1、燃气热泵系统在学校建筑上的应用分析天津城市建设学院王晶 吕建 香港理工大学杨洪兴 海南元正建筑设计咨询有限公司天津分公司 解群 文摘：探讨了燃气机热泵在一次能源利用率、变负荷特性、环境保护方面的技术特性。结合工程实例，采用层次分析法对燃气机热泵、电驱动热泵、空调器+燃煤锅炉在学校建筑的适用性上进行了评价，结果燃气机热泵的适用性最佳。关键词：燃气热泵；学校；技术性；层次分析法 The Application and Analysis of Gas engine-driven heat pump systemin the school buildingTianjin Institute of Ur2、ban Construction Wang Jing lv Jian The Hong Kong Polytechnic University Yang HongxingHan Nan Yuan Zheng Architectural Design Co., Ltd,Tianjin BranchAbstract: Discussing the energy efficiency, variable load characteristics, environmental protection, technical characteristics about a gas engine-driven3、 heat pump .With the practical examples, using the AHP to evaluate the gas engine-driven heat pump, electric-driven heat pumps, air conditioners + coal-fired boiler which are used in the school building,as a result the gas engine-driven heat pump is the best.Key words: gas engine-driven heat pump; s4、chools; technical; AHP;1引言燃气热泵系统是由两个系统组成:(1)燃气发动机系统，（2）热泵系统，它包括了压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，系统原理图见图1。和一般的电热泵系统的不同之处是多了一套发动机系统，并且该系统可以回收利用尾气热量和发动机缸套释放的废热，其中余热利用率可达80%左右。余热利用一般有两种方式：（1）直接传递给空气或水，然后加热的空气或水被用于冬季的制热过程。（2）热量被传递给水，用来制备热水。从以往所做的燃气热泵系统的研究中发现，以天然气作为燃料的燃气热泵系统，不仅具有环保的特点，而且由于耗电量极少，可以极大的节省电能，减轻夏季用电负担，同时它也比电动5、热泵空调具有更高的效率。只是对燃气热泵系统的分析很少涉足学校类建筑，对这一群体使用该系统的研究和分析几乎没有。本文主要是通过实例来分析燃气热泵系统在学校类建筑上应用的可行性，利用层次分析法综合考虑了技术、经济和环境等方面的因素，来与其他三种冷热源形式作出比较，结果发现燃气热泵系统是较适合用于学校类建筑上的冷热源设备。2燃气热泵系统的技术特点2.1一次能源利用率（PER）一般人们用COP值进行性能比较，在比较中燃气热泵系统回收的余热没有考虑进去，使得其COP值比较低，而余热回收利用恰好是燃气热泵在冬季利用的最大优势。一次能源利用率把该部分热量考虑了进去，可以更好地反映出它的效率。其定义式为：PE6、R=系统制热时消耗的能量/系统的一次能源消耗量在不同的系统中，PER的计算公式如下【1】【2】：燃气热泵系统 PER= 电热泵系统 PER=燃煤锅炉 PER=直燃机溴化锂吸收式热泵 PER=式中：燃气热泵的效率；余热回收率；电厂的发电效率；燃煤锅炉的效率；直燃机溴化锂吸收式热泵的热效率；为了清楚的比较，假定电厂的发电效率为33%，燃煤锅炉的效率为 80%，电热泵的为 3.6，燃气热泵的（余热回收率）、和分别为 0.8、3.6、32%，直燃机溴化锂吸收式热泵的为 90%。通过计算后得出：表1 各系统的一次能源利用率比较系统形式一次能源利用率燃气热泵系统1.69电热泵系统1.18燃煤锅炉0.8直燃7、机溴化锂吸收式热泵0.9从表中可以看出燃气热泵系统的一次能源利用率是最高的。它的PER值是电热泵的1.43倍，燃煤锅炉的2.11倍，直燃机的1.88倍。