水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與VRV空調(diào)系統(tǒng)之比較

陳 波

(浙江工正建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司,寧波315000)

1 引 言

近年來(lái)隨著資源和環(huán)境的問(wèn)題日益嚴(yán)重,能源短缺和環(huán)境污染已成為全球性的兩大危機(jī)。據(jù)聯(lián)合國(guó)2001年統(tǒng)計(jì),全球不可再生能源可開(kāi)采期僅為石油44年,天然氣62年,煤炭230年。人類(lèi)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代后,大量不可再生能源的燃燒已導(dǎo)致大氣臭氧層破壞,大氣溫室效應(yīng)加劇,全球氣溫升高;酸雨、颶風(fēng)、沙化、赤潮的出現(xiàn)更導(dǎo)致了人類(lèi)賴(lài)以生存的土壤結(jié)構(gòu)惡化,水資源污染、枯竭,這都對(duì)人類(lèi)的生存與發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅。

在滿(mǎn)足人們健康、舒適要求的前提下,合理利用自然資源,保護(hù)環(huán)境,減少常規(guī)能源消耗,已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。為適應(yīng)這一要求,各種節(jié)能的措施得到了廣泛的研究和應(yīng)用,其中作為空調(diào)冷熱源中能源轉(zhuǎn)換效率很高的熱泵應(yīng)用技術(shù),尤其受到人們的日益重視和關(guān)注。并且可再生能源中,太陽(yáng)能總量大 (太陽(yáng)能在我國(guó)2/3國(guó)土上的年輻射量超過(guò)600MJ/cm2),分布廣;但是由于太陽(yáng)能的強(qiáng)度低,受天氣和季節(jié)的影響太大,很難大量直接開(kāi)發(fā)利用。淺層低溫地?zé)嶂饕獊?lái)自太陽(yáng)的熱輻射,由于土壤的蓄能效應(yīng) (每年吸收的太陽(yáng)能大約相當(dāng)于17萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量,而地?zé)豳Y源的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量為1 353.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤,探明儲(chǔ)量為31.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤),使得淺層土壤中的熱量供應(yīng)十分穩(wěn)定可靠,國(guó)際能源理事會(huì) (IEA)將其列為首推的可再生能源,可見(jiàn)淺層低溫地?zé)峋哂袃?chǔ)存量巨大、再生補(bǔ)充性強(qiáng)、分布廣泛、能量恒定、開(kāi)采便利、安全可靠、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)。水源熱泵正是采集淺層低溫地?zé)岬目照{(diào)系統(tǒng),該系統(tǒng)利用地核傳導(dǎo)熱,間接利用太陽(yáng)能,與直接利用深層地?zé)岷吞?yáng)能相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)原理

2.1 水源熱泵系統(tǒng)原理

水源熱泵工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,一般由水源系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)房系統(tǒng)和末端散熱系統(tǒng)三部分組成。其中,水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)和水處理設(shè)備等。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源 (如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬?的低溫低位熱能資源,并采用熱泵原理,通過(guò)極少高位電能輸入,實(shí)現(xiàn)大量低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

2.2 VRV系統(tǒng)原理

VRV空調(diào)系統(tǒng)全稱(chēng)是Varied Refrigerant Volume,簡(jiǎn)稱(chēng)VRV,是在電力空調(diào)系統(tǒng)中,通過(guò)控制壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量和進(jìn)入室內(nèi)換熱器的制冷劑流量,適時(shí)地滿(mǎn)足室內(nèi)冷熱負(fù)荷要求的高效率冷劑空調(diào)系統(tǒng)。其工作原理是:由控制系統(tǒng)采集室內(nèi)舒適性參數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)和表征制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況的狀態(tài)參數(shù),根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化準(zhǔn)則和人體舒適性準(zhǔn)則,通過(guò)變頻等手段調(diào)節(jié)壓縮機(jī)輸氣量,并控制空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇、電子膨脹閥等一切可控部件,保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性,并使空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最佳工作狀態(tài)。

