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主题:燃气空调向何处去

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燃气空调向何处去  发贴心情 Post By:2009-4-21 11:26:00

 

摘  要    2005年开始的全国范围的冬季天然气紧缺,引起业内对燃气空调(尤其是直燃机)发展的质疑和诟病。本文提出了对建筑节能技术进行多维评价的思路,在肯定燃气空调作用的基础上,对今后燃气空调发展提出建议。

关键词    燃气空调,发展,建筑节能


1 天然气紧缺形势严峻

从2004年12月到2005年2月间,北京遭遇最为严重的天然气紧缺问题。北京遭遇气荒主要有两大原因:一是受陕京一号线输气管线输气能力的限制;二是受制于地下储气库库存总量的限制。据统计,2004年北京市共消耗天然气25.4亿m3,而2005年预计将消耗33亿m3,超过了陕京管线28亿m3的供给量。因此,北京市政府不得不提出将锅炉“煤改气”工程暂缓一年的计划。

曾几何时,在2004年,人们还在为西气东输的用户没有落实而担忧。为了保证天然气开发经营企业的利益,西气东输供气签订的是“照付不议”的打包销售协议,因此用户在估计用量和签订协议的时机把握上都表现得相当谨慎。但北京市的供气紧张,就像被推倒的第一张“多米诺”骨牌,引起全国性的天然气紧缺。为保北京用气,西气东输管网的输气压力(额定60公斤)在最严重的时候降到20公斤。2005年,预计上海天然气需求为20亿立方米,但落实的气源仅16亿立方米,其中包括西气10亿立方米和东海气6亿立方米。巨大的缺口,使得刚建成的上海化学工业区燃气/蒸汽联合循环发电项目(漕泾电厂)不得不“趴窝”而无法运行;上海先于全国提高了天然气价格;上海严格控制仅用天然气采暖的项目审批;上海从2005年开始实行“可中断气源”合同。这些都对上海天然气应用的前景蒙上了阴影。

2005年,也是上海推广燃气空调应用和分布式能源项目的第一年。但不能指望燃气空调用户只在夏季用天然气供冷而不在冬季用天然气采暖。燃气空调与蓄冰空调的根本区别在于,蓄冰空调对电力负荷昼夜峰谷差而言是“削峰填谷”;而燃气空调对于燃气冬夏季节峰谷差来说是“增峰填谷”,发展燃气空调用户可以起到填平夏季天然气低谷的作用,但同时会增加冬季天然气的高峰。因此,推广燃气空调实际上将影响天然气的供应总量。

上海推广燃气空调的主要目的是以淡季天然气来削减夏季电力负荷的需求高峰。根据笔者的测算,如果完全用燃用天然气的直燃机替代电力驱动的制冷机作为空调冷源实现削减电力负荷100万kW的话,大约需要3亿m3天然气。而现在的上海天然气供应状况是无法满足的。原先准备执行到2007年的推广燃气空调政策(600台直燃机)看来也只能半途而废了。在天然气供应总量不足的前提下,推广燃气空 调已经失去了它的积极意义。而是需要研究在夏季天然气供应低谷时段如何储气,以满足冬季用气高峰。

我国天然气需求的快速增长已经超出了国内生产能力。国家发改委传出的信息表明,2004~2005年,我国天然气生产增长了15%,而同期消费量却提高了25%,其中北京消费量增加30%以上,个别地区的消费量更增长了38%。另据中石油预测,2005年至2010年,国内天然气产量年均增长率为17%,而同期天然气需求量年均增长率将高达26%。因此,国家发改委决定,自2005年12月26日起在全国范围内适当提高天然气出厂价格。供工业用和城市燃气用的天然气出厂价格每立方米提高0.50至1.50元人民币。各地也正酝酿天然气涨价。

这次提价恐怕对分布式能源(热电冷联供)带来的打击最大。

因为在电力价格不变的前提下,电力/天然气的单位当量热值比价进一步缩小,试图通过自行发电收回投资变得相当困难。

与此同时,被寄予厚望的进口液化天然气(LNG)项目也由于价格问题而被大大延缓。从澳大利亚引进的LNG我国最早拿到的价格是3.5美元/百万Btu,相当于1元人民币/m3左右。由于日、韩等国的介入,价格飙升到6美元/百万Btu,相当于1.7元人民币/m3。与电价相比,已经没有任何优势。


