1．1能源利用与大气污染问题
近20多年来，我国工业化发展较快，燃料消耗急剧增加，大气污染比较严重。根据国家环境监测结果，全国废气中主要污染物为二氧化硫、烟尘和粉尘，因此，改善能源结构，提高大气质量是一项重要的环保任务。
我国大气污染的特点主要是由能源结构决定的，属于煤烟型污染。我国能源结构中有7496是由煤为原料组成的，全国发电量的80％为燃煤发电。煤过量使用带来的环境污染不言而喻，煤烟尘中主要成分是二氧化碳和二氧化硫。环境污染已经成为制约我国经济发展的主要问题，能源结构调整迫在眉睫。
1．2能源利用结构现状
随着我国经济的发展，人民生活水平提高，以及全球变暖的气候影响，我国制冷市场需求快速提高。现阶段制冷的主要能源为电力，燃料油和天然气只占很小比例。
电空调是一种高能耗设备，夏季空调负荷占夏季电力总负荷的40％，而且是负荷非均衡性的能耗设备，是造成电力供应季节峰谷差的主要原因。国家不得不花巨资建设大批调峰机组、调峰电站，但仍无法确保不断猛增的用电高峰负荷，夏季频频出现用电高峰期设备过载、掉闸断电现象，同时必须面对电网安全问题和供电成本增加的问题。
北京市的天然气应用近年取得了飞速的发展，为提高首都居民生活水平、改善首都大气环境、促进北京申奥成功做出了巨大的贡献。但仔细分析北京市天然气供应量的分布，冬季采暖用气量非常大，而夏季制冷用气始终保持在一个很低的水平，冬夏季均日用气量相差7～8倍。为此需投巨资建设调峰储气库，且天然气输配管网和设施必须按最大供应能力建设，这样当夏季供气低谷时必然造成管网资源的闲置和浪费。
通过以上分析可以看出，燃气与电力都存在峰谷差的难题，但是燃气峰谷与电力峰谷有极大的互补性，夏季是燃气使用的低谷，却是电力负荷的高峰期，燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，实现资源的充分和均衡利用。
燃气热泵(GHP)也称热泵式燃气空调，是天然气用于中小型建筑物制冷和供暖的一种新的形式。
2 燃气热泵(GHP)系统介绍
2．1燃气制冷系统分类
燃气制冷系统按工作原理主要分为吸收式和压缩式，目前利用天然气进行制冷的系统主要有三种：利用天然气燃烧产生热量的吸收式冷热水机组(直燃机)、利用天然气燃烧余热的吸收式冷热水机组(对接式直燃机)和利用天然气发动机驱动的压缩式制冷供暖机组(燃气热泵)。其中直燃机一般应用于2万平米以上的大型建筑，对接式直燃机更是应用于大型冷热电三联供系统，而燃气热泵可以灵活应用于中小型建筑物，以燃气作为能源提供制冷和供暖。
2．2燃气热泵原理
图2—1热泵循环原理图
燃气热泵(GHP)系统从其设备组成上来说主要分为室外机、室内机、冷媒连接管路、冷凝水管路、燃气供应系统、电力供应系统和控制线路系统。其中室外机内的燃气发动机是整个系统的心脏部分。
图2—2 GHP系统构成示意图
在北京市燃气集团公司的大力支持下，北京市燃气工程设计公司与日本洋马能源系统株式会社合作在北京地区选取石景山区七星园小区内一栋600平米的办公楼进行GHP工程试点，跟踪GHP系统运行状态，收集数据资料，对GHP系统制冷供暖与其他制冷供暖方式进行技术经济比较，综合评估实际效果，论证潜在用户数量，并进行设备引进及设备国产化研究。
示范工程于2002年6月10日开始进行设备安装，6月19日系统试运转成功；2002年7月16日GHP系统正式开通运行至今。示范项目取得圆满成功，制冷供暖效果良好并引起了社会各界的广泛关注。
4 技术分析
4．1 GHP系统的特点
4．1．1优化能源利用结构
燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，缓解夏季用电高峰，提高燃气管网利用率，实现资源的充分和均衡利用。
4．1．2使用一套系统解决夏季制冷和冬季供暖
GHP系统可以在供暖的热泵循环中有效利用燃气发动机排出的热量和发动机冷却水系统的热量，使GHP系统的供暖能力受室外温度影响小(-15℃以上供暖能力不受影响)，可适用于更低的环境温度；同时无需除霜，在寒冷地区可快速启动，具有电空调无法比拟的供暖优势。
4．1．3环保性能优异
我国燃煤发电量占总发电量的80％以上，因此电力并不能算做真正意义上的清洁能源，GHP系统以天然气、城市煤气、液化石油气等燃气作为能源，是真正清洁的一次能源；设备运转低排放，低噪音，低振动；冷媒使用环保新冷媒R407C，对大气臭氧层无破坏作用。
4．1．4更大的空调稳定性和舒适性
以燃气发动机为动力，可根据制冷供暖时的负荷变化，电脑控制无级变速调节发动机转速以控制压缩机转速，保持室内温度更加稳定、舒适。
4．1．5室外机室内机搭配灵活
GHP系统的室外机有28～56KW多种规格，室内机也有壁挂式、吸顶式、嵌入式、落地式等不同功率的多种规格，一台室外机最多可带20台室内机。因此，可根据建筑物的不同规模和功能灵活搭配GHP室外机和室内机，按不同区域构成相互独立又相互联系的系统，满足不同的负荷需求。
4．2技术成熟性
日本是世界上GHP系统应用最广泛的发达国家。20世纪80年代，随着日本电力需求激增和第二次燃油危机的爆发，日本政府出台了新能源政策，推进能源利用的多样化和均衡化，鼓励利用海上进口的天然气作为能源。1980年到1987年是GHP技术的研制阶段，1987年开始市场销售，1988年销售10322台，到2001年年销量已达到46274台，累计销量约45万台，广泛应用于商场、宾馆、办公楼、娱乐场所、医院、集体宿舍、别墅、学校等场所。经过20多年的研究和发展，GHP技术已经是一项十分成熟的技术。
4．3技术适用性
经过我们对北京试验项目GHP系统实际运行状态和运行数据的研究，GHP系统在北京市的气候、环境、天然气气质等条件下制冷和供暖运转十分正常，用户对使用效果非常满意，废气排放、噪音和震动等指标完全符合我国相关法规和规定的要求，适合在北京地区和全国范围内推广。
