VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)的技術經(jīng)濟案例分析

董麗娟 楊 潔 張 旭

( 同濟大學機械工程學院 上海 200092)

近年來，VRV系統(tǒng)的應用日趨廣泛，但由于受建筑面積和室外機擺放的困難其應用受到限制。結合VRV和地源熱泵兩種技術的優(yōu)勢，提出一種既能實現(xiàn)高效智能化控制又具有高效節(jié)能性的VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)延伸了VRV的適用范圍，克服傳統(tǒng)VRV連管長、落差大的限制，有效節(jié)約銅管使用量，適用于超高、超大型建筑以及寒冷地域的制熱應用。

VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)的基本制冷/熱原理和控制原理同傳統(tǒng)VRV系統(tǒng)一樣，區(qū)別在于在室外機側以水作為換熱載體，而后者以風作為換熱載體。圖1為系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由地埋管換熱器、VRV地源熱泵主機、室內機、管道系統(tǒng)等組成。

目前對該技術的研究比較少，文獻[1]介紹了該系統(tǒng)的一個應用實例。而對該技術的實際運行特性、能耗特性及經(jīng)濟性等的研究目前還沒有。這里結合上海某辦公樓的VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)，通過與其他常規(guī)空調方案進行比較，著重對系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行研究。

圖1 VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 System diagram of VRV Ground Source Heat Pump

1 工程概況和空調系統(tǒng)方案

研究對象是上海某辦公樓的VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)，工程概況如下：

辦公樓共12層，層高3.6m，總建筑面積為20000m2，工作 間為8:00～18:00。夏季空調設計冷負荷(不含新風負荷)為2624.36kW，室內設計溫度26℃，相對濕度55%；冬季供熱負荷(不含新風負荷)為1377.60kW，室內設計溫度20℃。

根據(jù)我國幾種常見的空調方案，與VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)進行比較，詳見表1。

表1 各方案情況Tab.1 Each Program

以上方案均采用獨立的新風系統(tǒng)，將新風處理到室內焓值后送入空調房間。

2 各方案的全年運行能耗

2.1 辦公樓負荷分析

采用BIN法計算辦公樓的全年負荷，BIN法假設圍護結構負荷(包括日射及溫差負荷)和新風、滲透負荷都與室外干球溫度有著線性關系，依此線性關系計算得出不同溫度條件下的負荷，乘以該溫度段出現(xiàn)的小 數(shù)，得出該溫度下的冷/熱負荷。全年各溫頻段所對應的冷/熱負荷如圖2所示。

圖2 全年冷/熱負荷Fig.2 Annual cold/heat load

經(jīng)計算得到全年冷負荷為95.25kWh/m2，熱負荷為31.39kWh/m2。

2.2 各方案全年運行能耗

各方案的全年運行能耗主要包括夏季制冷機組的能耗，冬季制熱機組的能耗，以及輔助設備的冬/夏季能耗。

2.2.1 制冷機組的運行能耗

根據(jù)機組在不同負荷率 的耗功率以及在此負荷率下的運行 間，可求得制冷機組的全年運行能耗，相應的計算公式為：

式中：Wij—第i臺制冷機的在j工況下的功率，kW；Tij—第i臺制冷機在j工況下的運行 間，h。

各方案制冷機組的運行能耗見表2，機組部分性能曲線可根據(jù)廠家樣本擬合得到。

表2 制冷機組的運行能耗Tab.2 Operation consumption of refrigeration unit

2.2.2 制熱機組的運行能耗

空氣源熱泵和VRV系統(tǒng)、VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)的冬季能耗可根據(jù)機組的部分負荷性能曲線插值計算，而燃氣鍋爐在實際運行中當負荷率較低 ，常常采用間歇調節(jié)法，機組滿負荷運行數(shù)小 后就停機，可認為機組是處于滿負荷工況下運行，根據(jù)當量滿負荷運行 間()法[2]來計算。

表3 制熱機組的運行能耗Tab.3 Operation consumption of heating unit

2.2.3 輔助設備的運行能耗

將各輔助設備(冷卻水泵、冷凍水泵、補水水泵和冷卻塔)均看作是在額定工況下工作，即流量和耗電量不隨主機變化而變化。風冷熱泵冷水機組的冷凝風機的能耗與冷水機組的供冷量近似成正比，在制冷(熱)機組的能耗中已經(jīng)包括了風機的能耗，因此輔助設備能耗為0，只有冷凍水泵能耗，VRV系統(tǒng)的輔助設備能耗為0。

