家用燃气空调时代

　　20世纪80年代后半期，家用燃气空调进入日本市场。刚经历过第一次石油危机的日本，进口了大量价格低廉的天然气和液化石油气，按照当时合同的规定，即使在用气负荷低谷的夏季，日本也必须保证基本的进口量。因此，1981年，日本政府组织了十几家企业，合作开发采用燃气发动机驱动的家用燃气空调。按照最初的设想，在住宅中普及燃气空调可以利用夏季富余的燃气替代部分电力，平抑夏季空调大量使用形成的电力尖峰负荷，实现电力和燃气的季节性互补。日本企业联合开发的家用燃气空调采用小型燃气发动机直联开式压缩机，以蒸汽压缩式循环方式运行。本文所提及的燃气空调为采用燃气发动机驱动的蒸汽压缩式循环空调机组(GHP)，又称燃机空调。

　　在家用燃气空调进入日本市场前，日本矢崎公司已具有多年生产小型燃气空调机组的经验，利用直燃溴化锂-水吸收式循环原理进行生产，部分型号已经可以在住宅中使用。在欧洲和美国，适用于家用和类似场所的、采用直燃氨-水吸收式循环的小型燃气空调机组也已销售多年。

　　家用燃气空调开发之初，人们都对这种产品寄予厚望，但是在产品投放市场后却暴露出一系列的问题。家用燃气空调是以燃气作为运行能源的，理论上可将电动空调必须经历的“燃气-机械动力-电力-电力传输-机械动力”的转换过程，简化为“燃气-机械动力”，但是小型燃气发动机的热功转换效率较低，若将相同数量的燃气用于大型发电机组发电，再经电网输送供电动空调运行，燃气的利用效率更高。

　　家用燃气空调产生节能效益的前提是，燃气发动机运行过程中产生的余热被有效利用。在夏季运行时，燃气空调不仅需要通过冷凝器排放热量，还需要将发动机运行的余热排放到环境中，后者的排放量大致相当于冷凝器排放热量的一半左右。燃气发动机运行过程中排放的烟气与汽车发动机的排气类似，会造成一定污染;同时，由于燃气空调须在住宅区内长期运行，污染危害程度比汽车更为严重。而大型发电设施通常远离用户，余热排放不会直接影响用户所在区域的热岛效应。在获得相同动力的前提下，大型发电设施排放的热量不到家用燃气空调所配套的小型燃气发动机的一半。

　　家用燃气空调采用的燃气发动机和开式压缩机均为维护频次较高的部件，一般情况下，须每3年进行一次全面维护，并每年检查制冷剂泄漏情况;同时，压缩机轴封至少每3年须更换一次，且更换操作复杂。相较电动空调10~15年免维护，家用燃气空调的维护工作量大且复杂。

　　由于家用燃气空调结构复杂且产量低，家用燃气空调的制造成本明显高于电动空调，虽然使用燃气可以降低运行费用，但是，在住宅场所，电动空调约有一半的运行时间处于电网低谷负荷时段，以日本东京地区为例，此时段的电价仅为日间电价的1/5左右，这种情况下家用燃气空调的经济性并不能得到体现。

　　目前，商用燃气空调仍然活跃在日本市场，但是销量也在不断下滑，自2000年起，商用燃气空调在日本的销售量平均每年约降低4%。2008年，商用燃气空调在日本的销售量为2.3212万台。与家用燃气空调相比，商用燃气空调的技术经济竞争力较强，在一些全年热负荷需求较大的场所(如医院、旅馆等)，由于余热得到较充分利用而具有一定优势。同时，商用燃气空调的运行时段覆盖白天电网尖峰负荷时段，削减电网负荷效果明显。此外，较大的燃气发动机的热功转换效率较高，约比家用燃气发动机高1倍，运行经济性相对较好。尽管商用燃气空调市场仍在继续缩小，但是在可以预见的未来，这种产品仍有生存空间。

　　中国燃气空调泡沫

　　2003年，中国开始建设“西气东输”工程，曾有一段时间，中国空调制造行业形成了巨大的“燃气空调泡沫”，有人甚至乐观地预测，到2030年燃气空调的产业规模可以与电动空调平分秋色。事实上，即使在产销量最大的日本市场，家用燃气空调的市场占有率最高仅为0.2%左右。值得一提的是，当时中国制冷空调行业几乎言必及燃气空调，似乎燃气空调已经成为中国空调制造行业技术升级和产业扩张的新领域，却几乎无人提及当时日本燃气空调市场已经出现明显收缩。