5 经济分析
下面以所进行示范项目的建筑物作为模型，进行几种制冷供暖方式应用于中小型建筑的方案比较。
5．1参数说明
该建筑是位于北京市石景山区七星园小区的三层办公楼，建筑面积为600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。该建筑用途为办公用房，根据国家标准单位建筑面积制冷负荷选取100w／m2，建筑总冷负荷约为60Kw；单位建筑面积供暖负荷选取为60w／m2，建筑总热负荷约为36 Kw。北京市天然气热值按8300kcal／Nm3计算，天然气价格按供暖1．90元／m3，制冷1．70元／m3，电价按平均0．633元／Kwh计算。
各方案一次性投资详见附表一，运行费用详见附表二。
5．2燃气热泵(QHP)系统制冷供暖(方案一)
5．2．1一次性投资
GHP系统由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成。配套燃气系统接自其楼内原有低压(2KPa)天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计GHP系统施工安装费用和配套燃气、电力系统投资。
该建筑办公室面积小数量多，因此GHP系统室内机数量较多，导致单位建筑面积投资额较高；若建筑物的开间大、布局合理，单位建筑面积投资额可降至约600元／m2。
5．2．2运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算，能耗指标为试验所得数据。
5．3电力中央空调(EHP)系统制冷供暖(方案二)
5．3．1一次性投资
EHP系统同样由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成，设备型号规格与GHP系统相同。电力系统接至其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计EHP系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5．3．2运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。
5．4直燃机系统制冷供暖(方案三)
5．4．1一次性投资
采用直燃机需在建筑物周围建设直燃机房，设15万大卡／小时直燃机1台，且直燃机的燃烧机使用5～15KPa天然气气源，需建设天然气调压设施。
本方案投资未计直燃机系统施工安装费用和配套燃气管道投资。
5．4．2运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。
直燃机房需1人值班，工资按20元／天计算。
5．5电力分体空调制冷畸用锅炉房供暖(方案四)
5．5．1一次性投资
此方案为近阶段北京地区中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，在建筑物周围投资建设专用锅炉房，设42Kw燃气热水锅炉(北京地区已禁止使用燃煤锅炉)进行冬季供暖，燃气系统接自其楼内原有低压(2KPa)天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5．5．2运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行24小时计算。
锅炉房需1人值班，工资按20元／天计算。
5．6电力分体空调制冷+热网集中供暖(方案五)
5．6．1一次性投资
此方案需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，接入城市热网进行冬季供暖，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5．6．2运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖费按24元／m2计算。
5．7方案比较
5．7．1费用年值法
下面采用费用年值法对各方案进行经济比较。所谓费用年值法，就是将方案在规定的标准补偿年限内，将年费用加以比较，年费用应是补偿期内年平均投资和年运行费用之和。
其数学表达式为：
式中：C——系统的年运行费用(元／年)；
K——制冷、供暖系统的投资额(元)：
X——投资效果系统(1／年)；且
其中：i——部门内部的标准收益率。对公用设施取投资利息；对住户自购的设备取储蓄利息；
m——设备使用年限。
5．7．2费用年值比较
各方案费用年值详见附表三。
通过比较可以看出，对于600m2的办公楼来说，分体电空调加集中供暖(方案五)费用年值最低，但在不具备集中供暖条件的情况下，燃气热泵系统(方案一)从经济性比较为最佳方案，其费用年值比电力中央空调低9％，比直燃机低16％，比分体电空调加专用锅炉房低28％。
正是燃气热泵(GHP)系统的以下特点，决定了其在经济性上的优势：
1)放在楼顶或室外空地，不用专门设置机房，节省占地和投资；
2)自动运行，无需专人值守，节省人工成本；
3)高效节能，运行费用最低。
6 结论
6．1技术可行
燃气热泵系统在设备技术上已趋向成熟稳定，完全适应北京地区的气候、环境、天然气气质，设备推广具备技术可行性。
6．2经济可行
对于中小型公共建筑物，在不具备集中供暖条件的情况下，采用燃气热泵系统费用年值最低，而且不必建机房，无需专人值守，可以节省机房占地和人员管理，提高综合效益。
参考文献：
《燃气空调，重塑中国能源》 唐登平
《多种能源供暖的经济分析》 张治江 王 圣 刘龙河
