家用燃氣空調時代
20世紀80年代后半期，家用燃氣空調進入日本市場。剛經(jīng)歷過第一次石油危機的日本，進口了大量價格低廉的天然氣和液化石油氣，按照當時合同的規(guī)定，即使在用氣負荷低谷的夏季，日本也必須保證基本的進口量。因此，1981年，日本政府組織了十幾家企業(yè)，合作開發(fā)采用燃氣發(fā)動機驅動的家用燃氣空調。按照最初的設想，在住宅中普及燃氣空調可以利用夏季富余的燃氣替代部分電力，平抑夏季空調大量使用形成的電力尖峰負荷，實現(xiàn)電力和燃氣的季節(jié)性互補。日本企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的家用燃氣空調采用小型燃氣發(fā)動機直聯(lián)開式壓縮機，以蒸汽壓縮式循環(huán)方式運行。本文所提及的燃氣空調為采用燃氣發(fā)動機驅動的蒸汽壓縮式循環(huán)空調機組(GHP)，又稱燃機空調。
在家用燃氣空調進入日本市場前，日本矢崎公司已具有多年生產(chǎn)小型燃氣空調機組的經(jīng)驗，利用直燃溴化鋰-水吸收式循環(huán)原理進行生產(chǎn)，部分型號已經(jīng)可以在住宅中使用。在歐洲和美國，適用于家用和類似場所的、采用直燃氨-水吸收式循環(huán)的小型燃氣空調機組也已銷售多年。
家用燃氣空調開發(fā)之初，人們都對這種產(chǎn)品寄予厚望，但是在產(chǎn)品投放市場后卻暴露出一系列的問題。家用燃氣空調是以燃氣作為運行能源的，理論上可將電動空調必須經(jīng)歷的“燃氣-機械動力-電力-電力傳輸-機械動力”的轉換過程，簡化為“燃氣-機械動力”，但是小型燃氣發(fā)動機的熱功轉換效率較低，若將相同數(shù)量的燃氣用于大型發(fā)電機組發(fā)電，再經(jīng)電網(wǎng)輸送供電動空調運行，燃氣的利用效率更高。
家用燃氣空調產(chǎn)生節(jié)能效益的前提是，燃氣發(fā)動機運行過程中產(chǎn)生的余熱被有效利用。在夏季運行時，燃氣空調不僅需要通過冷凝器排放熱量，還需要將發(fā)動機運行的余熱排放到環(huán)境中，后者的排放量大致相當于冷凝器排放熱量的一半左右。燃氣發(fā)動機運行過程中排放的煙氣與汽車發(fā)動機的排氣類似，會造成一定污染;同時，由于燃氣空調須在住宅區(qū)內長期運行，污染危害程度比汽車更為嚴重。而大型發(fā)電設施通常遠離用戶，余熱排放不會直接影響用戶所在區(qū)域的熱島效應。在獲得相同動力的前提下，大型發(fā)電設施排放的熱量不到家用燃氣空調所配套的小型燃氣發(fā)動機的一半。
家用燃氣空調采用的燃氣發(fā)動機和開式壓縮機均為維護頻次較高的部件，一般情況下，須每3年進行一次全面維護，并每年檢查制冷劑泄漏情況;同時，壓縮機軸封至少每3年須更換一次，且更換操作復雜。相較電動空調10~15年免維護，家用燃氣空調的維護工作量大且復雜。
由于家用燃氣空調結構復雜且產(chǎn)量低，家用燃氣空調的制造成本明顯高于電動空調，雖然使用燃氣可以降低運行費用，但是，在住宅場所，電動空調約有一半的運行時間處于電網(wǎng)低谷負荷時段，以日本東京地區(qū)為例，此時段的電價僅為日間電價的1/5左右，這種情況下家用燃氣空調的經(jīng)濟性并不能得到體現(xiàn)。
目前，商用燃氣空調仍然活躍在日本市場，但是銷量也在不斷下滑，自2000年起，商用燃氣空調在日本的銷售量平均每年約降低4%。2008年，商用燃氣空調在日本的銷售量為2.3212萬臺。與家用燃氣空調相比，商用燃氣空調的技術經(jīng)濟競爭力較強，在一些全年熱負荷需求較大的場所(如醫(yī)院、旅館等)，由于余熱得到較充分利用而具有一定優(yōu)勢。同時，商用燃氣空調的運行時段覆蓋白天電網(wǎng)尖峰負荷時段，削減電網(wǎng)負荷效果明顯。此外，較大的燃氣發(fā)動機的熱功轉換效率較高，約比家用燃氣發(fā)動機高1倍，運行經(jīng)濟性相對較好。盡管商用燃氣空調市場仍在繼續(xù)縮小，但是在可以預見的未來，這種產(chǎn)品仍有生存空間。
中國燃氣空調泡沫
2003年，中國開始建設“西氣東輸”工程，曾有一段時間，中國空調制造行業(yè)形成了巨大的“燃氣空調泡沫”，有人甚至樂觀地預測，到2030年燃氣空調的產(chǎn)業(yè)規(guī)?？梢耘c電動空調平分秋色。事實上，即使在產(chǎn)銷量最大的日本市場，家用燃氣空調的市場占有率最高僅為0.2%左右。值得一提的是，當時中國制冷空調行業(yè)幾乎言必及燃氣空調，似乎燃氣空調已經(jīng)成為中國空調制造行業(yè)技術升級和產(chǎn)業(yè)擴張的新領域，卻幾乎無人提及當時日本燃氣空調市場已經(jīng)出現(xiàn)明顯收縮。
