水源热泵空调系统与VRV空调系统之比较

2013-09-13陈波

制冷 2013年1期

陈波

(浙江工正建设监理咨询有限公司,宁波315000)

1 引言

近年来随着资源和环境的问题日益严重,能源短缺和环境污染已成为全球性的两大危机。据联合国2001年统计,全球不可再生能源可开采期仅为石油44年,天然气62年,煤炭230年。人类进入工业经济时代后,大量不可再生能源的燃烧已导致大气臭氧层破坏,大气温室效应加剧,全球气温升高;酸雨、飓风、沙化、赤潮的出现更导致了人类赖以生存的土壤结构恶化,水资源污染、枯竭,这都对人类的生存与发展造成了严重威胁。

在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用自然资源,保护环境,减少常规能源消耗,已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。为适应这一要求,各种节能的措施得到了广泛的研究和应用,其中作为空调冷热源中能源转换效率很高的热泵应用技术,尤其受到人们的日益重视和关注。并且可再生能源中,太阳能总量大 (太阳能在我国2/3国土上的年辐射量超过600MJ/cm2),分布广;但是由于太阳能的强度低,受天气和季节的影响太大,很难大量直接开发利用。浅层低温地热主要来自太阳的热辐射,由于土壤的蓄能效应 (每年吸收的太阳能大约相当于17万亿t标准煤的能量,而地热资源的远景储量为1 353.5亿t标准煤,探明储量为31.6亿t标准煤),使得浅层土壤中的热量供应十分稳定可靠,国际能源理事会 (IEA)将其列为首推的可再生能源,可见浅层低温地热具有储存量巨大、再生补充性强、分布广泛、能量恒定、开采便利、安全可靠、费用低廉等特点。水源热泵正是采集浅层低温地热的空调系统,该系统利用地核传导热,间接利用太阳能,与直接利用深层地热和太阳能相比,具有明显的优势。

2 系统原理

2.1 水源热泵系统原理

水源热泵工程是一项系统工程,一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。其中,水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。水源热泵技术是利用地球表面浅层水源 (如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成)的低温低位热能资源,并采用热泵原理,通过极少高位电能输入,实现大量低位热能向高位热能转移的一种技术。

2.2 VRV系统原理

VRV空调系统全称是Varied Refrigerant Volume,简称VRV,是在电力空调系统中,通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量,适时地满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。其工作原理是:由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数,根据系统运行优化准则和人体舒适性准则,通过变频等手段调节压缩机输气量,并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件,保证室内环境的舒适性,并使空调系统稳定工作在最佳工作状态。

3 空调系统背景

3.1 水源热泵系统背景

1954年美国发明了地源水源热泵空调系统,经过半个世纪的发展,西方发达国家已经获得广泛的应用,目前地源热泵应用日益广泛,是最有前途的节能装置和系统,尤其是复合型的制冷供热系统,已经成为国际空调行业前沿研究课题之一,也成为浅层地热能利用的重要形式之一。

我国热泵系统作为商业化应用是在20世纪80年代初至90年代末,随着城市能源结构的变化,在我国暖通空调领域掀起一股 “热泵热”,热泵供暖制冷的应用,在一些大城市日益广泛。例如上海高层建筑25%采用空气源热泵热水系统供暖、制冷,北京、天津、武汉、长沙等地也大量使用。进入21世纪以来,水源地源热泵引起学术界和企业界的广泛关注,国家相继出台了支持可再生能源开发利用的一系列方针政策,水源、地源热泵行业有了较快发展。国家 “十一五”规划把 “十一五”期间单位GDP能耗降低20%,作为约束性指标。

据统计,暖通空调能耗占建筑能耗的65%,以建筑能耗占总能耗的35%计算,暖通空调能耗占全国总能耗的比例高达22.75%。在这个方面地源热泵技术具有明显优势,包括高效节能、绿色环保,利用可再生资源,代表了节能型暖通空调的发展趋势,符合国家目前节能减排和环境保护的可持续发展政策,促进行业迅猛发展。

3.2 VRV空调系统背景

VRV空调系统是家用中央空调的主要机型之一,具有系统简单、结构紧凑、节能、舒适等优点,各个房间独立调节、运行,能满足不同房间不同空调负荷的要求。自20世纪80年代诞生以来,在国内外市场上获得了广泛的重视和应用。

VRV空调系统依赖于机电方面的变频技术而产生的空调系统设计安装方式。自从80年代发明了VRV系统之后,很多极其注意空间利用的商铺都选择这种算不上真正中央空调的新系统。由于VRV系统只是输送制冷剂到每个房间的分机,所以不需要设计独立的风道 (新风系统另外安排风道),做到了设备的小型化和安静化,给建筑设计单位,安装公司以及业主都提供了便捷、舒适和经济的完美选择。进入21世纪以后,不断完善VRV技术,结合现在流行的以太网技术来提供从各分机到主机甚至远程监控的控制能力,并克服了VRV系统与集中式中央空调相比最大的缺点——增加了独立设计协同控制的新风系统。

