1 前言
1．1能源利用與大氣污染問題
近20多年來，我國工業化發展較快，燃料消耗急劇增加，大氣污染比較嚴重。根據國家環境監測結果，全國廢氣中主要污染物為二氧化硫、煙塵和粉塵，因此，改善能源結構，提高大氣質量是一項重要的環保任務。
我國大氣污染的特點主要是由能源結構決定的，屬于煤煙型污染。我國能源結構中有7496是由煤為原料組成的，全國發電量的80％為燃煤發電。煤過量使用帶來的環境污染不言而喻，煤煙塵中主要成分是二氧化碳和二氧化硫。環境污染已經成為制約我國經濟發展的主要問題，能源結構調整迫在眉睫。
1．2能源利用結構現狀
隨著我國經濟的發展，人民生活水平提高，以及全球變暖的氣候影響，我國制冷市場需求快速提高。現階段制冷的主要能源為電力，燃料油和天然氣只占很小比例。
電空調是一種高能耗設備，夏季空調負荷占夏季電力總負荷的40％，而且是負荷非均衡性的能耗設備，是造成電力供應季節峰谷差的主要原因。國家不得不花巨資建設大批調峰機組、調峰電站，但仍無法確保不斷猛增的用電高峰負荷，夏季頻頻出現用電高峰期設備過載、掉閘斷電現象，同時必須面對電網安全問題和供電成本增加的問題。
北京市的天然氣應用近年取得了飛速的發展，為提高首都居民生活水平、改善首都大氣環境、促進北京申奧成功做出了巨大的貢獻。但仔細分析北京市天然氣供應量的分布，冬季采暖用氣量非常大，而夏季制冷用氣始終保持在一個很低的水平，冬夏季均日用氣量相差7～8倍。為此需投巨資建設調峰儲氣庫，且天然氣輸配管網和設施必須按最大供應能力建設，這樣當夏季供氣低谷時必然造成管網資源的閑置和浪費。
通過以上分析可以看出，燃氣與電力都存在峰谷差的難題，但是燃氣峰谷與電力峰谷有極大的互補性，夏季是燃氣使用的低谷，卻是電力負荷的高峰期，燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，實現資源的充分和均衡利用。
燃氣熱泵(GHP)也稱熱泵式燃氣空調，是天然氣用于中小型建筑物制冷和供暖的一種新的形式。
2 燃氣熱泵(GHP)系統介紹
2．1燃氣制冷系統分類
燃氣制冷系統按工作原理主要分為吸收式和壓縮式，目前利用天然氣進行制冷的系統主要有三種：利用天然氣燃燒產生熱量的吸收式冷熱水機組(直燃機)、利用天然氣燃燒余熱的吸收式冷熱水機組(對接式直燃機)和利用天然氣發動機驅動的壓縮式制冷供暖機組(燃氣熱泵)。其中直燃機一般應用于2萬平米以上的大型建筑，對接式直燃機更是應用于大型冷熱電三聯供系統，而燃氣熱泵可以靈活應用于中小型建筑物，以燃氣作為能源提供制冷和供暖。
2．2燃氣熱泵原理
圖2—1熱泵循環原理圖
燃氣熱泵(GHP)系統從其設備組成上來說主要分為室外機、室內機、冷媒連接管路、冷凝水管路、燃氣供應系統、電力供應系統和控制線路系統。其中室外機內的燃氣發動機是整個系統的心臟部分。
圖2—2 GHP系統構成示意圖
在北京市燃氣集團公司的大力支持下，北京市燃氣工程設計公司與日本洋馬能源系統株式會社合作在北京地區選取石景山區七星園小區內一棟600平米的辦公樓進行GHP工程試點，跟蹤GHP系統運行狀態，收集數據資料，對GHP系統制冷供暖與其他制冷供暖方式進行技術經濟比較，綜合評估實際效果，論證潛在用戶數量，并進行設備引進及設備國產化研究。
示范工程于2002年6月10日開始進行設備安裝，6月19日系統試運轉成功；2002年7月16日GHP系統正式開通運行至今。示范項目取得圓滿成功，制冷供暖效果良好并引起了社會各界的廣泛關注。
4 技術分析
4．1 GHP系統的特點
4．1．1優化能源利用結構
燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，緩解夏季用電高峰，提高燃氣管網利用率，實現資源的充分和均衡利用。
4．1．2使用一套系統解決夏季制冷和冬季供暖
GHP系統可以在供暖的熱泵循環中有效利用燃氣發動機排出的熱量和發動機冷卻水系統的熱量，使GHP系統的供暖能力受室外溫度影響小(-15℃以上供暖能力不受影響)，可適用于更低的環境溫度；同時無需除霜，在寒冷地區可快速啟動，具有電空調無法比擬的供暖優勢。
4．1．3環保性能優異
我國燃煤發電量占總發電量的80％以上，因此電力并不能算做真正意義上的清潔能源，GHP系統以天然氣、城市煤氣、液化石油氣等燃氣作為能源，是真正清潔的一次能源；設備運轉低排放，低噪音，低振動；冷媒使用環保新冷媒R407C，對大氣臭氧層無破壞作用。
4．1．4更大的空調穩定性和舒適性
以燃氣發動機為動力，可根據制冷供暖時的負荷變化，電腦控制無級變速調節發動機轉速以控制壓縮機轉速，保持室內溫度更加穩定、舒適。
