制冷方式的经济分析

制冷方式的经济分析

0制冷方式的选择随着社会经济竞争的加剧和世界能源的日益稀缺，提高能源利用率和减少经济支出已成为工业的主要问题。目前常用的制冷方式有蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、热电制冷、空气膨胀制冷、涡流管制冷、蒸气喷射式制冷、磁制冷(高温磁制冷,低温磁制冷)、绝热放气制冷(G-M制冷机、脉管制冷机、电化学制冷)等。尽管任何伴随有吸热的物理现象在原则上都有可能用来制冷,但不同的制冷方式所获得的制冷效果,或者同样的制冷效果所需的经济代价是不同的。所以,在不同的场合采用何种最合适的制冷方式已成为当今制冷行业研究的焦点。本文根据当今应用最为广泛的蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、热电制冷方式的各自性能、特点分析适应性,从制冷设备占地面积、初期投资、动力配套和运行费用四个方面,分析评价经济效益,为不同场合下选择最佳制冷方式、减少能源浪费提供依据。1不同通用冷却方法的适用场景1.1蒸汽压缩式制冷蒸气压缩式制冷方式具有悠久的应用历史,技术十分成熟。根据在标准工况下单机制冷量不同,将蒸气压缩式制冷分为小型蒸气压缩式制冷(制冷量小于25kW),主要用于商业零售,公共饮食,科研,卫生和一般民用小型制冷装置和空调;中型蒸气压缩式制冷(制冷量是25kW~550kW),主要广泛应用于冷库,冷藏运输,一般工业和民用制冷和空调装置;大型蒸气压缩式制冷制(冷量大于550kW),用于石油化工物质恒温储藏、大型空调。压缩机是蒸气压缩式制冷系统的“心脏”。蒸气压缩式制冷的工作性能和应用场合随压缩机结构不同而不同。活塞式制冷压缩机的压力范围与制冷量都比较广,压力大小不随输气量变化而变化。活塞式制冷压缩机还拥有制造材料要求比较低,加工容易设计和技术成熟等特点,使得活塞式蒸汽压缩式制冷在大、中、小制冷场所都可以使用。此类压缩机对于液机比较敏感,在类似场合要避免使用。离心式制冷压缩机转速一般很高,工作气体在叶轮中的流速比较大,且叶轮尺寸受到加工限制不能做太小,导致离心式蒸气压缩式制冷的输气量很大,制冷量也很大,所以大多使用在大、中制冷量场合,如:商业、民用的舒适性空调和工艺性大制冷量的中央空调系统,也适用于大型空气调节系统和石油化学工业的工物质恒温储藏。若是将大机小用或大负荷变化工作易发生“喘振”,导致适用范围窄,否则降低机组效率与经济效益,影响机组的寿命或造成基础破坏。机组在满负荷时运行平稳、可连续无级调节易于实现自动化,可让使用场合不要具有较高的土建要求,允许负荷小范围波动。螺杆式制冷压缩机就其运动形式来看是一种介于容积式和速度式的压缩机,其制冷量也介于活塞式蒸气压缩式制冷与离心式蒸气压缩式制冷之间,适用于采用氟利昂为工质的大、中型制冷量场合,如工业、制药、商业、交通运输中的冷藏冷却以及一些空调设备。当螺杆式压缩机在低蒸发温度或高压缩比时,容积效率高于活塞式压缩机,在热泵机组中广泛运用。螺杆式压缩机具有液击不敏感、热效率高、排气脉动低、小排气量时不喘振、在宽广工况范围内效率高等特点,因此螺杆式压缩机不仅具有活塞式压缩机与离心式压缩机的优点还弥补了两者的缺点,在两者未能使用的场合得到广泛使用。机组泄漏量比较大,在需要使用具有可燃性、爆炸性、毒性等制冷剂的场合要避免使用螺杆机组。滚动活塞式制冷机单机容量一般在10kW以下,广泛用于家用冰箱、窗式与分体式房间空调器等中小型制冷量场合。滚动活塞式压缩机在相同制冷量情况下的体积要比其它形式压缩机的体积要小40%~50%、质量要小40%~50%,在空间较小场合里,适合使用滚动活塞式蒸气压缩式制冷。滚动活塞式压缩机的吸气过程与压缩过程是同时进行,工作平稳、振动小,噪声低,在需要低声、平稳的环境中可以广泛使用。涡旋式制冷压缩机是一种商品化新型压缩机,其中开启式涡旋压缩机可在汽车空调中运用,全封闭式适用在小型空调。在采用变频技术后,数码涡旋式压缩机的能量调节范围较广泛,可实现压缩机从10%~100%能量调节,在使用单压缩机多联机系统、风管送风系统、冷水机组系统、热泵机组和机房空调系统等中小型制冷量场合得到使用。