2 对燃气空调的质疑和诟病

在天然气紧缺的背景下,很自然地,业内对天然气用于采暖和用于直燃机空调都提出批评。比如,有一种说法,将天然气这种高级能源烧锅炉比喻作“把巴黎香水当自来水用”。还有一种说法,认为天然气这种高级能源应先用来发电,然后再用电力驱动空调,用余热供热或制冷,这样热利用的火用效率最高,对天然气的使用最合理。

这些评价,从科学角度而言,完全正确。笔者曾在一份报告中指出:“从热力学完善程度上看,消耗蒸汽的溴化锂吸收式制冷机比消耗电力的电制冷机要差。在制冷量相同的情况下,溴化锂吸收式制冷机比电制冷机的有效能量(火用)损失要大。因此,燃气空调(特别是直燃机)不可能完全取代电力空调”。

有学者将能源利用率和能质系数(热力学第一定律和第二定律)结合,提出用能源转换效率ECC对各种能源过程进行评价。针对北京市某大型公共建筑的具体情况对几种常用空调冷热源做了评价*

表1 几种空调冷源的能源转换效率

冷源方式

制冷环节能量转换效率eccc

电制冷(离心机)

0.240

热水吸收机

0.231

水源热泵(螺杆机)

0.216

蒸汽吸收机

0.210

风冷热泵

0.144

直燃机

0.102

表2 几种供热热源的能源转换效率

热源方式

供热环节能量转换效率ecch

热水采暖

0.319

水源热泵

0.221

蒸汽采暖

0.213

风冷热泵

0.184

燃煤锅炉

0.122

燃气锅炉

0.105

直燃机

0.105

电采暖

0.074


从表1和表2可以看出,直燃机用天然气较高的燃烧温度制取接近环境温度的空调冷和热,其火用损失很大。

根据这样的分析,一些学者对各地地方政府鼓励天然气采暖、取缔燃煤锅炉的决策,以及推动燃气空调的措施提出批评。唯一得到所有学者一致支持的是政府对热电冷联供技术的推进。


3 多元评价

令笔者百思不得其解的是,为什么燃气空调在日、美等发达国家发展得十分迅速?如果直燃机属于不合理用能,为什么在美国绿色建筑评价标准LEED中还把它作为一个得分项目?为什么日、韩等国会不顾血本同中国争夺澳大利亚的LNG资源?

很清楚,在对建筑节能技术进行评价时,能源转换效率只是其中一项评价指标。此外还有环境(温室气体减排)指标和经济(寿命周期成本)指标。对建筑节能技术的评价,应该用能源转换效率-温室气体减排-寿命周期成本这样的三维坐标,三个指标相互是有关联的。根据使用者各自所处的立场,可以对三个指标赋以一定的权重。例如,对学者来说,更注重能源转换效率;政府(尤其像日本、韩国这些承担了京都议定书减排义务的国家)可能会更强调温室气体减排、改善环境;而对终端用户而言,最关心的是寿命周期成本,他们更希望在节能措施上的投入能够尽快得到回报。

现在也有学者用火用经济学方法,除了考虑系统的火用效率(能量成本)之外,还考虑单位火用的经济成本和环境成本,也就是用三维评价方法,在某些条件下可以得出燃气空调优于电力空调的结论。

这就不难理解,日本等国为什么要发展直燃机这种能源使用上不尽合理、经济上也无利可图的技术。2003年,日本燃气空调的冷量比例已经达到全国总冷量的22%(1058.2万冷吨,包括吸收式和燃气发动机驱动热泵)。日本的电力/天然气的单位当量热值比价也比较小,以东京为例,夏季商业电费大约10日元/kWh左右,只相当于大约0.70元人民币/kWh,比我国许多城市要便宜(但有约合70元人民币/kW·月的固定费)。而空调用的城市燃气夏季价格在2.70元人民币/m3左右,冬季则提高到约3.50 元人民币/m3。比我国大多数城市贵。因此,日本政府对使用燃气空调削减夏季电力高峰的用户给予财政补贴,使得燃气空调用户与电力空调用户最终的运行成本相差不多。

建筑节能技术发展到今天,其追求的目标已经经历了四个阶段。即从单纯的省能、限制用能(Saving)发展到试图在建筑总能耗不增加的情况下满足需求(Conservation)。现在,我国刚开始第三阶段,即能源的有效利用(Efficiency);而发达国家已经进入到能源的可持续利用(Sustainability)的最高阶段,即追求能源与环境的协调,以及温室气体减排。

