VRV多联机地源热泵系统的技术经济案例分析

董丽娟 杨 洁 张 旭

( 同济大学机械工程学院 上海 200092)

近年来，VRV系统的应用日趋广泛，但由于受建筑面积和室外机摆放的困难其应用受到限制。结合VRV和地源热泵两种技术的优势，提出一种既能实现高效智能化控制又具有高效节能性的VRV多联机地源热泵系统。该系统延伸了VRV的适用范围，克服传统VRV连管长、落差大的限制，有效节约铜管使用量，适用于超高、超大型建筑以及寒冷地域的制热应用。

VRV多联机地源热泵系统的基本制冷/热原理和控制原理同传统VRV系统一样，区别在于在室外机侧以水作为换热载体，而后者以风作为换热载体。图1为系统原理图，系统由地埋管换热器、VRV地源热泵主机、室内机、管道系统等组成。

目前对该技术的研究比较少，文献[1]介绍了该系统的一个应用实例。而对该技术的实际运行特性、能耗特性及经济性等的研究目前还没有。这里结合上海某办公楼的VRV多联机地源热泵系统，通过与其他常规空调方案进行比较，着重对系统的经济性进行研究。

图1 VRV多联机地源热泵系统原理图Fig.1 System diagram of VRV Ground Source Heat Pump

1 工程概况和空调系统方案

研究对象是上海某办公楼的VRV多联机地源热泵系统，工程概况如下：

办公楼共12层，层高3.6m，总建筑面积为20000m2，工作 间为8:00～18:00。夏季空调设计冷负荷(不含新风负荷)为2624.36kW，室内设计温度26℃，相对湿度55%；冬季供热负荷(不含新风负荷)为1377.60kW，室内设计温度20℃。

根据我国几种常见的空调方案，与VRV多联机地源热泵系统进行比较，详见表1。

表1 各方案情况Tab.1 Each Program

以上方案均采用独立的新风系统，将新风处理到室内焓值后送入空调房间。

2 各方案的全年运行能耗

2.1 办公楼负荷分析

采用BIN法计算办公楼的全年负荷，BIN法假设围护结构负荷(包括日射及温差负荷)和新风、渗透负荷都与室外干球温度有着线性关系，依此线性关系计算得出不同温度条件下的负荷，乘以该温度段出现的小 数，得出该温度下的冷/热负荷。全年各温频段所对应的冷/热负荷如图2所示。

图2 全年冷/热负荷Fig.2 Annual cold/heat load

经计算得到全年冷负荷为95.25kWh/m2，热负荷为31.39kWh/m2。

2.2 各方案全年运行能耗

各方案的全年运行能耗主要包括夏季制冷机组的能耗，冬季制热机组的能耗，以及辅助设备的冬/夏季能耗。

2.2.1 制冷机组的运行能耗

根据机组在不同负荷率 的耗功率以及在此负荷率下的运行 间，可求得制冷机组的全年运行能耗，相应的计算公式为：

式中：Wij—第i台制冷机的在j工况下的功率，kW；Tij—第i台制冷机在j工况下的运行 间，h。

各方案制冷机组的运行能耗见表2，机组部分性能曲线可根据厂家样本拟合得到。

表2 制冷机组的运行能耗Tab.2 Operation consumption of refrigeration unit

2.2.2 制热机组的运行能耗

空气源热泵和VRV系统、VRV多联机地源热泵系统的冬季能耗可根据机组的部分负荷性能曲线插值计算，而燃气锅炉在实际运行中当负荷率较低 ，常常采用间歇调节法，机组满负荷运行数小 后就停机，可认为机组是处于满负荷工况下运行，根据当量满负荷运行 间()法[2]来计算。