而现在,VRV空调系统凭借其自身设计安装方便、布置灵活多变、建筑空间小、使用方便、可靠性高、运行费用低、不需机房、无水系统等优点,在全中国的市场上占据不可或缺的地位。

4 系统组成

4.1 水源热泵系统

水源热泵系统一般由水源系统、水源热泵机组系统和末端系统组成。其中,水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。水源主要有天然水源 (如深井水、江河水、温泉水)、自来水、工业废水和冷却塔循环水 (闭式或开式)等几种。近几年,城市污水资源作为一种优良的热泵低温资源,其良好的经济效益和环境效益正受到人们的重视。由于水是一种优良的热源,其热容量大,传热性能好,所以水源热泵的制冷供热效率比传统的空调形式高。

水源热泵是由压缩机驱动工质 (如R22)循环运动,反复发生物理相变过程,分别在蒸发器中气化吸收热量,在冷凝器中液化放热,使热量不断得到交换传递,并通过换向阀切换使机组实现制热或者制冷功能。其在本质上是与水冷机相同的,只是运行工况不同,能实现蒸发器和冷凝器功能的转换,以冷凝器放出的热量来供热。以水作为热源和供热介质的水源热泵,其性能系数高于空气源热泵,系统运行性能稳定。

影响水源热泵系统运行的重要因素有:水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性。应用水源热泵时,系统水量应充足、水温适度、水质适宜、供水稳定。在制冷运行工况时,水源水温适宜范围为18～30℃;在制热运行工况时,水源水温适宜范围为12～22℃。水源热泵系统机组的供冷模式为:水/冷媒热交换器作为冷凝器的功能,而排管作为蒸发器的功能。热量由空调房间经冷媒循环、水循环系统和冷却塔排至室外。供热模式为:水/冷媒热交换器作为蒸发器的功能,而排管作为冷凝器的功能。热量由室外经冷却塔、水循环系统和冷媒循环传入空调房间内。

4.2 VRV空调系统

VRV空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器这四大部件组成,而VRV系统的运行原理和传统的蒸汽压缩式制冷系统是一样的,系统中的制冷剂在蒸发压力温度下沸腾,低于被冷却物或流体的温度。压缩机不断的抽吸蒸发器中产生的蒸汽,并将它压缩到冷凝压力,然后送往冷凝器,在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体,制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质 (通常是水和空气),与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度,冷凝后的液体通过膨胀阀或其他节流元件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时,压力从冷凝压力降到蒸发压力,部分液体气化,剩余液体的温度降至蒸发温度,于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发,从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。

5 水源热泵与VRV空调的比较

5.1 水源热泵系统优点

大地土壤作为水源热泵系统夏季空调的排热源和冬季采暖的取热源,深度可在几十米至百米,全年温度基本恒定,为室外地埋管式空调系统提供了得天独厚的自然条件。

(1)水源热泵系统不直接消耗煤、燃油、天然气等能源;不产生环境污染;

(2)冬季水源热泵系统在不影响地下温度场的情况下从地下水中取热,夏季将室内的热量转移到地下水中存放,从源头上根除了空调系统对生活居住环境产生的热岛效应;

(3)水源热泵系统采用高智能控制系统,实现了系统能量输出和建筑物能量需求的直接对应平衡,减少能耗,降低成本;

(4)高效水源热泵系统使得空调机组长期处于适宜的工况下运行,输出同等量的能力仅仅消耗30%～60%的耗功,有效实现地位能的最直接利用。

5.2 VRV空调系统特点

VRV中央空调系统中一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量,可以适时地满足室内冷、热负荷要求。VRV系统具有节能、舒适、运转平稳等诸多优点,而且各房间可独立调节,能满足不同房间不同空调负荷的需求。但该系统控制复杂,对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高,且其初投资比较大。

VRV空调系统依据室内负荷,在不同转速下连续运行,减少了因压缩机频繁启停造成的能量损失;在制冷/制热工况下,能效比COP随频率的降低而升高,由于压缩机长时间工作在低频区域,故系统的季节能效比相对于传统空调系统大大提高。

当然VRV空调系统也存在缺点,仍存在以下几方面的问题,尚需进一步深入研究:需要应用现代控制理论技术开发新的智能传感器,深入研究制冷系统的特性规律,研制出适合大小系统兼容,热泵型和热回收型系统同用,移植性强的控制器;研究制冷系统的各调节件对系统特性的影响规律,实现系统的稳定调节和节能控制,以推进智能空调系统的发展。