4．1．5室外機室內機搭配靈活
GHP系統的室外機有28～56KW多種規格，室內機也有壁掛式、吸頂式、嵌入式、落地式等不同功率的多種規格，一臺室外機最多可帶20臺室內機。因此，可根據建筑物的不同規模和功能靈活搭配GHP室外機和室內機，按不同區域構成相互獨立又相互聯系的系統，滿足不同的負荷需求。
4．2技術成熟性
日本是世界上GHP系統應用最廣泛的發達國家。20世紀80年代，隨著日本電力需求激增和第二次燃油危機的爆發，日本政府出臺了新能源政策，推進能源利用的多樣化和均衡化，鼓勵利用海上進口的天然氣作為能源。1980年到1987年是GHP技術的研制階段，1987年開始市場銷售，1988年銷售10322臺，到2001年年銷量已達到46274臺，累計銷量約45萬臺，廣泛應用于商場、賓館、辦公樓、娛樂場所、醫院、集體宿舍、別墅、學校等場所。經過20多年的研究和發展，GHP技術已經是一項十分成熟的技術。
4．3技術適用性
經過我們對北京試驗項目GHP系統實際運行狀態和運行數據的研究，GHP系統在北京市的氣候、環境、天然氣氣質等條件下制冷和供暖運轉十分正常，用戶對使用效果非常滿意，廢氣排放、噪音和震動等指標完全符合我國相關法規和規定的要求，適合在北京地區和全國范圍內推廣。
5 經濟分析
下面以所進行示范項目的建筑物作為模型，進行幾種制冷供暖方式應用于中小型建筑的方案比較。
5．1參數說明
該建筑是位于北京市石景山區七星園小區的三層辦公樓，建筑面積為600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。該建筑用途為辦公用房，根據國家標準單位建筑面積制冷負荷選取100w／m2，建筑總冷負荷約為60Kw；單位建筑面積供暖負荷選取為60w／m2，建筑總熱負荷約為36 Kw。北京市天然氣熱值按8300kcal／Nm3計算，天然氣價格按供暖1．90元／m3，制冷1．70元／m3，電價按平均0．633元／Kwh計算。
各方案一次性投資詳見附表一，運行費用詳見附表二。
5．2燃氣熱泵(QHP)系統制冷供暖(方案一)
5．2．1一次性投資
GHP系統由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成。配套燃氣系統接自其樓內原有低壓(2KPa)天然氣管線，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計GHP系統施工安裝費用和配套燃氣、電力系統投資。
該建筑辦公室面積小數量多，因此GHP系統室內機數量較多，導致單位建筑面積投資額較高；若建筑物的開間大、布局合理，單位建筑面積投資額可降至約600元／m2。
5．2．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算，能耗指標為試驗所得數據。
5．3電力中央空調(EHP)系統制冷供暖(方案二)
5．3．1一次性投資
EHP系統同樣由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成，設備型號規格與GHP系統相同。電力系統接至其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計EHP系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．3．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。
5．4直燃機系統制冷供暖(方案三)
5．4．1一次性投資
采用直燃機需在建筑物周圍建設直燃機房，設15萬大卡／小時直燃機1臺，且直燃機的燃燒機使用5～15KPa天然氣氣源，需建設天然氣調壓設施。
本方案投資未計直燃機系統施工安裝費用和配套燃氣管道投資。
5．4．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。
直燃機房需1人值班，工資按20元／天計算。
5．5電力分體空調制冷畸用鍋爐房供暖(方案四)
5．5．1一次性投資
此方案為近階段北京地區中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，在建筑物周圍投資建設專用鍋爐房，設42Kw燃氣熱水鍋爐(北京地區已禁止使用燃煤鍋爐)進行冬季供暖，燃氣系統接自其樓內原有低壓(2KPa)天然氣管線，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．5．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行24小時計算。
