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摘要：我国长久以来依赖于传统化石能源（煤、石油），传统化石能源的大量使用造成了严重的环境负担，影响着人们的生活质量及生命健康。为了缓解环境污染，减小环境负担，以清洁能源为动力的燃气吸收式空气源热泵的使用在供暖行业的占比越来越大。本文介绍了燃气吸收式空气源热泵的系统原理，技术特点和性能指标。监测贵阳某商住小区热源由燃气锅炉改造为燃气吸收式空气源热泵前后的运行数据，同时监测同地区电空气源热泵运行数据，对三种设备的运行性能进行研究分析。分析结果表明，燃气吸收式空气源热泵的能效比比燃气锅炉高47%，每GJ供热量节省35.5%天然气耗量;其投资经济性高于燃气锅炉;燃气吸收式空气源热泵化霜次数比电空气源热泵少71%;选型时应考虑噪音问题。本文为燃气吸收式空气源热泵在高湿低寒地区的推广提供了可靠的参考依据。

关键词：高湿低寒地区;燃气吸收式空气源热泵;适用性;能效比;融霜;噪音;经济性

1 引言

我们国家的能源长久以来过分依赖于传统化石能源（石油、煤），而传统化石能源的大规模使用则造成了恶劣的环境及气候，降低了人们的生活质量，甚至威胁着人们的生命健康。众所周知，我国耗能最大的三个行业为：建筑、工业和交通。而建筑能耗中占比最大的则为采暖和空调能耗。因此，伴随着全球范围内环境的恶化和能源的短缺，冷热源利用方式应逐步的由传统化石能源向清洁能源过渡，最终完全替代。务必将发展清洁能源作为改善能源结构、创造生态文明、实现人与自然和谐共处的重要举措。

由于天然气具有污染低，热值高，燃烧转换效率高等特点[1]，故在各行各业得到青睐，掀起了一股能源形式替代热潮。

在这一背景下，燃气供热得以迅速发展，通过输入少量高品位热能天然气作为驱动力的燃气吸收式热泵对节能降耗、降低污染物排放、改善环境起到了积极作用，被广泛接受并逐步推广。近些年，燃气吸收式空气源热泵由于可有效利用免费的空气能等低品位热能，降低化石燃料所占供热能源的比重，只需消耗少量天然气等清洁能源就可获得大量热能，而在实际运行研究过程中得到了快速发展，从而实现了系统节能性及经济性的双重收益[2]。Lorenzo Pezzola等人从环境影响和能源成本等角度出发，研究了燃气驱动热泵、电驱动热泵以及电冷机搭配锅炉三类设备的性能，通过比较发现燃气驱动热泵优势最明显   [3]。亓立冬等人通过监测分析辽阳市某住宅小区燃气锅炉改造为燃气吸收式空气源热泵前后的运行数据，发现燃气吸收式空气源热泵能效比比锅炉高60%，积累了严寒地区燃气吸收式空气源热泵的运行效果数据，也为燃气吸收式空气源热泵适用范围及推广提供了可靠的参考依据[4]。

随着国家政策的向好，燃气吸收式空气源热泵被大范围推广，正逐渐成为北方城市集中供热的重要采暖形式之一。但由于空气源热泵特有的结霜问题，在南方等高湿低寒地区的应用还处于探索阶段。本文通过对贵阳某商住小区建筑实际运行效果进行有效监测并对运行数据进行对比分析，探究高湿低寒地区燃气热泵的性能和适用性，为燃气吸收式空气源热泵在该地区的推广提供参考依据。

2 燃气吸收式空气源热泵介绍

2.1燃气吸收式空气源热泵定义

燃气吸收式空气源热泵是通过消耗少量清洁能源天然气为代价，以水为吸收剂，氨为制冷剂，利用换热面积大的翅片式换热器提取空气中的免费热能，通过GAX循环来实现高效制热的能源利用设备。可满足生活热水、空气调节、地板采暖及其他各种形式的热水需求。该设备融合了燃气锅炉使用一次能源天然气清洁供热及电空气源热泵吸收免费空气能从降低一次能源消耗两种制热技术优点。

