燃气空气源热泵系统的经济热力学研究

黄登捷 刘学来 李永安

山东建筑大学热能工程学院

0 引言

近年来，我国将节能技术作为能源战略发展的优先主题，节能减排是我国能源发展的基本国策，《“十三五”节能环保产业发展规划》指出发展节能环保产业，是培育发展新动能、提高绿色竞争力的巨大举措，是补齐资源环境短板、改善生态环境质量的重要支撑。随着我国能源结构的调整，天然气作为高效节能污染小的一次能源得到大力提倡，以天然气为驱动能源的燃气热泵也得到大量推广与应用。热泵是一种利用低品质热能的高效节能装置，大力的发展热泵技术有利于我国建设资源节约型、环境友好型社会。其中空气源热泵是利用空气作为热泵的低位能源，转化为可利用的高位热能，以达到节约高品位能源目的一种热泵[1]。

本文通过对比研究不同形式的空气源热泵，进行经济热力学分析，为空气源热泵的广泛应用提供理论基础。

1 空气源热泵的热力学分析

热泵系统的能量指标常用制热系数 COP 和一次能源利用率PER 来衡量。

1.1 热泵的制热系数COP

1.1.1 压缩式热泵制热系数

假设压缩机消耗能量为W；蒸发器从空气中吸收热量为Qa。制热系数：

1.1.2 第一类吸收式热泵制热系数

假设发生器消耗驱动热源热量为W；在吸收器中释放热量为Qa；冷凝器中释放热量为Qb；蒸发器从空气中吸收热量为Qc。根据能量守恒，不考虑其他因素的影响，可列出关系式：

制热系数：

在当前技术条件下，压缩式热泵 COP 一般为 3～6 左右，而直燃式吸收式热泵COP 一般为1.3～1.6。虽然从制热系数上看，两种热泵制热量都大于耗功量，但压缩式热泵在提升低品位热量的能力上更强[1]。

1.2 一次能源利用率PER

常用的热泵驱动能源为电力，称为“电驱动热泵”，除了电驱动以外，还可以利用天然气的燃烧热来驱动热泵，称为“热驱动热泵”。为了充分判断热泵的经济性，当采用不同能源驱动热泵时要引用一次能源的比即能源利用系数E来衡量[5]。

对于电驱动压缩式热泵，除了考虑制热系数ε之外，还要考虑所利用的一次能源的转换效率，它包括发电效率η

1、电网输配效率η2，能源利用系数公式：

对于燃气驱动的压缩式热泵来说，由于存在余热回收系统，相对电驱动来说，可以获得更高的能源利用系数。当燃气机效率为η，余热回收效率为α，则能源利用系数：

对于燃气驱动的吸收式热泵来说，当燃烧器热效率为ηs，室外热网输配效率为ηr，则能源利用系数：

具体效率参数见能流图标注。比较结果具体如表1 所示。

表1 不同类型热泵E 值比较

压缩式热泵 COP 取范围内的最小值3，吸收式热泵COP 取范围内最大值1.6。可以发现燃气压缩式热泵的一次能源利用率 1.52 仍高于燃气吸收式热泵的1.47。

2 空气源热泵经济性分析

计算分析模型：济南市某厂办公楼，建筑总面积5000 m2，总热负荷320 kW。

为进行经济性分析，本文提供以下三种方案：

1）方案一：电压缩式空气源热泵供热

2）方案二：燃气压缩式空气源热泵供热

3）方案三：燃气吸收式空气源热泵供热

能源价格按济南市现行收费标准民用电 0.54 元/kWh，天然气3.3 元/m3计算。供暖季取120 d，每日运行时间按20 h 计算。由于不同供暖方式存在差异，为方便比较，运行费用仅计算能源消耗费用，其他影响因素忽略不计。

分析比较三种方案的能耗及投资运行费用，结果如表2 所示。

表2 不同供热方案经济性指标分析

可以看出方案一电压缩式空气源热泵供热初投资更低，但供暖季总运行费用最高。方案二燃气压缩式空气源热泵供热初投资适中，供暖季运行成本最低。方案三燃气吸收式空气源热泵供热初投资最高，且供暖季运行成本高于方案二。方案二经济性更高。

3 结论

1）压缩式热泵制热系数要高于吸收式热泵。对于电压缩式空气源热泵来说，驱动能源电能虽然是二次能源，不是一次能源，但也是由其他一次能源转变而来，转换当中存在损失，相比较燃气驱动的压缩式热泵来说一次能源利用率较低。同为燃气驱动的压缩式和吸收式热泵，压缩式热泵一次能源利用率要高于吸收式热泵。

2）从经济上分析，适当使用电驱动空气源热泵供热有利于充分利用电力资源，减少环境污染，但归根到底电能供热能耗成本高，不适合大规模发展。燃气压缩式热泵与吸收式热泵二者相差不大，热泵工作原理不同，适用场所也有区别，各有优缺点，如何选用可根据当地具体条件决定。