鍋爐房需1人值班，工資按20元／天計算。
5．6電力分體空調制冷+熱網集中供暖(方案五)
5．6．1一次性投資
此方案需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，接入城市熱網進行冬季供暖，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．6．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖費按24元／m2計算。
5．7方案比較
5．7．1費用年值法
下面采用費用年值法對各方案進行經濟比較。所謂費用年值法，就是將方案在規定的標準補償年限內，將年費用加以比較，年費用應是補償期內年平均投資和年運行費用之和。
其數學表達式為：
式中：C——系統的年運行費用(元／年)；
K——制冷、供暖系統的投資額(元)：
X——投資效果系統(1／年)；且
其中：i——部門內部的標準收益率。對公用設施取投資利息；對住戶自購的設備取儲蓄利息；
m——設備使用年限。
5．7．2費用年值比較
各方案費用年值詳見附表三。
通過比較可以看出，對于600m2的辦公樓來說，分體電空調加集中供暖(方案五)費用年值最低，但在不具備集中供暖條件的情況下，燃氣熱泵系統(方案一)從經濟性比較為最佳方案，其費用年值比電力中央空調低9％，比直燃機低16％，比分體電空調加專用鍋爐房低28％。
正是燃氣熱泵(GHP)系統的以下特點，決定了其在經濟性上的優勢：
1)放在樓頂或室外空地，不用專門設置機房，節省占地和投資；
2)自動運行，無需專人值守，節省人工成本；
3)高效節能，運行費用最低。
6 結論
6．1技術可行
燃氣熱泵系統在設備技術上已趨向成熟穩定，完全適應北京地區的氣候、環境、天然氣氣質，設備推廣具備技術可行性。
6．2經濟可行
對于中小型公共建筑物，在不具備集中供暖條件的情況下，采用燃氣熱泵系統費用年值最低，而且不必建機房，無需專人值守，可以節省機房占地和人員管理，提高綜合效益。
參考文獻：
《燃氣空調，重塑中國能源》 唐登平
《多種能源供暖的經濟分析》 張治江 王 圣 劉龍河
1．1能源利用與大氣污染問題
近20多年來，我國工業化發展較快，燃料消耗急劇增加，大氣污染比較嚴重。根據國家環境監測結果，全國廢氣中主要污染物為二氧化硫、煙塵和粉塵，因此，改善能源結構，提高大氣質量是一項重要的環保任務。
我國大氣污染的特點主要是由能源結構決定的，屬于煤煙型污染。我國能源結構中有7496是由煤為原料組成的，全國發電量的80％為燃煤發電。煤過量使用帶來的環境污染不言而喻，煤煙塵中主要成分是二氧化碳和二氧化硫。環境污染已經成為制約我國經濟發展的主要問題，能源結構調整迫在眉睫。
1．2能源利用結構現狀
隨著我國經濟的發展，人民生活水平提高，以及全球變暖的氣候影響，我國制冷市場需求快速提高。現階段制冷的主要能源為電力，燃料油和天然氣只占很小比例。
電空調是一種高能耗設備，夏季空調負荷占夏季電力總負荷的40％，而且是負荷非均衡性的能耗設備，是造成電力供應季節峰谷差的主要原因。國家不得不花巨資建設大批調峰機組、調峰電站，但仍無法確保不斷猛增的用電高峰負荷，夏季頻頻出現用電高峰期設備過載、掉閘斷電現象，同時必須面對電網安全問題和供電成本增加的問題。
北京市的天然氣應用近年取得了飛速的發展，為提高首都居民生活水平、改善首都大氣環境、促進北京申奧成功做出了巨大的貢獻。但仔細分析北京市天然氣供應量的分布，冬季采暖用氣量非常大，而夏季制冷用氣始終保持在一個很低的水平，冬夏季均日用氣量相差7～8倍。為此需投巨資建設調峰儲氣庫，且天然氣輸配管網和設施必須按最大供應能力建設，這樣當夏季供氣低谷時必然造成管網資源的閑置和浪費。
通過以上分析可以看出，燃氣與電力都存在峰谷差的難題，但是燃氣峰谷與電力峰谷有極大的互補性，夏季是燃氣使用的低谷，卻是電力負荷的高峰期，燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，實現資源的充分和均衡利用。
燃氣熱泵(GHP)也稱熱泵式燃氣空調，是天然氣用于中小型建筑物制冷和供暖的一種新的形式。
2 燃氣熱泵(GHP)系統介紹
2．1燃氣制冷系統分類