2.2燃气吸收式空气源热泵系统原理

燃气吸收式空气源热泵通过热能驱动水对氨的释放-吸收，使氨的相态发生变化，从而从空气中吸收热量并把热量输送给循环水实现供热。输入一份热量（燃气能），送出两份热量（燃气能和空气能），因此提高了能源产出消耗比。本文所研究的燃气吸收式空气源热泵系统原理如图1所示。

具体的循环过程如下：

制冷剂循环为：在发生器中，燃气加热氨水浓溶液，因氨的沸点比水低，氨很容易达到沸点蒸发成高温高压的氨气。高温高压氨气经精馏器精馏后进入冷凝器，在冷凝器中经水冷换热器降温（热量被循环水取出，用于采暖、加热热水）后，冷凝为液氨进入储液器，然后进入过冷器，与来自翅片换热器的氨气进行热量交换成为过冷的液氨，经膨胀阀节流降温降压后进入翅片换热器，吸收空气中的热量转化为饱和氨气，液氨冷凝放热将热量传送给饱和氨气，饱和氨气成为过热氨气进入吸收器，吸收器内稀溶液吸收了过热氨气成为浓溶液，溶液泵把浓溶液泵送到发生器，下一个制冷剂循环开始，如此周而复始。

吸收剂循环为：在发生器中，燃气加热氨水浓溶液，浓溶液温度达到氨气的沸点，氨气不断蒸发，浓溶液变成高温稀溶液，然后在提纯段换热降温，再经节流阀进入吸收器溶解吸收来自过冷器的氨气成为氨水浓溶液，在这个过程中伴随着放出热量。氨水浓溶液从吸收器出来后经过水冷换热器降温（冷水进、热水出，热量被循环水取出，用于采暖、加热热水）后，再经溶液泵加压后送入精馏器，在精馏器浓溶液被加热后一部分直接进入发生器提馏段，一部分进入降膜式吸收器的GAX高效换热器进行热交换，然后回到发生器中;进入下一个吸收剂的循环。

2.3燃气吸收式空气源热泵特点

（1）环境适应能力强

燃气吸收式空气源热泵能在-30℃室外气温下运行，衰减少，输出功率大。

（2）噪音低，振动小

设备内无压缩机，较电空气源热泵噪音更小;震动小，地面、楼顶均可安装。

（3）结霜少，融霜快

燃气吸收式空气源热泵通过合理的结构配置，高效的运行方式，使结霜间隔延长，平均结霜量减少;采用少量高温制冷剂直接通入蒸发器的方式除霜，不需停机，除霜极快。

2.4燃气吸收式空气源热泵性能

能效比是判断燃气吸收式空气源热泵机组性能最重要的一个参数，通常用COP表示，计算公式为：

COP=Qq/（Qp+Np）

式中：Qq为燃气吸收式空气源热泵输出的热量，单位为kW;

Qp为燃气吸收式空气源热泵所消耗燃气的热量，单位为kW;

Np为燃气吸收式空气源热泵所消耗的电量，单位为kW。

在这里要注意一点，燃气吸收式空气源热泵所消耗的电量主要为溶液泵的耗电，数量很少，不足总能源消耗的4%，但在计算能效比时仍需考虑进去。

燃气吸收式空气源热泵能效比与环境温度及回水温度的变化关系如图2所示。

从上图可以看出，相同回水温度下，环境温度越高，能效比越高;相同环境温度下，回水温度越低，能效比越高。

3案例分析

3.1工程概况

该测试项目为贵阳某商住小区（有底商），设计供能面积为20.5万㎡，设计热负荷为7.823MW。2020-2021年供暖季实际供能面积为4万平，供能设备为1台制热量为4.2MW的燃气锅炉。2021-2022年供暖季实际供能面积增长为6.49万㎡，同时对供热系统实施了节能改造，增加了46台85kW燃气吸收式空气源热泵机组，采用以燃气吸收式空气源热泵为主，燃气锅炉为辅的供热方式。