综上所述,蒸气压缩式制冷的驱动一般采用电能,所以这些制冷方式通常使用在电力资源比较丰富区域。1.2提高热力系数与蒸气压缩式制冷一样,吸收式制冷也是利用制冷剂汽化潜热制取冷量。两者主要区别在于前者依靠消耗热能作为补偿实现制冷,后者是通过消耗机械能作为补偿实现制冷。吸收式制冷有多种分类方法,按驱动热源可分为蒸气型、热水型、直燃型;按驱动热源利用方式可分为单效、双效、多效;按溶液循环流程可分为串联流程、并联流程、串并联流程。根据热源温度不同可采用不同机组。当热源温度较高时,采用双效机组,热力系数可以达到达1.0以上;当热源温度低时,采用单效热水型吸收式制冷机,热力系数偏低,在0.7~0.75;若热源温度更低(如60℃~80℃),制冷机的热力系数更低,如两级式制冷机的热力系数为0.40;在两级制冷机基础上改进的多效制冷机的热力系数为0.58,二段式热水型吸收式制冷机(热水进出口温度为130℃~68℃)的热力系数为0.744。一般来说,从热效率角度考虑,串并联是最高,其次是并联,再次是串联。串并联循环比并联循环COP值约高3%。但从操作与调节角度考虑,串联流程比较简单。由此可见,不同温度热源或制冷剂流程,机组的系数不尽相同,而合理的根据使用场合条件进行选择成为使用吸收式机组关键。在化工业、冶金业及轻工业中可依靠大量废弃蒸气或热水做为驱动能源进行制冷,不仅提高能源综合利用率,而且也能减轻环境污染,还能降低运行成本。在电力资源紧张且燃料充足的场合,如气矿、油矿、煤矿等可以采用直燃型的吸收式制冷机组,可以就地取材,减少燃料的运输费用,也避免能量之间转换浪费。在太阳能充足场合,通过改变工质对的使用可以直接利用太阳能进行驱动,如使用水—溴化锂—硫氰酸锂三元溶液、硫氰酸钠—氨、R22—E818等工质对。在氨、乙醇作为制冷剂时,可以实现低温制冷(0℃以下)。吸收式制冷的热力系数比蒸气压缩式制冷低,在有多余的驱动能源场合使用,可通过降低运行成本体现经济效益。所以应该因地制宜选择合理、高效方式。整个机组中只有泵是运动部件,其余都是静止设备,所以振动、噪声都很小,运转平稳,对基建要求不高,可在露天、楼顶安装,适用于船舰、医院、宾馆等要求振动与噪声小的场合。1.3吸附式制冷质控吸附式制冷是依靠太阳能进行工作,在太阳能充足场合使用最为理想,既没有污染,又是一次性投资。此种制冷方式的效率低且间断性大,也受天气影响,不适用于需要连续大制冷量场合。对于个体家庭来说,使用吸附式制冷,在提供制冷同时,还可以利用吸附剂吸附吸附质时放出的吸附热,提供家庭热水或充当冬季采暖热源。使用化学吸附工质对以及对吸附床进行热传递强化改造,可以实现利用吸附式制冷制冰,若将此方法与冰蓄冷方法结合,作为空调系统冷源,可以实现全天性提供冷量。吸附式制冷在采用不同的固体吸附剂(如:低温热源的硅胶—水系统,较高温热源的沸石—水系统)后可进行大部分低品位余热资源回收,进行制冷,如车辆尾气、渔船柴油机尾气、锅炉烟气等方面。这样提高了燃料的综合利用,也减少了环境的污染。1.4热电制冷在其他方面的应用热电制冷是一种利用温差电效应(即帕尔贴效应)来实现制冷。由于体积较小,使用在微型场合,发挥其它制冷方式所不能发挥到的作用。热电制冷在电子器件上使用,使其能够在恒温及较小精度中工作;热电制冷在工业上的运用,可以提供高真空场合,以及对工业气体含水量测定与控制;热电制冷在医学上应用,如手术麻痹、冷冻止血、冷冻切除白内障等,还可以制作药用的热电冷藏箱,用于保存血浆、疫苗、血清、药品等;在电源充足,运行经济性不作为首要考虑问题的应用场合,取热电制冷可靠、简单、无噪声、无振动、无工质泄漏长处,用以空调或冷藏装置,如核潜艇、卫星站、飞机、地下建筑的空调器。2吸附式制冷与热电制冷的比较不同制冷方式的投资成本和运行成本有所不同,在使用上存在经济差异。上述的四种制冷方式中,蒸气压缩式制冷、吸收式制冷无论是在民用还是工业使用中都占有很大一部分。而吸附式制冷只是在一般家庭及回热吸附中使用,做为常用制冷方式是比较少,主要由于间断性比较强、效率低。热电制冷是现代先进科技发展的制冷方式,同时也是使用在特殊场合,其它制冷方式很难替代,在使用时经济性没有过多要求。