浅谈建筑空调能耗形式的发展

摘要：提出电力紧缺城市的空调能耗问题解决方式，转变空调系统采用二次能源的传统观念，直接使用一次能源，减少能量转换过程中的能量损失，提出天然气发动机直驱空调概念，并对该空调形式进行技术经济分析，对其工程实用性进行了可行性研究，展望该空调形式的美好愿景。

关键词：天然气空调制冷 发动机直驱空调

中图分类号：U473文献标识码： A

引言

近几年来，建筑行业得到了飞速发展，随着人们生活水平的不断提高，人们对于建筑的要求也是越来越具体越来越高。建筑暖通工程作为建筑工程后期工作中重要环节是值得我们高度重视的，尤其是近年来，建筑能耗过高造成的能源紧张的问题受到全球的高度关注，所以建筑节能也是势在必行。在建筑暖通工程中，节能技术的应用其实是实现节能目的的重要手段，所以在具体的建筑设计中要充分考虑建筑暖通节能的要求，合理运用节能技术，从而使得建筑工程更好的满足人们的需求和社会的需求。

一、建筑空调发展概述

空调是当前工业与民用建筑用于环境控制的基本设备，在给人们带来舒适环境的同时，也带来了严重的能耗问题。据统计2013年夏季空调负荷占城市总用电量的三成以上，空调能耗已经成为影响城市电网用电的最大因素。随着城市的发展和人们舒适度要求的提高，夏季城市电网的压力必将会越来越大。这令我们不得不对空调的发展前景产生忧虑。如何解决人们对空调能耗需求越来越大与当今国内日益严峻的电力供应不足之间的尖锐矛盾呢？这个问题的解决无非是开源节流的问题，我们可以从以下两个方面入手进行探讨：降低现有类型空调的能耗，通过使单位冷量的空调耗电量降低来减少能源消耗；探索新的能源消耗方式，寻找一种不同于电能的新的能源，并且这种能源丰富，供应方便，经济实用，技术成熟。第一种方法是国家，空调行业一直在努力追求的，在大的技术革命出现以前收效较为有限，我们重点在第二种方法上进行探讨。

一种新能源的使用需要有成熟稳定的供应方式方可实现可靠的使用，对于当前比较且已经具备成熟市政供应体系的能源形式，除了电能我们首先想到的是管道天然气，那么我们根据蓝海革新思想，即不通过大的技术革命而是开拓新的市场需求的方式来研究燃气能源用于空调技术，现在我们要对这种构想进行可行性研究：技术分析、经济可行性分析和环境影响分析。

二、燃气应用于空调的技术分析

对于天然气能源与空调制冷的对接，比较容易实现的有如下三种方式：①天然气通过发电机发电，电能驱动现有的蒸汽压缩式制冷空调系统；②天然气通过燃气发动机，输出轴功带动空调压缩机运转，同样实现蒸汽压缩式制冷空气调节，本文定义为天然气发动机直驱空调；③天然气燃烧发热，通过热力带动溴化锂吸收式制冷空调系统。具体采用哪种方式更加高效和合理呢？下面我们通过分析比较来进行优选。

方式1：

当前天然气发动机的热效率是需要考察的因素，当排气为298K时发动机的热效率为70.19%，当排气温度为970K时发动机热效率为40.64%，但我们很难做到排气温度为298K，此温度已经是标准室内工况温度，故我们取实际可行的排气温度970K时的热效率作为计算依据，对单位热能消耗情况下制得冷量计算如下

q冷=E0×ζ1×η×η'×COP

=1J×40.63%×0.75×0.77×2.364

=0.555J

其中：q冷为制得冷量

E0为基本热能消耗，本文全部暂定为1J

ζ1燃气发动机热效率，按照970K排气温度计算，取值40.63%

η为发电机效率，较大型发电机可达到90%，小型70%，我们取值77%以适合实际应用的规模

η'为空调压缩机电机的机械效率

COP为蒸汽压缩式制冷一般制冷系数

方式2：

q冷=E0×ζ1×COP

=1J×40.63%×2.364

=0.960J

方式3：

q冷=E0×COP吸

=1J×0.713

=0.713J

其中：COP吸为溴化锂吸收式制冷一般制冷系数

通过以上计算，消耗同等热量（同等燃料消耗）的情况下，第二种制冷方式 制得的冷量最多，故第二种制冷方式使我们应该优先发展的能效较高的制冷模式，由于发动机运转可能带来一些振动和噪音问题，故本方式宜采用小区集中制冷，分户供应的方式来解决，同时以冷水作为冷量的载体，使用比较安全。