3.2测试结果分析

测试过程中采集了燃气用量、制热量、设备用电量、融霜、噪音等数据信息，对燃气吸收式空气源热泵的能效比、单位供热量气耗及融霜情况、噪音情况进行分析。

以下分析计算中，天然气热值为8000kcal/Nm3。

（1）能效比

46台燃气吸收式空气源热泵机组作为一个整体，和燃气锅炉为两个独立的系统，分别安装有燃气计量表、电表及热量表，故燃气吸收式空气源热泵和燃气锅炉在单独或者同时运行时，均可测出各自的能效比值。

以2022年2月14日至3月15日的数据为例计算能效比，见表1：

从表1可以看出在同一时间测得的燃气吸收式空气源热泵的能效比比燃气锅炉高47%，测试期间燃气吸收式空气源热泵能效比在1.2-1.7这个数据区间波动，综合能效比为1.43，较理论能效比1.58低（理论能效比是根据当地供暖室外计算温度结合额定回水温度查询变工况数据曲线得出）。造成这个结果的原因是在运行过程中系统存在散热损失，导致实际供热量较低。而且在高湿低寒地区机组结霜较频繁，化霜过程消耗了较多的燃气。

（2）每GJ供热量气耗

同样以2022年2月14日至3月15日的数据为例计算每GJ供热量的燃气耗气量，以此来对比燃气吸收式空气源热泵和燃气锅炉的节气性能，见表2。

由表2可以看出，测试期间燃气吸收式空气源热泵的制热总量略低于燃气锅炉约17%，但燃气锅炉的耗气量却比燃气吸收式空气源热泵高出87%，燃气吸收式空气源热泵单位供热量气耗（m3/GJ）比燃气锅炉少10.8，即燃气吸收式空气源热泵比燃气锅炉每GJ供热量耗气耗节省35.5%。

（3）融霜

通过对该项目燃气吸收式空气源热泵机组及同地区某电空气源热泵项目进行视频监控，观看机组除霜视频，发现同一时段24小时内，燃气吸收式空气源热泵化霜9次，电空气源热泵化霜31次。燃气吸收式空气源热泵结霜间隔时间比电空气源热泵长，结霜量比电空气源热泵少，除霜时间比电空气源热泵短，且燃气吸收式空气源热泵除霜时不停机，不影响正常供能。

（4）噪音

项目运行过程中，接到部分居民反映设备运行噪音过大，故对建筑敏感点噪音值进行测试，为了保证测试结果不受生活噪音等其他噪音源的的影响，选择夜间进行，测试时间为2022年1月23日22：00：至23：00，测试时46台设备全部运行，测试结果见表3。

本项目性质属于国家噪音标准中的Ⅱ类（居住、商业、工业混杂区），规定夜间噪音不得高于50dB，由表3可以看出部分测点超过了国家规定的噪音标准值。设备额定噪音值为距设备1米处的平均值为62dB，实测距机组3米处的噪音值为62.7dB，实测噪音值符合机组额定噪音值。经分析，导致用户处噪音值超标的原因为，一是设备自身的性能问题（设备从噪音大小方面可分为低噪型和静音型，本项目选择的是低噪型），二是多台设备同时运行导致噪音传递时叠加增大。

因此，在选择设备时应从建筑性质、建筑与机组的距离等方面评估噪音对环境的影响，必要时可选择静音型设备或者在设备上安装消音器来降低噪音对环境的影响。

3.3后续经济性预测分析

经测试得知燃气吸收式空气源热泵综合性能远远优于燃气锅炉，因此2022年-2023年采暖季将采用燃气吸收式空气源热泵，本节通过理论测算分析采用燃气吸收式空气源热泵相对于燃气锅炉的经济性。

