天津分公司 天津 300374)