三、燃气应用于空调的经济性分析

既然技术可行，那么经济性分析将决定该制冷方式的使用前景，当前天然气的入户价格是2.2元/m³，民用电的价格是0.52元/度，同样一元钱，使用发动机带动空调运转与使用电力带动空调运转的效益分析计算如下：

1.单位经济投入（1元）情况下，天然气制冷量计算

Q冷气= Vq q冷

=8.7×107J/m³×1元÷2.2元/m³×0.960J/J

=38.0×106J

2. 单位经济投入（1元）情况下，电力制冷量计算

Q冷电=E×η'×COP

=3.6×106J/度×1元÷0.52元/度×0.77×2.364

=12.6×106J

对比效益：Q冷气/Q冷电=3.0

比较如上结果，在同等为1元人民币的能源消耗下，采用天然气发动机直驱空调制得冷量是电力驱动空调器的3倍，此处电价采用住宅电价（0.52元/度），如果是商业建筑采用商业电价（0.76元/度），采用天然气发动机直驱空调制得冷量是电力驱动空调器的4.5倍，显而易见是天然气发动机直驱空调的经济效益更好。

四、燃气应用于空调进行环境影响分析

电能属于二次能源，主要是火力发电，火力发电对环境的影响不容小觑，火力发电污染物排放主要是二氧化硫、氮氧化物和粉尘对空气的污染。现在国际上都倡导脱硫，但是即便通过了脱硫塔，烟气中的二氧化硫还是在300mg/Nm³左右。(Nm³是标准立方米。)而国内的脱硝产业才起步，装有整套脱硝设备的不多，所以烟气中的氮氧化物含量可高达2000～3000mg/Nm³，这还是在煤质很好的情况下。二氧化硫、氮氧化物主要是形成酸雨酸雾。以上主要是运行中对大气的污染；另外污水、固体废物也有。除了大气污染外，电厂运行时候的噪声污染也是很大的。当然，平时远离电厂对这些没什么感觉。

天然气是清洁能源，主要成分是甲烷（CH4)，燃烧产物是水和二氧化碳，无污染，同时利用发动机废热还可以生产热水作为副产品，产生额外的效益，同时冷却的了发动机，一举两得。天然气属于一次能源，天然气作为燃料其特点是热值高，使用方便，控制简单，便于输送，在许多情况下燃烧热效率高，燃烧产物不污染环境等。因此被视作清洁能源。煤炭和石油在燃烧过程中向大气中排放出大量高浓度的污染物，而天然气的污染物排放量仅为煤和石油的十分之几甚至千分之几，含硫量低，且仅有NOX和SOX和颗粒物等少数污染物。因此天然气被用于多个领域，并且逐步取代煤、石油等能源燃料。

电能在生产过程中(水力、风力等发电除外)，如煤、油发电，会造成大量的运输及烟尘排放，天然气的使用会相应减少运输量及环境的污染。天然气相对于电能在环境影响方面有较大优势。

五、燃气应用于空调进行安全性分析

天然气的进户系统采用钢制管道输送(软连接管除外)，从强度的安全性考虑是有保证的，且管道安装过程中要经过严格的气密性实验，以保证管道零泄漏。目前市场上出现一种漏气保护装置，使用户很容易知道管道上阀门及灶具的关闭程度。住宅配电线路上设有过流保护器，电源插座上设有电源指示灯等，室内供电系统安全性也是比较高的。但两中能源的供应系统都存在局部老化问题，如天然气进灶前胶管由于长期使用导致的老化，供电线缆因受热导致的老化等，但这些问题都可以通过用户经常检查，遇到老化问题及时更换得以解决。因此，两种能源在使用上都是安全的。

结束语

综合以上分析，以天然气为能源，以发动机带动压缩机的直驱制冷空调在未来的建筑空调领域有良好的发展前景，尤其是在电力供应紧张的地区，天然气发动机直驱空调更是建筑空调的有力发展方向。

参考文献

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吴叶正，韩宝琦。《制冷原理及设备》。西安交通大学出版社，1997

戴恩贤，张新铭。《火电厂对生态环境影响的总体评价》。重庆大学

王续瑛。《天然气应用对环境影响的探讨》。科技向导，2012