(1)对于VRV集中式空调系统的评价,特别是热回收型系统,由于换热器的功能温度条件不尽相同,如何评价系统的综合性能,尚无合理和实有的方法。

(2)由于VRV空调系统的管道接头较多,增加了制冷剂泄漏的可能性,且系统的内容积过大,增大了制冷剂充灌量,在HCFC控制计划实施后,系统价格会大大上升。所以,减少制冷剂充灌量和减少泄漏是系统开发过程中应该重视的问题,同时应加强对HCFC22的替代工质在VRV空调系统中的应用研究。

5.3 水源热泵系统与VRV系统比较 (见表1)

表1 水源热泵系统与VR V系统比较

综上所述,水源热泵中央空调系统在节能、环保、美观等方面具有传统中央空调系统无法比拟的优势。

5.4 实际工程经济性比较

下面就一个实际工程对于热泵系统和VRV系统两种形式的模拟来进行经济性比较分析。

该工程项目为南方某一栋办公楼,共20层,其中1～2层功能以商铺为主,3～20层功能以办公为主,每层建筑面积约为1650 m2,总建筑面积约为33000 m2。

(1)设计计算参数:

项目地区室外空气设计参数:冬季大气压力:102.5kPa;夏季大气压力:100.5kPa;冬季空调室外计算干球温度:-4℃;冬季空调室外计算相对湿度:75%;夏季空调室外计算干球温度:34℃;夏季空调室外计算湿球温度:28.2℃。

室内设计参数:夏季 t室内=25℃,相对湿度60%;冬季 t室内 =20℃,相对湿度50%。

(2)冷热负荷计算:

在空调系统方案设计阶段,建筑冷热负荷计算采用负荷估算法,根据《实用供热空调手册》及相关工程经验,一层商铺建筑冷、热负荷分别按200、100W/m2进行计算,二层商铺分别按160、90W/m2进行计算,3～20层办公楼分别按140、80W/m2进行计算。经过计算可知,本项目建筑夏季峰值冷负荷约为4752kW,冬季峰值采暖负荷约为2689kW。

(3)地源热泵方案选择:

根据负荷计算结果,考虑采用0.8的同时使用系数,空调主机采用某品牌两台螺杆式水源热泵机组:型号PW520HRD-D,单台制冷量1851kW,制热量1908kW,制冷功率328kW,制热功率420kW。

由建筑物功能以及负荷计算情况可知,空调系统夏季向地埋管系统的排热量大于冬季从地埋管系统的吸热量,故地埋管系统按照夏季参数进行设计,即能满足建筑全年需求。

地埋管系统形式及各项参数如下:

埋管形式:竖埋,单U型;

管材料:HDPE100,SDR11系列,De32;

埋管深度:80m

孔间距:4m

孔径:130mm

埋管单位孔深产能量:排热:5.2kW/井,吸热:4.0kW/井。

地埋管系统详细设计如下:

总制冷量3702kW,土壤全年峰值排热量4358kW,总钻井深度67200m,设计孔数840,竖直管总长度134400m。

源水侧水泵和负载侧水泵各设四台。

空调末端设备为风机盘管;采用全热交换新风系统。

需设置机房。

(4)VRV系统方案选择:

室内机:根据每个房间内算出来的负荷进行配置,由于多联机存在冷量传输损失,室内机配置应比室内计算负荷大10%～20%,以充分保证效果。

室外机:以某品牌为例进行设备选型。总冷负荷为4752kW,选该品牌多联机CMS系列RZP450PAY1,单机制冷量45kW,制冷功率14.9kW,制热量50kW,制热功率 13.2kW,数量106台。主机夏季能效比EER=45/14.9=3,远不如地源热泵系统。

铜管:主要是安装问题,原则上室外机跟室内机连接铜管距离不超过100～120m,且一台主机与其匹配的室内机,所有铜管总距离不超过300m。室内机与室外机高差不超过50m。

采用全热交换新风系统。

室外机集中布置,可考虑设置于商铺屋顶,由于数量较多,设置在屋顶是一个庞大的机组群,比较壮观。

(5)初投资比较:

水源热泵系统:1320万元;VRV系统:1250万元。

(6)运行能耗比较:

①夏季制冷机房设备总能耗:水源热泵系统:776kW;VRV系统:1300kW。

②冬季采暖机房设备总能耗:水源热泵系统:480kW;VRV系统:811kW。

(7)制冷/制热运行费用比较:

费用计算约定:

当地商用电价0.675元/kWh;全年夏季制冷取100天,每天运行10小时,总制冷时间为1000h;全年冬季制热取100天,每天运行10小时,总制热时间为1000h。