2003~2005年，中國形成了約2萬臺商用燃氣空調的生產(chǎn)能力，但家用燃氣空調的產(chǎn)業(yè)化并未開始，雖然一些企業(yè)積極開發(fā)以住宅和類似場所為對象的直燃溴化鋰-水吸收式循環(huán)和直燃氨-水吸收式循環(huán)的小型燃氣空調機組，但是均未形成產(chǎn)業(yè)化能力。溴化鋰-水吸收式循環(huán)必須在真空條件下進行，小容量系統(tǒng)長期維持較高真空度的困難較大，家用產(chǎn)品的維護問題比較突出;同時，制冷性能系數(shù)偏低、體積大、造價高等問題都影響了這種產(chǎn)品在中國的產(chǎn)業(yè)化。氨-水吸收式循環(huán)是在正常壓力條件下進行的，而且氨為天然物質，不存在溫室效應和臭氧層損耗等環(huán)境問題，但是氨制冷劑的安全性分類為B2，即有毒且可燃，由于受相關標準的制約，氨-水吸收式循環(huán)機組不能在民用場所安裝使用，包括家用和類似用途場所，目前這類產(chǎn)品的開發(fā)只能作為技術跟蹤和儲備;同時，制冷性能系數(shù)偏低等問題也是制約該類產(chǎn)品發(fā)展的主要原因。
在中國，燃氣空調的使用還受到資源問題的制約。從中國全國范圍看，目前燃氣供應量不足能源供應總量的3%。除了個別以石油為主要能源的國家，世界各國燃氣的能源供應比重平均為20%左右。雖然近年來中國燃氣供應量保持著兩位數(shù)的增長速度，但是仍存在約20%的供需缺口。2004年，一些地區(qū)發(fā)布了鼓勵使用燃氣空調的政策，但實施僅一年就不得不進行調整，直接原因之一就是燃氣供應量難以適應燃氣空調的需求。在燃氣資源相對富裕的地區(qū)，燃氣質量又成為制約燃氣空調應用的突出問題，低質量的燃氣不僅可能造成發(fā)動機運行不穩(wěn)定、效率降低等問題，而且可能對發(fā)動機的可靠性造成嚴重影響。
家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置
與家用燃氣空調退出市場形成對照的是，日本家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的市場規(guī)模迅速擴大。2008年，日本采用燃氣發(fā)動機驅動的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的銷售量約為5萬臺，并保持著約20%的年平均增長率，2009年，采用燃料電池的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的銷售量預計約為4000臺。
從熱力學角度分析，家用燃氣空調是一種能源梯級利用方式，在燃氣進行能源轉換的過程中，先獲得品位較高的機械能，余下的品位較低的能量以熱能方式加以利用，將不同的能源轉換過程進行合理組合。
與燃氣直接燃燒獲得熱量用于采暖和供應生活熱水的方式相比，家用燃氣空調用于采暖和供應生活熱水，至少可以節(jié)省30%的燃氣。相同原理應用于家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，在日本演變?yōu)閮煞N產(chǎn)品——EcoWill(生態(tài)愿景)和EneFarm(能量田園)。
EcoWill是日本以燃氣發(fā)動機驅動的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的商品名，是目前世界上銷售量最大的家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。日本政府在1996年組織多家企業(yè)、大學和研究機構聯(lián)合開發(fā)EcoWill，并于2002年底投放市場。其中，較有代表性的是本田公司2003年推出的MCHP1.0，截至2008年該產(chǎn)品的累積銷售量已經(jīng)突破8萬臺，約占日本EcoWill市場份額的50%。該產(chǎn)品采用燃氣內燃發(fā)動機發(fā)電，同時利用發(fā)動機的余熱提供熱水，額定發(fā)電功率為1kW，供熱量為2.8kW，燃氣利用效率約為85%。此外，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)已開發(fā)出配備斯特林發(fā)動機的家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，主要面向寒冷地區(qū)，額定發(fā)電功率為841W，發(fā)電效率為30%，同時由于余熱回收過程較為簡便，熱效率高達96%，不僅優(yōu)于同類斯特林發(fā)動機，也優(yōu)于功率相同的內燃機，并可適用多種燃料，將于2010年開始銷售。
EneFarm是采用燃料電池的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的商品名，該產(chǎn)品2002年由日本政府組織學校、科研機構、生產(chǎn)企業(yè)和燃氣供應商進行聯(lián)合開發(fā)，并于2009年開始銷售。EneFarm多以天然氣或液化石油氣等燃氣為燃料，個別型號也可以煤油為燃料。1臺額定發(fā)電功率1kW的EneFarm，大致可滿足普通日本家庭60%的電力需求和80%的熱水需求。由于燃料電池將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要內燃機或外燃機等裝置所必須經(jīng)過的“化學能-熱能-機械能-電能”的多次轉換，理論上的能源利用效率較高。