表3 制热机组的运行能耗Tab.3 Operation consumption of heating unit

2.2.3 辅助设备的运行能耗

将各辅助设备(冷却水泵、冷冻水泵、补水水泵和冷却塔)均看作是在额定工况下工作，即流量和耗电量不随主机变化而变化。风冷热泵冷水机组的冷凝风机的能耗与冷水机组的供冷量近似成正比，在制冷(热)机组的能耗中已经包括了风机的能耗，因此辅助设备能耗为0，只有冷冻水泵能耗，VRV系统的辅助设备能耗为0。

表4 辅助设备的运行能耗Tab.4 Operation consumption of auxiliary equipment

2.2.4 各方案的一次能耗

为方便进行能耗比较将各方案能耗转化为一次能耗，其中电能按10256.4 kJ/kWh计算，天然气按35588 kJ/m3计算[3]。图3为各方案的一次能耗，P1＞P2＞P3＞P4。

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

3 经济性分析

3.1 各方案初投资

初投资指空调系统各部分投资之和，主要包括设备费、安装费、土建费、材料费、钻孔费等。设备费主要指各方案中冷热源机组及水泵等，按照实际设备价格计算；安装费按照占设备的百分比来计算，其中热泵系统按15%计算，锅炉系统按照25%计算[4]；土建费按照机房面积与单方造价计算，机房单方造价按照1200元/m2计算[2]；对于水冷螺杆机组+燃气锅炉系统、风冷热泵系统、地源热泵系统，管道系统和保温材料费用分别取设备总投资的5.7%和7.3%，VRV系统材料费取设备费的3.5%[4,5]；钻孔费=孔深×钻孔数×每米孔深价格，每米孔深价格按35元/m计算。从初投资看(见图4)，P4最大，其次为P3、P2，P1最小。

图4 各方案初投资/(万元)Fig.4 The fi rst cost of each program

3.2 年运行费用

年运行费用主要包括电费、水费、燃料费及设备维护管理费(含维修费及人员工资)。电费按照上海地区电价0.646元/kWh计算，燃料费按照天然气价格3.4元/m3计算，水费主要指系统补水水费，取补水率为2%～3%，自来水1.3元/m3。全年运行费用中(见图5)，P4比P3略小，其次是P1，最大的是P2。

图5 各方案的年运行费用/(万元)Fig.5 The operation bills of each program

3.3 动态费用年值法比较

初投资和运行费用这两个指标只能反映出各方案经济性的一方面，决策 只能就某一指标进行比较，要对各方案进行综合经济比较 可以使用费用年值法。

动态费用年值法的实质是将项目初投资的资金现值按其 间价值等额分配到各使用年限中，与年经营成本相加，其值最小者为最优方案。

动态费用年值的计算公式为[5]：

式中：AW—费用年值(万元)；Co—初投资，包括设备费等(万元)；i —利率，取8%；m —使用寿命(年)，空气源热泵机组15年，其他冷水机组20年，燃气锅炉、冷却塔、水泵10年，地下埋管50年；C —年运行成本(万元)。

根据各方案的初投资及运行费用，代入公式(2)可得到各方案的费用年值。如图6所示，四种方案中费用年值为P2＞P1＞P3＞P4。

图6 各方案的费用年值/(万元)Fig.6 The annual expenses of each program

3.4 敏感性分析

3.4.1 钻孔费用的影响

钻孔费用很大程度上影响VRV多联机地源热泵系统的初投资，图7为钻孔费用变化对各方案费用年值的影响。当钻孔费用在36元/m以下 ，费用年值P4＜P3＜P1＜P2；当钻孔费用为37元/m～100元/m，P4的费用年值比P3大，但不会超过P1和P2。

图7 钻孔费用对各方案费用年值的影响Fig.7 The in fl uence of drilling cost

3.4.2 燃料价格的影响

图8 平均电价对各方案费用年值的影响Fig.8 The in fl uence of the average price

图9 天然气价格对各方案费用年值的影响Fig.9 The in fl uence of natural gas prices

(1)电价的影响

从图8可以看出平均电价对四种方案的费用年值均有影响，其中P4随电价波动幅度最小，其次为P3、P2，P1的波动幅度最大。电价在0.62元/kWh以下，费用年值P3＜P4＜P1＜P2；电价在0.62～0.84元/kWh之间，费用年值P4＜P3＜P1＜P2；电价在0.84元/kWh以上，费用年值P4＜P3＜P2＜P1。