表4 輔助設備的運行能耗Tab.4 Operation consumption of auxiliary equipment

2.2.4 各方案的一次能耗

為方便進行能耗比較將各方案能耗轉化為一次能耗，其中電能按10256.4 kJ/kWh計算，天然氣按35588 kJ/m3計算[3]。圖3為各方案的一次能耗，P1＞P2＞P3＞P4。

圖3 各方案的一次能耗Fig.3 Energy consumption of each program

3 經(jīng)濟性分析

3.1 各方案初投資

初投資指空調系統(tǒng)各部分投資之和，主要包括設備費、安裝費、土建費、材料費、鉆孔費等。設備費主要指各方案中冷熱源機組及水泵等，按照實際設備價格計算；安裝費按照占設備的百分比來計算，其中熱泵系統(tǒng)按15%計算，鍋爐系統(tǒng)按照25%計算[4]；土建費按照機房面積與單方造價計算，機房單方造價按照1200元/m2計算[2]；對于水冷螺桿機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)，管道系統(tǒng)和保溫材料費用分別取設備總投資的5.7%和7.3%，VRV系統(tǒng)材料費取設備費的3.5%[4,5]；鉆孔費=孔深×鉆孔數(shù)×每米孔深價格，每米孔深價格按35元/m計算。從初投資看(見圖4)，P4最大，其次為P3、P2，P1最小。

圖4 各方案初投資/(萬元)Fig.4 The fi rst cost of each program

3.2 年運行費用

年運行費用主要包括電費、水費、燃料費及設備維護管理費(含維修費及人員工資)。電費按照上海地區(qū)電價0.646元/kWh計算，燃料費按照天然氣價格3.4元/m3計算，水費主要指系統(tǒng)補水水費，取補水率為2%～3%，自來水1.3元/m3。全年運行費用中(見圖5)，P4比P3略小，其次是P1，最大的是P2。

圖5 各方案的年運行費用/(萬元)Fig.5 The operation bills of each program

3.3 動態(tài)費用年值法比較

初投資和運行費用這兩個指標只能反映出各方案經(jīng)濟性的一方面，決策 只能就某一指標進行比較，要對各方案進行綜合經(jīng)濟比較 可以使用費用年值法。

動態(tài)費用年值法的實質是將項目初投資的資金現(xiàn)值按其 間價值等額分配到各使用年限中，與年經(jīng)營成本相加，其值最小者為最優(yōu)方案。

動態(tài)費用年值的計算公式為[5]：

式中：AW—費用年值(萬元)；Co—初投資，包括設備費等(萬元)；i —利率，取8%；m —使用壽命(年)，空氣源熱泵機組15年，其他冷水機組20年，燃氣鍋爐、冷卻塔、水泵10年，地下埋管50年；C —年運行成本(萬元)。

根據(jù)各方案的初投資及運行費用，代入公式(2)可得到各方案的費用年值。如圖6所示，四種方案中費用年值為P2＞P1＞P3＞P4。

圖6 各方案的費用年值/(萬元)Fig.6 The annual expenses of each program

3.4 敏感性分析

3.4.1 鉆孔費用的影響

鉆孔費用很大程度上影響VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)的初投資，圖7為鉆孔費用變化對各方案費用年值的影響。當鉆孔費用在36元/m以下 ，費用年值P4＜P3＜P1＜P2；當鉆孔費用為37元/m～100元/m，P4的費用年值比P3大，但不會超過P1和P2。

圖7 鉆孔費用對各方案費用年值的影響Fig.7 The in fl uence of drilling cost

3.4.2 燃料價格的影響

圖8 平均電價對各方案費用年值的影響Fig.8 The in fl uence of the average price

圖9 天然氣價格對各方案費用年值的影響Fig.9 The in fl uence of natural gas prices

(1)電價的影響

從圖8可以看出平均電價對四種方案的費用年值均有影響，其中P4隨電價波動幅度最小，其次為P3、P2，P1的波動幅度最大。電價在0.62元/kWh以下，費用年值P3＜P4＜P1＜P2；電價在0.62～0.84元/kWh之間，費用年值P4＜P3＜P1＜P2；電價在0.84元/kWh以上，費用年值P4＜P3＜P2＜P1。