图1 能源效率与环境效益的协调


如果我们暂时不考虑经济性,研究图1中的环境效益与能源转换效率的协调问题,成为一个二维问题。在能源转换效率和环境效益组成的坐标系中,第一象限是最理想的、节能与环保俱佳的方案;第3象限是最差的、不应被选取的方案。由于受到资源的局限,有时我们不得不退而求其次,在第2和第4象限的方案也是可以接受的,就看你关心的重点放在哪一方面。如果不谈环境,那么最节能的冷热源是夏天用燃煤热电联产发的电力驱动电动离心机供冷、冬天用燃煤热电联产产生的热水采暖。利用传统的煤炭,其实无论从能源转换效率上还是从经济上都是最合理的。但这种情景落在第4象限。但如果重视环境,而又受到资源制约时,就只能在第2象限里做文章。比如,将天然气直接燃烧用来制冷或供热。这种情景应该是落在第2象限中的对角线的上方的。其实我们还可以有另外的选择,比如用电直接采暖。这种方案会落在对角线下方。

根据京都议定书的规定,承担减排义务的工业化国家将在2008年到2012年间,将其温室气体排放 量在1990年基础上减少5%。为达到减排目标,在议定书上签字的工业化国家都被分配到了一定数量的减少排放温室气体的配额。因此,这些国家纷纷将减排作为其主要的能源政策。花大代价推广可再生能源、使用清洁能源(如天然气)而并不十分注重使用的合理性,都体现了发达国家这种能源政策。

中国是《联合国气候变化框架公约》的第37个签约国,并于2002年向联合国交存了中国政府的 “核准书”。但是《京都议定书》并没有为发展中国家规定具体的减排义务。由于中国等发展中国家温室气体排放数量的快速增长,发达国家要求发展中国家参与温室气体减排或限排承诺的压力与日俱增。美国拒绝批准《京都议定书》的借口之一,就是议定书没有规定中国、印度、巴西等主要发展中国家承担温室气体减排义务。预测表明,2025年前后,我国的二氧化碳排放总量很可能超过美国,居世界第一。随着2012年议定书第一阶段减排目标(承担减排义务的工业化国家将在2008~2012年间,将其温室气体排放量在1990年基础上减少5%)的实现,我国在国际上面临的承担减排义务的压力将会越来越大。因此,无论是政府、企业家、学者,还是普通老百姓,都必须绷紧温室气体减排这根弦。

将天然气比喻为“巴黎香水”并不恰当。真正的“巴黎香水”是电力。天然气充其量可以比做“茅台酒”。如果不能用普通酒精来点酒精炉,那么宁可用茅台酒来点炉子也不能把香水当酒精用。

北京面对的就是这种局面。为了迎接2008年奥运会,改善北京的大气环境质量便成了压倒一切的硬任务。从1998年开始执行的首都蓝天计划中,首当其冲的便是改变以煤为主的能源结构。如果不是前几年的电力紧缺,北京差一点儿就要大面积推广电采暖。现在用天然气锅炉供热,起码将原先燃煤锅炉只有55%的效率提高到89%以上。北京市用天然气设备进行供暖的面积已达2.3亿平方米以上,占总供暖面积的60%以上,北京天然气用量居中国各大城市之首。天然气对煤炭的替代使北京达到和超过国家大气质量二级标准的天数逐年增加,2005年更是达到234天,全年的64%。如果没有“茅台酒”的“浪费”,这样的成果是无法想象的。而如果改用“巴黎香水”,不但会造成更大的浪费和不合理,而且会造成污染转移,使山西、内蒙等省区遭受更大的环境灾难。恐怕北京也难独善其身。

发展燃气空调,也是缓解我国夏季电力负荷高峰的重要措施。表3中对燃气空调装机冷量占公共建筑空调总冷量的不同比例情况下的综合效益做了预测和分析。

表3 燃气空调装机冷量占公共建筑空调总冷量的不同比例情况下的效益预测

 

2010

2020

燃气空调装机冷量所占比重

10.0%

12.5%

15.0%

15.0%

17.5%

20.0%

燃气空调装机冷量    万kW

5263

6579

7895

16063

18741

21418

转移的空调装机电力需求  万kW

1170

1462

1754

3570

4165

4760

节省的电力投资  亿元

1301

1627

1952

3971

4633

5295

燃气空调燃气用量   亿m3/

29.6

37.0

44.4

90.3

105.4

120.4

燃气空调天然气耗量占全国总耗量比重

2.4%

2.9%

3.5%

3.4%

4.0%

4.5%

以上海为例,如果上海到2007年能够实现600台直燃机的预期目标,且能够保证天然气供应的话, 将可以有效地削减24万kW的电力负荷高峰。

因此,燃气空调的环保、减排和缓解电力负荷高峰的正面作用是不容抹杀的。按表3的预测,即便用于燃气空调的不到总量5%的天然气从热力学角度来看是“不合理”的,但以它换来的环境和经济的效益恐怕就是更大的道理。笔者认为,燃气空调还应该发展,还应该在空调领域中占有恰当的份额。


4 燃气空调的发展

燃气空调的发展,有几个问题需要解决:

4.1 有限的天然气,用来发电还是用来空调?