(2)天然气价格的影响

图9为天然气价格对P2费用年值的影响，P2费用年值比P3、P4的大，仅与P1交于2.6元/m3。

3.4.3 利率的影响

图10 年利率对各方案费用年值的影响Fig.10 The in fl uence of rates

图10为年利率变化对各方案费用年值的影响曲线图。P4费用年值受年利率变化的影响最大，P1则影响最小。费用年值在4%～8%变化 ，P4的费用年值总是最小；当利率在8%～14%变化 ，费用年值P3＜P4＜P1＜P2。

3.4.4 寿命周期的影响

各方案机组的使用寿命会对费用年值产生很大的影响。图11～14分别是风冷热泵机组、水冷螺杆机组、VRV室外机、地源热泵VRV主机使用寿命对其费用年值的影响。从图11可看出，当风冷热泵机组的使用寿命小于12年，费用年值P1＞P2，当大于12年 ，费用年值P1＜P2，但都比P3、P4大；从图12可看出冷水机组使用寿命在26年以上 ，费用年值P2＜P1；从图13可看出P3费用年值与P2、P1、P4分别交于9年、10年、20.5年；从图14可看出，只要P4地源热泵VRV主机使用寿命超过20年，其经济性就优于其他三套方案。

图11 风冷热泵机组寿命对费用年值的影响Fig.11 The in fl uence of Air-cooled heat pump units life

图12 水冷机组寿命对费用年值的影响Fig.12 The in fl uence of Water-cooled heat pump units life

图13 VRV室外机寿命对费用年值的影响Fig.13 The in fl uence of VRV outdoor units life

图14 VRV地源热泵主机寿命对费用年值的影响Fig.14 The in fl uence of VRV Ground Source Heat Pump units

4 结论

通过以上分析，在冷热源方案的选择上，从能耗、经济性的角度综合考虑，得到以下结论：

1)从一次能耗看，从优到劣分别为VRV多联机地源热泵系统、VRV空调系统、螺杆式冷水机组+燃气锅炉系统、风冷热泵系统，VRV多联机地源热泵系统相对于其他系统的一次能耗分别少19%、45%、47%。

2)从初投资看，VRV多联机地源热泵系统由于含钻孔费用，在初投资方面没有优势；从年运行费用看，VRV多联机地源热泵系统比VRV空调系统、风冷热泵系统、螺杆式冷水机组+燃气锅炉系统分别少12%、44%、49%，为最优方案；从动态费用年值看，VRV多联机地源热泵系统为最优方案。

3)由于地源热泵VRV主机的使用年限在20年以上，以上海地区目前的平均电价、天然气价格、年利率来看，VRV多联机地源热泵系统在经济性上具有优势，且随着近年来钻孔费用逐渐较少，该系统在经济性方面的优势将更明显。

4)综合考虑，此楼中的VRV多联机地源热泵系统虽然初投资较大，但其全年能耗、动态费用年值在四个方案中都是最小的，再考虑到该系统的其他优势，VRV多联机地源热泵系统是最好的选择。

本文受同济大学—大金“VRV多联机地源热泵系统设计及相关技术研究”项目和北京市重点实验室开放课题(KF200807)资助。(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]水源热泵VRV应用实例——大连恒泽天城[J].暖通空调: 副刊, 2011, 2.(An application example of VRV Water source Heat Pump System [J]. HV&AC, 2011, 2)

[2]毛会敏.土壤源热泵空调系统的设计与经济性分析[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006.

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册:上册[M].北京:中国建筑工业出版社, 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]傅允准, 林豹, 张旭.深井水源热泵技术经济分析[J].同济大学学报:自然科学版, 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]姚文涛.供水大厦空调冷热源方案比较[D].西安:华中科技大学, 2006.