2.2变负荷特性在学校类建筑中，学校为了学生的发展，一般会安排很多专业教室，比如说书法类教室、美术类教室等，这些教室在空调负荷计算时仍然要考虑进去，但是这些教室的利用率并不高，很多时候是不用的，从而教学楼的空调系统实际上经常在部分负荷条件下运行。燃气热泵系统可以通过改变发动机的转速来适应系统的负荷变化，实现无级调速，并且随着发动机转速的降低，燃气热泵系统的COP值和一次能源利用率均会上升，拥有良好的部分负荷性能。而且从文献2的研究中也可以知道相8、比其他热泵系统，燃气热泵拥有更高的IPLVcop，（部分负荷特性能值 ），部分负荷性能好，可以更好的实现变负荷运行。2.3环境保护方面燃气热泵系统对环境的危害很小。因为天然气是一次能源，其杂质含量极少，和石油、煤相比，造成的污染是最小的，是矿物燃料中最清洁的能源3。以煤的污染物排放量作为基准，把石油、天然气和煤进行比较，从表2中看出天然气对环境的污染程度是最小的。（见表2）表2 不同燃料排放污染物的比较【4】燃料SOxNOxCO2煤100%100%100%石油70%70%80%天然气020%40%60%3应用性分析3.1工程概况该项目为建筑面积6000的某学校的教学楼，其建筑总冷负荷为480K9、W，建筑总热负荷为400KW。利用燃气热泵系统来制热制冷。由于该建筑是学校类建筑，一个主要特点是最冷月和最热月均处于放假期间，运行费用上相比其他类建筑要少很多，并且由于该学校本身就拥有了燃气输送管道，使得燃气热泵系统在初投资上减少一些。该工程在室外安装了6台室外机组，其额定最大制冷能力均为84kw，额定最大制热能力均为95kw。，室内机组共计182台。具体的设备配置见表3。表3设备配置设备型号台数备注CNZP840H16室外机CBNP28FSNQ158室内机CBNP40FSNQ19CDNP45FSNQH5把燃气热泵系统和三种常用的供热制冷系统，即电热泵系统、电空调+锅炉供暖系统、直燃机溴化锂吸10、收式热泵进行比较，得到各个系统在单位面积上的初投资和运行费用。（见表4）表4各个系统单位面积的初投资和运行费得比较单位面积初投资（元/）单位面积运行费用（元/a）燃气热泵系统52222电空调+锅炉供暖系统459.415.5直燃机溴化锂系统483.341.5电热泵系统468.8263.2层次分析法层次分析法是可用于处理复杂的社会、政治、经济、技术等方面的决策问题的多目标决策方法。它的主要思路是：根据问题的性质和要求达到的总目标，把问题按层次进行分解，分成相互联系的有序思路，然后按照问题的结构层次从上而下逐层确定同层次上各元素的相对重要性权重。该方法可将人的主观判断用数量形式表达出来，可用矩阵一致11、性条件来检验人们对某个问题的判断前后是否矛盾，该方法具有坚实的理论基础【5】。本文利用层次分析方法和相关软件，以初投资、运行费用、能源效率和环境影响四个元素来比较燃气热泵系统、电热泵系统、电空调+锅炉供暖系统、溴化锂吸收式热泵，比较他们的各自权重，得出学校类建筑较适合的冷热源方案。3.3计算过程和结果运用层次分析法来分析系统时，可按以下四个步骤进行：（1） 分析系统中个因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构（2） 多同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较的判断矩阵。（3） 由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重。（4） 计算各层元素对系统目标的合成权重，并12、进行总排序。其中在构造判断矩阵时，可以根据本层各个因素对上层某个因素的影响程度的大小，根据一定的比率标度，将这种判断结果定量化，形成了判断矩阵。一般采用19比率标度方法。表5给出了各个标度及其含义。表5 判断矩阵的标度及其含义【5】标度标度的含义1表示两个因素相比，具有同等重要3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2，46，8上述两相邻判断值的中间值倒数因素i与j比较的判断值为，因素j与i比较值根据该表格构造出判断矩阵，然后对判断矩阵进行进行13、检验，看其是否满足一致性。即随机一致性CR小于0.1时，该矩阵具有满意的一致性，否则就要调整矩阵，使之达到满意的一致性。