2020年-2021年采暖季供热面积为4万m2，入住率不足20%，供热量为505.74万kWh，单位面积供热量为126.4kWh/m2;2021年-2022年采暖季供热面积为6.49万m2，供热量为755.95万kWh，单位面积供热量为116.5kWh/m2，这两年平均气温相差不多，因入住率提高，故单位面积供热量有所下降。预计2022年-2023年采暖季供热面积将达到8.22万m2，入住率进一步提高，室外气温无法预测，不考虑室外气温影响的情况下，预计单位面积供热量为110kWh/m2。据此计算出采用燃气吸收式空气源热泵耗气量为67.97万m3，如采用燃气锅炉耗气量为100.21万m3。按照2021年-2022年采暖季的燃气单价3.6元/m3计算能源成本，则采用燃气吸收式空气源热泵的燃气费用为244.7万元，采用燃气锅炉的燃气费用为360.75万元。可见，采用燃气吸收式空气源热泵比燃气锅炉节省116万元。

根据本项目实际投资状况，燃气吸收式空气源热泵单位面积投资为70.66元/m2，燃气锅炉单位面积投资为14.54元/m2，前述2022年-2023年采暖季供热面积将达到8.22万m2，则采用燃气吸收式空气源热泵的投资估算为580.87万元，如采用燃气锅炉的投资估算为119.52万元。燃气吸收式空气源热泵投资比燃气锅炉高461.35万元。（上述投资均包括设备加安装）

从上述分析可知，虽然燃气吸收式空气源热泵投资较高，但运行费用低，不足4年即可收回多于燃气锅炉的投资。而4年之后所有因素不变的情况下每年可节省燃气费用116万元，经济效果显著。

4总结与建议

我国中央空调行业从起步到发展经过了近60年，大量既有建筑的冷热源设备已然步入升级换代的阶段，而新建建筑又面临着需要选择符合政策背景的冷热源设备，如何提高设备效率、减少碳排放是暖通空调行业持续探索的目标。

4.1 总结

本文通过对高湿低寒地区某商住小区燃气吸收式空气源热泵实际运行特性和设备性能系数分析来探究该设备在供暖季实际运行效果，采用对比的方式，得出如下结论：

（1）燃气吸收式空气源热泵能效比比燃气锅炉高47%，由于燃气吸收式空气源热泵从空气中获取了一部分能量，使天然气的利用效率远远大于1。

（2）燃气吸收式空气源热泵比燃气锅炉每GJ供热量气耗节省35.5%，节能效果显著。

（3）相同时间内燃气吸收式空气源热泵比电空气源热泵化霜次数少了71%，且燃气吸收式空气源热泵结霜间隔时间长，结霜量少，除霜快，并且除霜时不需停机，不影响供热运行，不会降低用户体验。

（4）燃气吸收式空气源热泵噪音传递距离与设备数量呈正相关，即设备越多，噪音传递的越远。当设备数量较多时，应选用静音型机组或者采用降噪措施。

综上，燃气吸收式空气源热泵机组在高湿低寒地区运行稳定，能效较高，节能减排效果显著，投资回报率高，适合推广使用。

4.2 建议

（1）通过本文的分析可见，在高湿低寒地区燃气空气源热泵相对于燃气锅炉的优势毋庸置疑。而与电空气源热泵如何取舍，应从能源结构及能源价格等方面综合考虑，建议当气电比小于5时即可考虑采用燃气吸收式空气源热泵。

（2）贵阳地区相对湿度为70-95%，年平均相对湿度为77%;冬季平均温度是5-12℃，极端最低气温是-7.3℃，气候特点具有高湿低寒地区代表性。冬季采暖环境优于或等于贵阳地区的区域均适合开展燃气吸收式空气源热泵。

参考文献

[1]马吉尧，章立标，韩伟达，等.燃气热泵应用前景分析[J].机电信息，2014，（19）：74-76.

[2]纪强，韩宗伟，张孝顺，等.吸收式热泵研究进展及应用现状[J].暖通空调，2020，50（10）：14-23.

[3]Pezzola L.，Danti P.，Magnani S..Peformance comparison among gas heat pump，electric heat pump and conventional thermal devicel in tertiary sector applications[J].Energy Procedia，2016，101：416-423.

[4] 亓立冬，候立泉，罗景辉，等.严寒地区燃气热泵运行数据分析[J].区域供热，2021，（5）：138-146.