在此只将蒸气压缩式制冷与吸收式制冷进行经济效益比较,不把吸附制冷与热电制冷参与比较。下面对某地区采用的电力制冷设备和溴化锂制冷设备(直燃型、蒸汽型)进行四个方面进行分析。其结果可供设计者和建设单位参考。2.1电力制冷设备一般情况下电力制冷设备体积要小于溴化锂制冷设备体积,但是目前各个大楼都具有一定规模地下室,有能力放置电力制冷设备或溴化锂制冷设备,所以在机房占地面积和土建投资方面,两者没有很大差别。若是要另行机房建设,电力制冷设备的机房占地面积和土建投资均为溴化锂制冷设备的55.2%~63.8%,每平米按800元计算,可节省投资4~7.5万元。各计算结果如表1所示。2.2倍溴化锂吸收式制冷设备价格较高,是电力制冷设备价格的4.7~10.07倍。此外,溴化锂吸收式制冷设备的冷却水量是电力制冷设备的1.3~1.5倍,使得溴化锂吸收式制冷系统的辅助材料规格增大,提高投资成本费用。如表2。2.3机组经济分析直燃式溴化锂吸收式冷水机组的煤气配套费低于电力制冷设备的电增容费和配变电设施费之和。蒸汽(热水)式溴化锂吸收式冷水机组所用蒸汽(热水)的配套费按另设燃气式蒸汽(热水)锅炉计算,其结果高于电力制冷设备的电增容费和配变电设施费之和。电增容费按每千瓦100元,直燃式溴化锂吸收式冷水机组的煤气配套费按每0.7MW负荷l2万元计。计算合计结果如表3所示。经过以上三个方面经济分析,可以明显看出溴化锂吸收式制冷设备各方面的初投资均高于电力制冷设备的初投资。总投资见表42.4比较能源冷湿设备和溴化钛冷湿设备的运营成本2.4.1机组运行成本某市夏季空调按100天计算,每天供冷10小时,电费按每千瓦0.76元计算,煤气费按每标准立方米1.2元计算。电力制冷设备与溴化锂吸收式制冷设备的运行费用计算结果见表5。从表中可见溴化锂吸收式制冷的运行费用约是电力设备的运行费用的两倍。我国有些省、市已实行按时段收取电费,峰时、平时、谷时段的电价相差几倍,如果电力制冷设备和蓄冷技术相结合,谷时用电力制冰蓄冷,会使电力制冷设备运行费用更低。若吸收式机组使用在燃料资源丰富地区,或者是与其它产业进行联产,充分将其多余热气或热水利用,可减少机组运行成本,具体数据见表6。蒸汽(热水)式溴化锂机组安装在拥有废弃余热(余热可以达到使用要求)的场合,它的运行成本就仅仅是运动部件电费,此种情况下的运行成本仅仅约为电力制冷机组运行成的10%,在使用了若干年后就可以将成本收回见表7。在热—冷联产的情况下,吸收式制冷机组相对于电力制冷机组可在6年左右的时间将成本收回(在机组使用寿命内,如表8所示),之后的运行成本就低于了电力制冷机组。由此看来吸收式机组在联产情况下使用具有较大的优势。目前大型取暖场合大都采用锅炉或热泵型式,而每种形式都有自身的特点。锅炉是直接采用燃烧燃料,以物体的内能直接换取热能,这样存在热效率,其效率理论上是小于1,并将影响到能源的利用率,况且当今的自然能源越来越紧缺,使其在今后的发展受到一定的制约。热泵则是通过制冷剂的相变不断的从空气中吸取热量,其效率理论上是大于1。但是由于当今各地各种能源价格不同,存在在相同情况下的运行费用不同的可能,甚至热泵的运行费用将超过锅炉。与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比,水源热泵具有明显的优势,因锅炉供热仅能将90%~98%的电能或70%~90%的燃料内能转化为热量供用户使用。故水源热泵可节省70%以上的电能,比燃料锅炉节省50%以上。由于水源热泵热源温度全年稳定在10℃~25℃,其制冷、制热系数可达3.5~4.4,与传统空气源热泵相比高出约40%,其运行费用比普通中央空调节省40%~50%。如图所示,以北京市为例,对各种采暖方式的费用进行比较。综上经济分析阐明了电力机组和吸收式机组在经济上的优缺点,在制冷方式选择时候要进行多方面分析,要综合考虑所有可能影响到的因素,这样才能选择最合理的制冷方式。3制冷方式使用场合分析如今随着科技的不断进步,制冷方式也日趋多元化。在选择制冷方式时要考虑的因素也将越来越多。经过分析可知在电力资源比较丰富的区域可采用蒸气压缩式制冷