本文根据上述的比例标度构造了判断矩阵，然后利用层次分析法的软件，得到以下结果（见表610）：表6 相对于目标层（学校的空调系统），各个因素两两比较后的判断矩阵及其权重 判断矩阵一致性比例：0.0039; 对总目标的权重：1.0000学校的空调系统初投资运行费用能源效率环境影响Wi初投资1.00003.00001.00002.00000.3512运行费用0.33331.00000.33330.50000.1089能源效率1.00003.00001.00002.00000.35114、2环境影响0.50002.00000.50001.00000.1887表7各个系统相对于初投资比较后的判断矩阵及其权重判断矩阵一致性比例：0.0439; 对总目标的权重：0.3512初投资系统电热泵电空调锅炉系统直燃机溴化锂Wi系统1.00000.50000.25000.33330.0988电热泵2.00001.00000.50002.00000.2601电空调锅炉系统4.00002.00001.00002.00000.4375直燃机溴化锂3.00000.50000.50001.00000.2036表8 各个系统相对于运行费用比较后的判断矩阵及其权重 判断矩阵一致性比例：0.0246; 对总目15、标的权重：0.1089运行费用系统电热泵电空调锅炉系统直燃机溴化锂Wi系统1.00002.00000.50005.00000.2984电热泵0.50001.00000.50004.00000.1996电空调锅炉系统2.00002.00001.00006.00000.4417直燃机溴化锂0.20000.25000.16671.00000.0603表9 各个系统相对于能源效率比较后的判断矩阵及其权重 判断矩阵一致性比例：0.0191; 对总目标的权重：0.3512能源效率系统电热泵电空调锅炉系统直燃机溴化锂Wi系统1.00002.00005.00003.00000.4723电热泵0.50001.016、0004.00002.00000.2854电空调锅炉系统0.20000.25001.00000.33330.0725直燃机溴化锂0.33330.50003.00001.00000.1697表10 各个系统相对于环境影响比较后的判断矩阵及其权重 判断矩阵一致性比例：0.0016; 对总目标的权重：0.1887环境影响系统电热泵电空调锅炉系统溴化锂吸收式Wi系统1.00002.00006.00001.00000.3802电热泵0.50001.00003.00000.50000.1901电空调锅炉系统0.16670.33331.00000.20000.0663直燃机溴化锂1.00002.00005.17、00001.00000.3633结合以上结果，所得到的最终结果从表中11可以看出，在考虑了初投资、运行费用、能源效率和环境影响之后，燃气热泵相对于其他三种系统是更适合的。表11 系统比较的最终结果备选方案权重燃气热泵系统0.3048电热泵系统0.2492电空调+锅炉系统0.2397直燃式溴化锂吸收式热泵0.20625结论以上分析表明，燃气热泵系统与其他三种冷热源形式进行比较具有以下特点： 燃气热泵的COP值虽然不是很高，但是在考虑了余热回收利用后的PER值则明显高于其他的制冷制热系统，从性能上来说是要优越于其他形式。 燃气热泵系统对环境的危害是最小的。虽然电热泵用的是电，似乎并没有对环境造成多18、大影响，但是电厂在用煤发电时所排放的硫化物、氮化物和二氧化碳却对环境有极大的危害。 通过层次分析法的分析，可以看出燃气热泵系统总体上是最有优势的。虽然它的初投资相比其他系统要高，但是综合考虑，它相对于其他几种系统，尤其是对拥有燃气管道的学校类建筑，是较适用的。参考文献：【1】孙志高，郭开华，王如竹，燃气发动机热泵及性能分析，制冷，2006，6，25（2）：30-33.【2】Yang Zhao，Zhao Haibo，Wu Zhiguang，Technical and economic analysia of gas-engine driven heat pump in China,Interna19、tional Journal of Global Energy Issues,2003,3(20):223-232 【3】 马一太，谢英柏，杨昭，张世刚，燃气机热泵变负荷和特性的实验研究，热科学与技术，2003，9，2（3）：199-203.【4】催民选，2007中国能源发展报告，补充出版社所在城市名：北京，社会科学文献出版社，2007.3【5】张蕊, 涂光备,曹国庆，燃气直燃机冷热源的经济性分析，煤气与热力，2005，11，25（11）。【6】何亚伯，张海涛，杨海红，工程经济学，补充出版社所在城市名：北京，机械工业出版社，2008，1.作者简介：王晶(1985- )，女，回族，湖北钟祥人，在读研究生，研究方向为可再生能源应用。E-mail:wangjing20033309联系电话：1502008457通信地址：天津市西青区津静公路26号天津城市建设学院08暖通研邮编：300384