目前，投放市場的產(chǎn)品基本為質子交換膜型(PEMFC)，松下公司銷售PEMFC產(chǎn)品的發(fā)電效率約為39%，比內燃發(fā)動機高30%以上。而將于下一階段投放市場的固體氧化物型(SOFC)產(chǎn)品的發(fā)電效率更高，測試樣機的發(fā)電效率已超過44%。日本礙子公司已成功研制出以氫為燃料且發(fā)電效率達63%的SOFC產(chǎn)品。澳大利亞CFCL公司宣布，該公司生產(chǎn)的SOFC產(chǎn)品的發(fā)電效率可達60%。日本企業(yè)原計劃將在2012年前后批量生產(chǎn)SOFC產(chǎn)品，但是2009年上半年，大阪燃氣、京瓷、豐田汽車、愛信精機4家公司，達成加快開發(fā)SOFC產(chǎn)品協(xié)議，計劃于2010年上半年完成SOFC產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，使該產(chǎn)品提前兩年進入市場。
家用燃氣空調定位制冷、制熱、供熱水三大功能，而家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的定位為發(fā)電、制冷、制熱、供熱水四大功能，其中制冷功能利用電動空調實現(xiàn)。在采用家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的住宅中，電動空調既可利用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置生產(chǎn)的電力運行，也可利用電網(wǎng)供電運行。家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置所配套的空調機組僅需為普通的電動空調，相對于家用燃氣空調，電動空調結構簡單、造價低廉，且10~15年內免維護。另外，用于家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的斯特林發(fā)動機通常采用密閉式結構，在壽命周期內無需維護。EneFarm的使用壽命超過4萬小時，可以正常使用10年。家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置與電動空調的組合，不僅實現(xiàn)了當初開發(fā)家用燃氣空調的設想，還進一步擴展了產(chǎn)品的應用領域，增強了產(chǎn)品的技術經(jīng)濟競爭力。
商用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置也正在部分取代商用燃氣空調。
對于商業(yè)用戶來說，購置商用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置和電動空調的費用之和，通常不會高于購買商用燃氣空調的費用，用戶還因此擁有了一套備用發(fā)電設備。盡管市場上已經(jīng)有直燃式制冷、制熱、供熱水三用的吸收式機組，但是，從熱力學和運行經(jīng)濟性角度看，難以與商用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置配套電動空調和余熱驅動型吸收式制冷機組構成的系統(tǒng)相競爭。
家用空調混合供電
采用燃氣和電力混合驅動的空調系統(tǒng)，雖然不能完全避免燃燒產(chǎn)物就地排放產(chǎn)生的問題，但是，由于電力和燃氣各有優(yōu)缺點，尤其是在一些夏季高溫天氣持續(xù)時間較短的地區(qū)，允許一定量的煙氣和余熱就地排放，可以取得顯著的削減電力負荷尖峰的效果。
據(jù)介紹，日本住宅用于夏季空調制冷消耗的能量僅為冬季采暖消耗能量的1/10~1/5，中國除華南外的廣大地區(qū)的情況與之類似。據(jù)報道，中國某企業(yè)正在開發(fā)一種稱為混合動力的燃氣熱泵裝置，既可利用燃氣動力驅動，也可利用電網(wǎng)供電運行。
采用家用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置與公共電網(wǎng)混合供電的方式，除了出于能源利用效率的考慮，還有一個重要原因是，能夠使相關能源供應網(wǎng)絡的負荷趨于平緩。無論是供氣網(wǎng)還是供電網(wǎng)，都是按照最大負荷進行建造的，而在最大負荷條件下運行的時數(shù)通常只占總運行時數(shù)的較小比例，網(wǎng)絡負荷的峰谷差越大，最大負荷條件下運行的時間就越短，因此利用縮小峰谷差來改善網(wǎng)絡技術經(jīng)濟指標是較為常見的措施。降低負荷峰值，可以減小網(wǎng)絡的容量，從而降低造價;提高負荷谷值，可以使得閑置的供應能力得到利用，從而降低運營費用。在實行電價分時計費的地區(qū)，空調制冷采用電力驅動有一個好處，住宅中的空調機組有一半時間是在電網(wǎng)負荷低谷時段運行的，在此時段用戶可以利用比日間電價低很多的電力資源。近年來，住宅空調系統(tǒng)普遍采用了溫濕度獨立調節(jié)技術，這類系統(tǒng)利用吸濕性材料以吸收或吸附方式對空氣進行除濕，空調制冷機僅承擔顯熱負荷，可以提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，從而使空調系統(tǒng)的電力消耗減少30%左右，吸濕性材料則利用發(fā)動機余熱進行再生，較好地解決了夏季運行時發(fā)動機余熱利用問題。這類利用低溫熱源再生吸濕材料的空氣除濕機組，有時也被稱為開式循環(huán)燃氣空調。
