谈谈天然气在城市供暖中的应用工程

我国天然气开发和建筑的快速进展，使得城市大量使用天然气的条件逐渐成熟，天然气在大城市，尤其是在供暖空调领域的广泛利用的春天已经到来。

一、天然气在供暖领域的应用形式

1.燃气锅炉

对于燃气锅炉，天然气燃烧产生的热量直接用于供暖，是最简单的一种供热方式。从规模一来看，这种供暖方式包括用于一家一户的家用燃气炉，一幢楼或一个小区的小型燃气锅炉以及用于大片面积供热的区域性燃气锅炉。

（1）家用燃气炉，这是目前应用较为广泛的一种天然气供暖方式，通常设置于厨房或阳台，配有先进的电子点火控制、安全保护和温度调节等系统，操作简单，调节灵活，还能同时满足生活热水需求。但是，由于是分散燃烧，会影响社区的空气品质，同时也存在燃气泄漏、燃烧故障甚至发生爆炸等安全性问题。

（2）小型燃气锅炉，实际上是一种规模较小的燃气集中供热系统，在用户附近设置统一的燃气锅炉，向各用户房间提供供暖热水。这种供暖系统一般用于一幢商业建筑或办公楼。由于将用户热源集中为一个，便于管理，提高了安全性，对用户空气的污染问题也相应减轻。但需要增设锅炉房和管网。

（3）区域燃气锅炉的规模更大，它需要通过热网向大面积的用户供热。由于热源更为集中，供热系统运行工况更加稳定，锅炉运行效率更高，同时大型锅炉更有条件采用先进的低氮燃烧技术，环境污染更小，在一些已有的"煤改气"区域供热系统中可根据具体情况慎重应用。但是，由于热网投资大，热水管网输送能耗和热损失高，这种燃气供暖方式不宜于在新建区域供热系统中推广。

2.另一种燃气热电联产形式以往复式内燃机为动力装置。当规模较小时，它的发电效率明显比燃气轮机高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃气热电联产系统中往往采用这种内燃机形式。但是，由于内燃机的油和气缸冷却放同的热量品位较低（温度不超过90℃），而且该热量份额很大，几乎与烟气回收的热量相当，因而这种供暖形式在供热温度要求高的情况下受到了限制。

楼宇式热电（冷）联产是特别适用于商业建筑的小型高效天然气供热系统。所采用的动力装置均小型化，如小型燃气轮机、微燃机及小型内燃机等。与大型集中供热（冷）方式的热电（冷）联产相比，楼宇式热电（冷）联产系统省去了外网的投资和相应的热损失。但小型动力装置单位发电容量投资偏高。从热、电、冷3种负荷的动态平衡出发，如何优化系统配置和运行是决定该系统经济性的关键。

3.燃气热泵

燃气热泵是由燃气驱动，利用环境热量供热的装置，如图5所示。燃气热泵供热量是燃气热量与环境热量之和，因此它的效率高于燃气锅炉。携带热量的环境介质可以是周围空气、江河湖海的水，地热以及其他余热介质等。根据工作原理的不同，可以分为燃气压缩式热泵和燃气吸收式热泵两种。

由于技术条件的局限，在我国北方地区的严寒期因除霜困难和效率 低等问题，燃气热泵与电动热泵一样，直接从环境空气吸热的空气源热泵受到限制。但是，利用地热、江河湖海水和其他余热的燃气热泵则在北方地区更有推广价值。

二、能耗分析

用一次能耗率b作为供暖系统能耗的评价指标，它表示单位供热量的一次能耗量（即燃料耗量）。对于燃气锅炉，一次能耗率bb是供热效率ηnot（考虑管道损失）的倒数，即燃气热电联产，系统有热和电两种不同能的输出，应将电能所耗一次能源扣除，设常规发电设备的发电效率为ηE（可取为全国平均水平的发电效率32.5%），则其一次能耗为。如果热电联产总的能源利用效率为ηnot，发电效率为ηe，则供热系统的一次能耗率bc为；对于燃气吸收式热泵，如果其热效率为COP，则一次能耗为；对于燃气压缩式热泵，如果动力装置效率为ηe，燃气转换成机械能和余热锅炉回收热量的效率为ηnot，压缩式热泵热效率为COP，则燃气压缩式热泵的一次能耗率bp。

可以看出，燃气热电联产的能耗率明显小于其他供暖形式，燃气热泵居中，而燃气锅炉的能耗最大。燃料电池、联合循环热电联供暖能耗率为负值，说明这些供暖系统仅发电所用能耗已经低于一般的发电系统（全国平均发电能耗）了，因而用于供暖的余热就更不会耗能了。燃气压缩式热泵由于机械能转换为热能的较大不可逆损失，以及燃气吸收式热泵由于发生器传热的较大不可逆损失，使得燃气热泵的一次能耗大于热电联产。而燃气锅炉燃烧后烟气与水（或蒸汽）的传热不可逆损失更大，因而导致其能耗又高于燃气热泵。所以，仅从能耗合理利用的角度，应优先推广热电联产供暖方式，而尽量避免使用燃气锅炉。

当然，由于燃气锅炉，尤其是家用燃气炉的可调性好，可以根据需要随时启停和调节供热量，进而减少燃气耗量，进而在热电联产应用最多的集中供热系统中，在旧的按面积收费管理体制下，由于用户末端缺乏调节手段也会带来能源的浪费。但是，随着今后按热量收费的新供热体制的推广，这一弊端会逐步得到克服。

供暖形式的经济性问题比上述能耗总是更为复杂，它取决于供暖系统自身的经济特性和外界条件两个方面。当天然气价格、电价以及供热运行小时数等外界条件变化时，经济性最佳的天然气供暖方式。

虽然燃气锅炉的能耗高，燃料费昂贵，但由于投资小，使得相当供暖时间短时，是最经济的。在供暖时间较长时，热泵和热电联产就会体现出运行成本低的优势。由于受廉价的燃煤发电竞争，燃气热电联产的发电电价不可能取得过高，在这种情况下，虽然热电联产的能耗低于热泵，但当天然气价格较高时，燃气热泵的经济性要好于燃气热电联产。在电价和天然气价格很低的条件下，以燃气锅炉供暖合适。天然气价格较高而电价较低时，燃气热泵最经济。当天然气价格较低而电价较高时，热电联产经济性好。

一般北方地区供暖时间较长，加之天然气价格昂贵，只有通过提高能源利用效率的途径来降低供暖成本，即采用燃气热泵和热电联产。燃气热泵受气候条件的影响，水源或地热燃气热泵的使用也会受到不同程度的环境限制。因此，在现有的技术条件下，燃气热泵尚不具备大量推广使用的条件。热电联产的能耗最低，但是在电价高和使用时间长的条件下才具有经济优势。

三、结论

1.从合理利用能源的角度应优先推广天然气热电联产的供暖方式，但还需进行技术经济的综合比较。

2.对于供暖时间较短的用户，可以采用燃气锅炉方式供热。对于投资较大的热电联产系统，尖峰负荷由于发生时间

短，也可用燃气锅炉承担。

3.在我国现有条件下，燃气热电联产应用的理想途径是以电力调峰方式上网运行，并可以发展楼宇式小型热电（冷）联产系统。

4.燃气热泵可以在气候、水源、地热或其他余热等条件允许的地方加以应用。