天然气是一种清洁能源,可直接作为锅炉燃料来发电,也可以用作燃气轮机的燃料,由燃气轮机和汽轮发电机组成燃气-蒸汽联合循环机组(CCGT),其发电效率高达55~58%,其火用效率也很高。而且燃气电厂造价只有燃煤电厂的三分之二左右。

表4 国际上天然气资源的利用比例

利用方式

直接发电

能源工业自用

工业燃料

民用燃料

化工原料

所占比例

26%

14%

29%

26%

5%

从表4可以看出,国际上天然气直接发电和用于民用燃料(其中包括热电冷联供)的比例相同。说明天然气用于发电和用于建筑供能都是方向。但在我国,明知天然气发电和热电冷联供有很多技术、经济和环保的优势,尽管国家发了很多法规文件,却就是发展不起来。几乎所有的天然气发电厂的经营都是举步维艰。2005年6月2日,作为国家重点工程的浙江半山天然气发电1号机组提前成功并网发电。但是,仅仅过了100多天便因为天然气供应不上而停机。与之有同样命运的还有上海漕泾热电厂和江苏、浙江的天然气热电厂。由于供气紧张,华东地区有400万kW的燃气发电不能投运。2006年将还有200万kW容量建成。

对于天然气发电厂来说,除了能否保证供气,令他们头疼的还有天然气价格和电力的上网价格。因为对天然气供应链来说,电厂是下游,是终端用户,天然气价格实际上是由中石油、中海油和中石化三大油气巨头决定的,电厂是被动者,只能执行“照付不议”的合同;而对于电力供应链来说,天然气电厂又在其上游,电力机制的改革,将发电端放开,实行市场化的竞价上网,电价实际上由国家电网公司等五大电网公司控制,电厂又是被动者。因此,天然气电厂主要是作为调峰电厂。在电力负荷高峰时往往按计划经济模式,根据调度需要启动补峰;而在平时则是市场经济模式,与燃煤电厂处于同一起跑线竞争。根据测算,如果天然气价格在1元/m3以下,年运行小时数在4000以上,天然气电厂的电价 与多数燃煤电厂有得一拚。但全国没有任何一家电厂可以得到1.10元/m3以下的价格。因此多数天然气电厂每年只运行2000小时左右,成了名副其实的“燃气空调”,发出的电力完全用来满足空调高峰负荷。与其如此,还不如直接燃烧制冷,省掉许多中间环节的“盘剥”。天然气电厂作为调峰电厂,由于电网的晚峰与居民用气的晚峰重叠,必将出现电厂与民用燃料抢峰争气,对天然气管网的安全构成威胁。

4.2 热电冷联供,尴尬的处境。

许多业内专家呼吁,应大力发展区域的和楼宇的热电冷联供,并列举了热电冷联供在能源效率、能源安全和环保方面的种种优势。希望以热电冷联供取代燃气锅炉,成为社区能源中心。而在另一方面,已实施的热电冷联供项目除了个别工业项目,几乎没有体现出经济性。有的“以热定电”的项目,则根 本无法运行。

这是因为,用户所需要的热量/冷量与用电量随多种因素变化,而建筑热电冷联产设备正常运行时的供热/供冷量与发电量的比例(即热电比)是大致不变的,因此热量/冷量的供求和电力的供求不可能同时相等,总是会有富余的电能或者热能产生。对于富余的热能,可以采取一些蓄热措施进行贮存,但是对于富余的电力,贮存措施相当困难。日美等国正在研制的钠硫电池还没有商品化。因此,多余电力最简单、最直接的出路就是允许分散发电的多余电力上网。