3 空調(diào)系統(tǒng)背景

3.1 水源熱泵系統(tǒng)背景

1954年美國(guó)發(fā)明了地源水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用,目前地源熱泵應(yīng)用日益廣泛,是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng),尤其是復(fù)合型的制冷供熱系統(tǒng),已經(jīng)成為國(guó)際空調(diào)行業(yè)前沿研究課題之一,也成為淺層地?zé)崮芾玫闹匾问街弧?/p>

我國(guó)熱泵系統(tǒng)作為商業(yè)化應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代初至90年代末,隨著城市能源結(jié)構(gòu)的變化,在我國(guó)暖通空調(diào)領(lǐng)域掀起一股 “熱泵熱”,熱泵供暖制冷的應(yīng)用,在一些大城市日益廣泛。例如上海高層建筑25%采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)供暖、制冷,北京、天津、武漢、長(zhǎng)沙等地也大量使用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),水源地源熱泵引起學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注,國(guó)家相繼出臺(tái)了支持可再生能源開(kāi)發(fā)利用的一系列方針政策,水源、地源熱泵行業(yè)有了較快發(fā)展。國(guó)家 “十一五”規(guī)劃把 “十一五”期間單位GDP能耗降低20%,作為約束性指標(biāo)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65%,以建筑能耗占總能耗的35%計(jì)算,暖通空調(diào)能耗占全國(guó)總能耗的比例高達(dá)22.75%。在這個(gè)方面地源熱泵技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì),包括高效節(jié)能、綠色環(huán)保,利用可再生資源,代表了節(jié)能型暖通空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì),符合國(guó)家目前節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展政策,促進(jìn)行業(yè)迅猛發(fā)展。

3.2 VRV空調(diào)系統(tǒng)背景

VRV空調(diào)系統(tǒng)是家用中央空調(diào)的主要機(jī)型之一,具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能、舒適等優(yōu)點(diǎn),各個(gè)房間獨(dú)立調(diào)節(jié)、運(yùn)行,能滿(mǎn)足不同房間不同空調(diào)負(fù)荷的要求。自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái),在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上獲得了廣泛的重視和應(yīng)用。

VRV空調(diào)系統(tǒng)依賴(lài)于機(jī)電方面的變頻技術(shù)而產(chǎn)生的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝方式。自從80年代發(fā)明了VRV系統(tǒng)之后,很多極其注意空間利用的商鋪都選擇這種算不上真正中央空調(diào)的新系統(tǒng)。由于VRV系統(tǒng)只是輸送制冷劑到每個(gè)房間的分機(jī),所以不需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的風(fēng)道 (新風(fēng)系統(tǒng)另外安排風(fēng)道),做到了設(shè)備的小型化和安靜化,給建筑設(shè)計(jì)單位,安裝公司以及業(yè)主都提供了便捷、舒適和經(jīng)濟(jì)的完美選擇。進(jìn)入21世紀(jì)以后,不斷完善VRV技術(shù),結(jié)合現(xiàn)在流行的以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)提供從各分機(jī)到主機(jī)甚至遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制能力,并克服了VRV系統(tǒng)與集中式中央空調(diào)相比最大的缺點(diǎn)——增加了獨(dú)立設(shè)計(jì)協(xié)同控制的新風(fēng)系統(tǒng)。

而現(xiàn)在,VRV空調(diào)系統(tǒng)憑借其自身設(shè)計(jì)安裝方便、布置靈活多變、建筑空間小、使用方便、可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低、不需機(jī)房、無(wú)水系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),在全中國(guó)的市場(chǎng)上占據(jù)不可或缺的地位。