　　2003~2005年，中国形成了约2万台商用燃气空调的生产能力，但家用燃气空调的产业化并未开始，虽然一些企业积极开发以住宅和类似场所为对象的直燃溴化锂-水吸收式循环和直燃氨-水吸收式循环的小型燃气空调机组，但是均未形成产业化能力。溴化锂-水吸收式循环必须在真空条件下进行，小容量系统长期维持较高真空度的困难较大，家用产品的维护问题比较突出;同时，制冷性能系数偏低、体积大、造价高等问题都影响了这种产品在中国的产业化。氨-水吸收式循环是在正常压力条件下进行的，而且氨为天然物质，不存在温室效应和臭氧层损耗等环境问题，但是氨制冷剂的安全性分类为B2，即有毒且可燃，由于受相关标准的制约，氨-水吸收式循环机组不能在民用场所安装使用，包括家用和类似用途场所，目前这类产品的开发只能作为技术跟踪和储备;同时，制冷性能系数偏低等问题也是制约该类产品发展的主要原因。

　　在中国，燃气空调的使用还受到资源问题的制约。从中国全国范围看，目前燃气供应量不足能源供应总量的3%。除了个别以石油为主要能源的国家，世界各国燃气的能源供应比重平均为20%左右。虽然近年来中国燃气供应量保持着两位数的增长速度，但是仍存在约20%的供需缺口。2004年，一些地区发布了鼓励使用燃气空调的政策，但实施仅一年就不得不进行调整，直接原因之一就是燃气供应量难以适应燃气空调的需求。在燃气资源相对富裕的地区，燃气质量又成为制约燃气空调应用的突出问题，低质量的燃气不仅可能造成发动机运行不稳定、效率降低等问题，而且可能对发动机的可靠性造成严重影响。

　　家用燃气热电联产装置

　　与家用燃气空调退出市场形成对照的是，日本家用燃气热电联产装置的市场规模迅速扩大。2008年，日本采用燃气发动机驱动的家用热电联产装置的销售量约为5万台，并保持着约20%的年平均增长率，2009年，采用燃料电池的家用热电联产装置的销售量预计约为4000台。

　　从热力学角度分析，家用燃气空调是一种能源梯级利用方式，在燃气进行能源转换的过程中，先获得品位较高的机械能，余下的品位较低的能量以热能方式加以利用，将不同的能源转换过程进行合理组合。

　　与燃气直接燃烧获得热量用于采暖和供应生活热水的方式相比，家用燃气空调用于采暖和供应生活热水，至少可以节省30%的燃气。相同原理应用于家用热电联产装置，在日本演变为两种产品——EcoWill(生态愿景)和EneFarm(能量田园)。

　　EcoWill是日本以燃气发动机驱动的家用热电联产装置的商品名，是目前世界上销售量最大的家用燃气热电联产装置。日本政府在1996年组织多家企业、大学和研究机构联合开发EcoWill，并于2002年底投放市场。其中，较有代表性的是本田公司2003年推出的MCHP1.0，截至2008年该产品的累积销售量已经突破8万台，约占日本EcoWill市场份额的50%。该产品采用燃气内燃发动机发电，同时利用发动机的余热提供热水，额定发电功率为1kW，供热量为2.8kW，燃气利用效率约为85%。此外，日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)已开发出配备斯特林发动机的家用燃气热电联产装置，主要面向寒冷地区，额定发电功率为841W，发电效率为30%，同时由于余热回收过程较为简便，热效率高达96%，不仅优于同类斯特林发动机，也优于功率相同的内燃机，并可适用多种燃料，将于2010年开始销售。

　　EneFarm是采用燃料电池的家用热电联产装置的商品名，该产品2002年由日本政府组织学校、科研机构、生产企业和燃气供应商进行联合开发，并于2009年开始销售。EneFarm多以天然气或液化石油气等燃气为燃料，个别型号也可以煤油为燃料。1台额定发电功率1kW的EneFarm，大致可满足普通日本家庭60%的电力需求和80%的热水需求。由于燃料电池将燃料的化学能直接转换为电能，不需要内燃机或外燃机等装置所必须经过的“化学能-热能-机械能-电能”的多次转换，理论上的能源利用效率较高。