制冷和制热运行时,负荷为25%、50%、75%和100%对应的运行时间百分比分别为30%、40%、20%和10%。

根据计算约定,对上述两系统进行全年运行费用分析计算,结果得:水源热泵系统全年运行费用:445095元;VRV系统全年运行费用:748085元。

根据上述理论计算,本项目采用水源热泵系统比VRV系统运行费用节约30.3万元/年,因此,笔者认为,在各项条件合适的情况下,该项目中央空调系统应优先选用水源热泵系统。

必须指出,上述计算结果仅属理论分析计算值,由于实际运行中两系统的控制灵活性等不完全相同,实际运行时间和负荷百分比也会有所区别,因此,实际运行费用与理论分析计算值会有差别。

6 对环境的影响

6.1 水源热泵系统对环境的影响

(1)地下水回灌率低

在地下水源热泵系统中,地下水作为储能介质在完成一个运行周期后回灌,并参与下一个循环热传递。浅层地能 (热)一部分储存在含水层的地下水中,而大部分储存在含水层岩石骨架顶层与底层岩土中,通过地下水源热泵系统的回灌井把温度较低 (高)的水注入含水层中,重新与含水层顶层和底层岩土进行换热,以此来提高浅层地能 (热)的利用率。因此高效率的地下水回灌是地下水源热泵系统可持续运行的关键[1]。

地下水作为一种优质的战略资源,对社会的稳定发展具有重要的作用。目前,我国各地区出现了不同程度的水资源短缺,大部分地下水资源超采较为严重,地下水位下降较快。此时,如果热泵系统的应用不能完全回灌地下水,将造成地下水资源的巨大浪费,加剧因地下水缺乏而导致的地面沉降、海水侵入及超采漏斗等现象[2]。

(2)热污染

在热泵系统运行期间,室内与抽取的地下水发生热量交换,改变了回灌水的温度,使采能区地温场不可避免地受到了影响。在对地下水热泵系统采能区温度变化的数值模拟研究中发现,区域地下水温度将随着制冷期及供暖期交替出现周期的升降。通过分析认为,区域地下水温度变化的幅度以及趋势主要受系统冷热负荷及场区水文地质条件的影响。在冷热负荷的运行条件下,热泵系统从含水层提取及回灌的冷热量平衡,地下水温度在背景值区域内周期性振荡。但在冷热不平衡的条件下,地下水温度将偏离温度背景值呈现上升或下降的趋势。而在正常条件下,热泵系统热负荷一般大于冷负荷,即冬季供暖时间及面积均超过夏季,场区地下水温度将偏离温度背景值逐年下降。

为了解场区地下水温度出现较大变化后其恢复的情况,通过假设热泵系统在夏季制冷期后停止运行,对该运行工况进行数值模拟后发现,一旦含水层温度发生变化,由于地下水水力坡度较小,流速缓慢,则含水层温度很难恢复到背景值。当然,场区地下水温度还受区域地下水天然动力场的影响,在强径流区域,地下水流动速度是主要影响因素。

温度变化可能对地下水环境物理过程和生物过程有重要的影响,从而对水质产生影响,一般来说,在土壤中有极嗜冷菌、嗜冷菌、嗜热菌、极嗜热菌等菌类,这些菌类对温度和溶解氧十分敏感,地下水中温度增高时,溶解氧的浓度会降低,影响地下水中细菌的同化作用,导致地下水生态平衡的破坏。

部分水源热泵空调系统商家采用回灌水质与抽取水质比较的方法,对回灌水的水质进行了监测论证,认为在运行水源热泵空调系统时,地下水是作为贮存热量的介质使用的,它通过封闭的管道,仅仅在吸收和接受热量后,立即被回灌,其间既不与其他物质发生化学作用也不在空气中暴露。因此,很多运行商基本上没有考虑地下水温度变化对地下水水质的影响[3]。但地下水所处环境较为复杂,区域补给及流动具有长期性,一旦受到污染,将难以恢复。

(3)地面沉降

由于地下水严重超采,我国目前许多地方由于地下水的开采而引起地面沉降,如上海、天津、太原等地。地面沉降作为一种广泛的地质灾害,造成地下管道扭曲折断、道路起伏不平、海水倒灌,建筑物产生裂缝甚至倒塌,不仅对地面设施产生很大的破坏作用,而且也会使地下环境发生变化,给工业生产、城市建设和人们生活带来深刻和巨大的影响。

目前,由于地下水源热泵抽灌地下水而引起的地面沉降尚未记载。但如果大面积推广该系统时,未能实现地下水的完全回灌,可能造成整个区域黏土层过渡释水压密而造成地面沉降。而且,由于黏性土壤的特性,黏土层吸水量只占同压力下释水量的30%以下,塑性变形后的黏土层所产生的回弹量甚微[4]。此外,地下水源热泵系统由于项目的局限性,使得抽灌井相距较近,且水位差较大,造成区域地下水流速加大,含水层中细颗粒介质被水流携带而出,含水层中的介质坍塌重组而造成地面沉降。