(2)天然氣價格的影響

圖9為天然氣價格對P2費用年值的影響，P2費用年值比P3、P4的大，僅與P1交于2.6元/m3。

3.4.3 利率的影響

圖10 年利率對各方案費用年值的影響Fig.10 The in fl uence of rates

圖10為年利率變化對各方案費用年值的影響曲線圖。P4費用年值受年利率變化的影響最大，P1則影響最小。費用年值在4%～8%變化 ，P4的費用年值總是最小；當利率在8%～14%變化 ，費用年值P3＜P4＜P1＜P2。

3.4.4 壽命周期的影響

各方案機組的使用壽命會對費用年值產(chǎn)生很大的影響。圖11～14分別是風冷熱泵機組、水冷螺桿機組、VRV室外機、地源熱泵VRV主機使用壽命對其費用年值的影響。從圖11可看出，當風冷熱泵機組的使用壽命小于12年，費用年值P1＞P2，當大于12年 ，費用年值P1＜P2，但都比P3、P4大；從圖12可看出冷水機組使用壽命在26年以上 ，費用年值P2＜P1；從圖13可看出P3費用年值與P2、P1、P4分別交于9年、10年、20.5年；從圖14可看出，只要P4地源熱泵VRV主機使用壽命超過20年，其經(jīng)濟性就優(yōu)于其他三套方案。

圖11 風冷熱泵機組壽命對費用年值的影響Fig.11 The in fl uence of Air-cooled heat pump units life

圖12 水冷機組壽命對費用年值的影響Fig.12 The in fl uence of Water-cooled heat pump units life

圖13 VRV室外機壽命對費用年值的影響Fig.13 The in fl uence of VRV outdoor units life

圖14 VRV地源熱泵主機壽命對費用年值的影響Fig.14 The in fl uence of VRV Ground Source Heat Pump units

4 結論

通過以上分析，在冷熱源方案的選擇上，從能耗、經(jīng)濟性的角度綜合考慮，得到以下結論：

1)從一次能耗看，從優(yōu)到劣分別為VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)、VRV空調系統(tǒng)、螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)相對于其他系統(tǒng)的一次能耗分別少19%、45%、47%。

2)從初投資看，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)由于含鉆孔費用，在初投資方面沒有優(yōu)勢；從年運行費用看，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)比VRV空調系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)、螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)分別少12%、44%、49%，為最優(yōu)方案；從動態(tài)費用年值看，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)為最優(yōu)方案。

3)由于地源熱泵VRV主機的使用年限在20年以上，以上海地區(qū)目前的平均電價、天然氣價格、年利率來看，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)濟性上具有優(yōu)勢，且隨著近年來鉆孔費用逐漸較少，該系統(tǒng)在經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢將更明顯。

4)綜合考慮，此樓中的VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)雖然初投資較大，但其全年能耗、動態(tài)費用年值在四個方案中都是最小的，再考慮到該系統(tǒng)的其他優(yōu)勢，VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)是最好的選擇。

本文受同濟大學—大金“VRV多聯(lián)機地源熱泵系統(tǒng)設計及相關技術研究”項目和北京市重點實驗室開放課題(KF200807)資助。(The project was supported by‘VRV Ground Source Heat Pump R&D Program' between Tongji University and DAIKIN and the Open Research Program of Beijing (No.KF200807).)

[1]水源熱泵VRV應用實例——大連恒澤天城[J].暖通空調: 副刊, 2011, 2.(An application example of VRV Water source Heat Pump System [J]. HV&AC, 2011, 2)

[2]毛會敏.土壤源熱泵空調系統(tǒng)的設計與經(jīng)濟性分析[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2006.

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊:上冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[4]Parson R. ASHRAE Handbook Fundamentals[M]. Atlanta(USA): ASHRAE Inc., 2009, Chapter28.

[5]Parson R. ASHRAE Handbook Fundamentals[M]. Atlanta(USA): ASHRAE Inc., 2005, Chapter28.

[6]傅允準, 林豹, 張旭.深井水源熱泵技術經(jīng)濟分析[J].同濟大學學報:自然科學版, 2006,10:1383-1388. (Fu Yunzhun, Lin Bao, Zhang Xu. Technical and Economic Analysis of Deep Well Water Source Heat Pump System[J]. Journal of Tongji University: Natural Science,2006, 10:1383-1388.)

[7]姚文濤.供水大廈空調冷熱源方案比較[D].西安:華中科技大學, 2006.