以住宅为例,假定采用热电比为2.5:1的热电冷联产机组,即产生1kW电力可以得到2.5kW的热量。以供热效率60%计算,这些热量大约可以供30m2建筑面积的采暖。而30m2需要多少电力呢?如果用单位面积的电力负荷估算指标(60W),发出的这点电力还不够。但估算指标是考虑所有电器设备(特别是房间空调器)同时使用的情况,实际中(特别在有集中采暖的条件下)是完全不可能的。根据上海市2005年在1万户家庭的调查,其平均全年用电量为2500kWh,以低估的用电时间2000小时计算,每平米的平均电负荷只有13W。就是说,热电联产供30m2住宅采暖产生的电力足以供80m2住宅(在夜间电力将富余更多)。在电力不能上网的前提下,只能尽量压低电出力、提高热出力。如果热电联产机组用的 是微型燃气轮机的话,在低电负荷下机组电效率只有百分之十几。此时热电联产的能源效率优势将荡然无存,其一次能源效率还不如直接用燃气锅炉供热。

为提高热电冷联供系统的效率和效益,延长机组运行时间,现在只能用“以电定热”的原则选择设备。如,根据建筑的电力基荷来确定发电容量。但这样一来,可能会造成制冷和供热设备台数增多。

我国可再生能源法的出台,为风力发电的上网开了绿灯。我国热电冷联供的电力却仍然不能上网。这使得我国的热电冷联供根本不配被称为“分布式能源”。而在德国,不但允许千家万户的光伏发电上网,甚至用高于电网售电的价格收购光伏电,使得光伏发电成为一项有利可图的投资,也将千家万户连接成一个巨大的“能源互联网”,成为真正的分布式能源。其主要目的是减少燃煤或燃油的火力发电,花大价钱来实现温室气体减排。在中国,并没有人为占全国温室气体排放和污染排放一半以上的火力发电承担任何环境责任。相反,却有人对热电冷联供技术设置重重阻力。因此,光靠专家呼吁、光靠国务院的文件、光靠“十一五”的重点工程,或者,光靠有某种关联关系的“×监会”,是左右不了某些垄断企业的。必须修改“电力法”、必须制订“分布式能源法”和“反垄断法”,从法律层面赋予热电冷联供以可再生能源同等的地位。

4.3 燃气空调的发展离不开创新。

首先,直燃机并不是燃气空调的全部,发展燃气空调不能沿着直燃机的路子“一条道走到黑”。燃气空调有许多种类。比如,燃气发动机驱动热泵在我国的发展就不像日本那样迅速,在技术上也有一些消防和环保方面的障碍。燃气发动机驱动热泵是天然气燃烧先做功、再驱动热泵,在能源使用上十分合理。再如,燃气轮机驱动的离心机,可以适应大型建筑空调需要。以太阳能为主、以天然气为辅的除湿空调再生系统,可以在绿色建筑中找到用武之地。

再者,大型公共建筑的空调冷热源,应该实现能源的多元化(Diversity)。根据能源价格、用户端水温需求,灵活调度,实现优化运行、负荷平准化和利益最大化。这也是国外大型公共建筑空调设计的一种趋势。

其次,就直燃机本身,也有许多值得改进和革新的地方。例如,可以开发适用于燃烧生物质气体 (沼气)的直燃机;太阳热利用的直燃机;结合吸收式热泵提高直燃机的冬季供热效率;三效吸收式制冷机,在日本的研究已经有了相当大的进展,已经接近商品化,但国内各企业却以市场前景不明朗为理由,并没有在三效机的研发上有什么投入。

笔者一直认为,以直燃机为代表的燃气空调,是我国暖通空调行业具有自主知识产权最多的产品。但相对日本和韩国,我国直燃机企业在研发上投入的力度还不够,对超前的、前瞻的、暂时不能产生效益的技术研究和追踪更少,技术储备、“板凳深度”不足。我们要把眼前天然气紧缺的“坏事”转变为好事,促进技术进步和行业的“洗牌”。

最近也有一些不好的倾向:把行业内正常的竞争演变为恶性竞争;为争取外部资源不惜夸大数据。笔者认为,我们制造产品、发展技术,还得老老实实地做人、踏踏实实地做事。韩国的黄禹锡教授是前车之鉴。


参考文献

1.     龙惟定:对我国建筑节能发展战略的思考,第13届全国暖通空调技术信息网大会文集,暖通空调,第35卷增刊,2005年10月

2.     龙惟定. 建筑能耗比例与建筑节能目标,中国能源,2005, 27(10), 23-27

3.     同济大学:我国民用建筑空调的发展对能源供应影响的对策研究,中国制冷空调工业协会委托项目,2005年4月

4.     李芳芹、赵贤兵:天然气在空调行业与其它能源竞争的探讨,节能,2002年第2期

5.     杨勇平等:考虑环境成本的能量系统经济学分析模型,工程热物理学报,第25卷第1期,2004年1月

6.     韩晓平:关于我国天然气资源概况及使用方向的建议,






 


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