　　目前，投放市场的产品基本为质子交换膜型(PEMFC)，松下公司销售PEMFC产品的发电效率约为39%，比内燃发动机高30%以上。而将于下一阶段投放市场的固体氧化物型(SOFC)产品的发电效率更高，测试样机的发电效率已超过44%。日本碍子公司已成功研制出以氢为燃料且发电效率达63%的SOFC产品。澳大利亚CFCL公司宣布，该公司生产的SOFC产品的发电效率可达60%。日本企业原计划将在2012年前后批量生产SOFC产品，但是2009年上半年，大阪燃气、京瓷、丰田汽车、爱信精机4家公司，达成加快开发SOFC产品协议，计划于2010年上半年完成SOFC产业化开发，使该产品提前两年进入市场。

　　家用燃气空调定位制冷、制热、供热水三大功能，而家用燃气热电联产装置的定位为发电、制冷、制热、供热水四大功能，其中制冷功能利用电动空调实现。在采用家用燃气热电联产装置的住宅中，电动空调既可利用热电联产装置生产的电力运行，也可利用电网供电运行。家用燃气热电联产装置所配套的空调机组仅需为普通的电动空调，相对于家用燃气空调，电动空调结构简单、造价低廉，且10~15年内免维护。另外，用于家用燃气热电联产装置的斯特林发动机通常采用密闭式结构，在寿命周期内无需维护。EneFarm的使用寿命超过4万小时，可以正常使用10年。家用燃气热电联产装置与电动空调的组合，不仅实现了当初开发家用燃气空调的设想，还进一步扩展了产品的应用领域，增强了产品的技术经济竞争力。

　　商用燃气热电联产装置也正在部分取代商用燃气空调。

　　对于商业用户来说，购置商用燃气热电联产装置和电动空调的费用之和，通常不会高于购买商用燃气空调的费用，用户还因此拥有了一套备用发电设备。尽管市场上已经有直燃式制冷、制热、供热水三用的吸收式机组，但是，从热力学和运行经济性角度看，难以与商用燃气热电联产装置配套电动空调和余热驱动型吸收式制冷机组构成的系统相竞争。

　　家用空调混合供电

　　采用燃气和电力混合驱动的空调系统，虽然不能完全避免燃烧产物就地排放产生的问题，但是，由于电力和燃气各有优缺点，尤其是在一些夏季高温天气持续时间较短的地区，允许一定量的烟气和余热就地排放，可以取得显著的削减电力负荷尖峰的效果。

　　据介绍，日本住宅用于夏季空调制冷消耗的能量仅为冬季采暖消耗能量的1/10~1/5，中国除华南外的广大地区的情况与之类似。据报道，中国某企业正在开发一种称为混合动力的燃气热泵装置，既可利用燃气动力驱动，也可利用电网供电运行。

　　采用家用燃气热电联产装置与公共电网混合供电的方式，除了出于能源利用效率的考虑，还有一个重要原因是，能够使相关能源供应网络的负荷趋于平缓。无论是供气网还是供电网，都是按照最大负荷进行建造的，而在最大负荷条件下运行的时数通常只占总运行时数的较小比例，网络负荷的峰谷差越大，最大负荷条件下运行的时间就越短，因此利用缩小峰谷差来改善网络技术经济指标是较为常见的措施。降低负荷峰值，可以减小网络的容量，从而降低造价;提高负荷谷值，可以使得闲置的供应能力得到利用，从而降低运营费用。在实行电价分时计费的地区，空调制冷采用电力驱动有一个好处，住宅中的空调机组有一半时间是在电网负荷低谷时段运行的，在此时段用户可以利用比日间电价低很多的电力资源。近年来，住宅空调系统普遍采用了温湿度独立调节技术，这类系统利用吸湿性材料以吸收或吸附方式对空气进行除湿，空调制冷机仅承担显热负荷，可以提高制冷系统的蒸发温度，从而使空调系统的电力消耗减少30%左右，吸湿性材料则利用发动机余热进行再生，较好地解决了夏季运行时发动机余热利用问题。这类利用低温热源再生吸湿材料的空气除湿机组，有时也被称为开式循环燃气空调。