燃氣制冷系統按工作原理主要分為吸收式和壓縮式，目前利用天然氣進行制冷的系統主要有三種：利用天然氣燃燒產生熱量的吸收式冷熱水機組(直燃機)、利用天然氣燃燒余熱的吸收式冷熱水機組(對接式直燃機)和利用天然氣發動機驅動的壓縮式制冷供暖機組(燃氣熱泵)。其中直燃機一般應用于2萬平米以上的大型建筑，對接式直燃機更是應用于大型冷熱電三聯供系統，而燃氣熱泵可以靈活應用于中小型建筑物，以燃氣作為能源提供制冷和供暖。
2．2燃氣熱泵原理
圖2—1熱泵循環原理圖
燃氣熱泵(GHP)系統從其設備組成上來說主要分為室外機、室內機、冷媒連接管路、冷凝水管路、燃氣供應系統、電力供應系統和控制線路系統。其中室外機內的燃氣發動機是整個系統的心臟部分。
圖2—2 GHP系統構成示意圖
在北京市燃氣集團公司的大力支持下，北京市燃氣工程設計公司與日本洋馬能源系統株式會社合作在北京地區選取石景山區七星園小區內一棟600平米的辦公樓進行GHP工程試點，跟蹤GHP系統運行狀態，收集數據資料，對GHP系統制冷供暖與其他制冷供暖方式進行技術經濟比較，綜合評估實際效果，論證潛在用戶數量，并進行設備引進及設備國產化研究。
示范工程于2002年6月10日開始進行設備安裝，6月19日系統試運轉成功；2002年7月16日GHP系統正式開通運行至今。示范項目取得圓滿成功，制冷供暖效果良好并引起了社會各界的廣泛關注。
4 技術分析
4．1 GHP系統的特點
4．1．1優化能源利用結構
燃氣制冷可降低電網夏季高峰負荷，填補燃氣夏季用氣量低谷，緩解夏季用電高峰，提高燃氣管網利用率，實現資源的充分和均衡利用。
4．1．2使用一套系統解決夏季制冷和冬季供暖
GHP系統可以在供暖的熱泵循環中有效利用燃氣發動機排出的熱量和發動機冷卻水系統的熱量，使GHP系統的供暖能力受室外溫度影響小(-15℃以上供暖能力不受影響)，可適用于更低的環境溫度；同時無需除霜，在寒冷地區可快速啟動，具有電空調無法比擬的供暖優勢。
4．1．3環保性能優異
我國燃煤發電量占總發電量的80％以上，因此電力并不能算做真正意義上的清潔能源，GHP系統以天然氣、城市煤氣、液化石油氣等燃氣作為能源，是真正清潔的一次能源；設備運轉低排放，低噪音，低振動；冷媒使用環保新冷媒R407C，對大氣臭氧層無破壞作用。
4．1．4更大的空調穩定性和舒適性
以燃氣發動機為動力，可根據制冷供暖時的負荷變化，電腦控制無級變速調節發動機轉速以控制壓縮機轉速，保持室內溫度更加穩定、舒適。
4．1．5室外機室內機搭配靈活
GHP系統的室外機有28～56KW多種規格，室內機也有壁掛式、吸頂式、嵌入式、落地式等不同功率的多種規格，一臺室外機最多可帶20臺室內機。因此，可根據建筑物的不同規模和功能靈活搭配GHP室外機和室內機，按不同區域構成相互獨立又相互聯系的系統，滿足不同的負荷需求。
4．2技術成熟性
日本是世界上GHP系統應用最廣泛的發達國家。20世紀80年代，隨著日本電力需求激增和第二次燃油危機的爆發，日本政府出臺了新能源政策，推進能源利用的多樣化和均衡化，鼓勵利用海上進口的天然氣作為能源。1980年到1987年是GHP技術的研制階段，1987年開始市場銷售，1988年銷售10322臺，到2001年年銷量已達到46274臺，累計銷量約45萬臺，廣泛應用于商場、賓館、辦公樓、娛樂場所、醫院、集體宿舍、別墅、學校等場所。經過20多年的研究和發展，GHP技術已經是一項十分成熟的技術。
4．3技術適用性
經過我們對北京試驗項目GHP系統實際運行狀態和運行數據的研究，GHP系統在北京市的氣候、環境、天然氣氣質等條件下制冷和供暖運轉十分正常，用戶對使用效果非常滿意，廢氣排放、噪音和震動等指標完全符合我國相關法規和規定的要求，適合在北京地區和全國范圍內推廣。
5 經濟分析
下面以所進行示范項目的建筑物作為模型，進行幾種制冷供暖方式應用于中小型建筑的方案比較。
5．1參數說明
該建筑是位于北京市石景山區七星園小區的三層辦公樓，建筑面積為600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。該建筑用途為辦公用房，根據國家標準單位建筑面積制冷負荷選取100w／m2，建筑總冷負荷約為60Kw；單位建筑面積供暖負荷選取為60w／m2，建筑總熱負荷約為36 Kw。北京市天然氣熱值按8300kcal／Nm3計算，天然氣價格按供暖1．90元／m3，制冷1．70元／m3，電價按平均0．633元／Kwh計算。
各方案一次性投資詳見附表一，運行費用詳見附表二。
5．2燃氣熱泵(QHP)系統制冷供暖(方案一)
5．2．1一次性投資
GHP系統由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成。配套燃氣系統接自其樓內原有低壓(2KPa)天然氣管線，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計GHP系統施工安裝費用和配套燃氣、電力系統投資。
該建筑辦公室面積小數量多，因此GHP系統室內機數量較多，導致單位建筑面積投資額較高；若建筑物的開間大、布局合理，單位建筑面積投資額可降至約600元／m2。
5．2．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算，能耗指標為試驗所得數據。
5．3電力中央空調(EHP)系統制冷供暖(方案二)
5．3．1一次性投資
EHP系統同樣由2臺室外機和20臺室內機及連接、控制管路組成，設備型號規格與GHP系統相同。電力系統接至其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計EHP系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．3．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。
5．4直燃機系統制冷供暖(方案三)
5．4．1一次性投資
采用直燃機需在建筑物周圍建設直燃機房，設15萬大卡／小時直燃機1臺，且直燃機的燃燒機使用5～15KPa天然氣氣源，需建設天然氣調壓設施。
本方案投資未計直燃機系統施工安裝費用和配套燃氣管道投資。
5．4．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行10小時計算。
直燃機房需1人值班，工資按20元／天計算。
5．5電力分體空調制冷畸用鍋爐房供暖(方案四)
5．5．1一次性投資
此方案為近階段北京地區中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，在建筑物周圍投資建設專用鍋爐房，設42Kw燃氣熱水鍋爐(北京地區已禁止使用燃煤鍋爐)進行冬季供暖，燃氣系統接自其樓內原有低壓(2KPa)天然氣管線，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．5．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖按采暖期129天，每天運行24小時計算。
鍋爐房需1人值班，工資按20元／天計算。
5．6電力分體空調制冷+熱網集中供暖(方案五)
5．6．1一次性投資
此方案需購置安裝20臺電空調設備進行夏季制冷，接入城市熱網進行冬季供暖，電力系統接自其樓內原有配電箱220V電源。
本方案投資未計系統施工安裝費用和配套電力系統增容等投資。
5．6．2運行費用
夏季制冷按制冷期120天，每天運行10小時計算，冬季采暖費按24元／m2計算。
5．7方案比較
5．7．1費用年值法
下面采用費用年值法對各方案進行經濟比較。所謂費用年值法，就是將方案在規定的標準補償年限內，將年費用加以比較，年費用應是補償期內年平均投資和年運行費用之和。
其數學表達式為：
式中：C——系統的年運行費用(元／年)；
K——制冷、供暖系統的投資額(元)：
X——投資效果系統(1／年)；且
其中：i——部門內部的標準收益率。對公用設施取投資利息；對住戶自購的設備取儲蓄利息；
m——設備使用年限。
5．7．2費用年值比較
各方案費用年值詳見附表三。
通過比較可以看出，對于600m2的辦公樓來說，分體電空調加集中供暖(方案五)費用年值最低，但在不具備集中供暖條件的情況下，燃氣熱泵系統(方案一)從經濟性比較為最佳方案，其費用年值比電力中央空調低9％，比直燃機低16％，比分體電空調加專用鍋爐房低28％。
正是燃氣熱泵(GHP)系統的以下特點，決定了其在經濟性上的優勢：
1)放在樓頂或室外空地，不用專門設置機房，節省占地和投資；
2)自動運行，無需專人值守，節省人工成本；
3)高效節能，運行費用最低。
6 結論
6．1技術可行
燃氣熱泵系統在設備技術上已趨向成熟穩定，完全適應北京地區的氣候、環境、天然氣氣質，設備推廣具備技術可行性。
6．2經濟可行
對于中小型公共建筑物，在不具備集中供暖條件的情況下，采用燃氣熱泵系統費用年值最低，而且不必建機房，無需專人值守，可以節省機房占地和人員管理，提高綜合效益。
參考文獻：
《燃氣空調，重塑中國能源》 唐登平
《多種能源供暖的經濟分析》 張治江 王 圣 劉龍河