4 系統(tǒng)組成

4.1 水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵系統(tǒng)一般由水源系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和末端系統(tǒng)組成。其中,水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)和水處理設(shè)備等。水源主要有天然水源 (如深井水、江河水、溫泉水)、自來(lái)水、工業(yè)廢水和冷卻塔循環(huán)水 (閉式或開(kāi)式)等幾種。近幾年,城市污水資源作為一種優(yōu)良的熱泵低溫資源,其良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益正受到人們的重視。由于水是一種優(yōu)良的熱源,其熱容量大,傳熱性能好,所以水源熱泵的制冷供熱效率比傳統(tǒng)的空調(diào)形式高。

水源熱泵是由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)工質(zhì) (如R22)循環(huán)運(yùn)動(dòng),反復(fù)發(fā)生物理相變過(guò)程,分別在蒸發(fā)器中氣化吸收熱量,在冷凝器中液化放熱,使熱量不斷得到交換傳遞,并通過(guò)換向閥切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱或者制冷功能。其在本質(zhì)上是與水冷機(jī)相同的,只是運(yùn)行工況不同,能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能的轉(zhuǎn)換,以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱。以水作為熱源和供熱介質(zhì)的水源熱泵,其性能系數(shù)高于空氣源熱泵,系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定。

影響水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素有:水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性。應(yīng)用水源熱泵時(shí),系統(tǒng)水量應(yīng)充足、水溫適度、水質(zhì)適宜、供水穩(wěn)定。在制冷運(yùn)行工況時(shí),水源水溫適宜范圍為18～30℃;在制熱運(yùn)行工況時(shí),水源水溫適宜范圍為12～22℃。水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組的供冷模式為:水/冷媒熱交換器作為冷凝器的功能,而排管作為蒸發(fā)器的功能。熱量由空調(diào)房間經(jīng)冷媒循環(huán)、水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔排至室外。供熱模式為:水/冷媒熱交換器作為蒸發(fā)器的功能,而排管作為冷凝器的功能。熱量由室外經(jīng)冷卻塔、水循環(huán)系統(tǒng)和冷媒循環(huán)傳入空調(diào)房間內(nèi)。

4.2 VRV空調(diào)系統(tǒng)

VRV空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器這四大部件組成,而VRV系統(tǒng)的運(yùn)行原理和傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)是一樣的,系統(tǒng)中的制冷劑在蒸發(fā)壓力溫度下沸騰,低于被冷卻物或流體的溫度。壓縮機(jī)不斷的抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽,并將它壓縮到冷凝壓力,然后送往冷凝器,在冷凝壓力下等壓冷卻和冷凝成液體,制冷劑冷卻和冷凝時(shí)放出的熱量傳給冷卻介質(zhì) (通常是水和空氣),與冷凝壓力相對(duì)應(yīng)的冷凝溫度一定要高于冷卻介質(zhì)的溫度,冷凝后的液體通過(guò)膨脹閥或其他節(jié)流元件進(jìn)入蒸發(fā)器。當(dāng)制冷劑通過(guò)膨脹閥時(shí),壓力從冷凝壓力降到蒸發(fā)壓力,部分液體氣化,剩余液體的溫度降至蒸發(fā)溫度,于是離開(kāi)膨脹閥的制冷劑變成溫度為蒸發(fā)溫度的兩相混合物?；旌衔镏械囊后w在蒸發(fā)器中蒸發(fā),從被冷卻物體中吸取它所需要的氣化潛熱。

5 水源熱泵與VRV空調(diào)的比較

5.1 水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

大地土壤作為水源熱泵系統(tǒng)夏季空調(diào)的排熱源和冬季采暖的取熱源,深度可在幾十米至百米,全年溫度基本恒定,為室外地埋管式空調(diào)系統(tǒng)提供了得天獨(dú)厚的自然條件。

(1)水源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤、燃油、天然氣等能源;不產(chǎn)生環(huán)境污染;

(2)冬季水源熱泵系統(tǒng)在不影響地下溫度場(chǎng)的情況下從地下水中取熱,夏季將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下水中存放,從源頭上根除了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)生活居住環(huán)境產(chǎn)生的熱島效應(yīng);

(3)水源熱泵系統(tǒng)采用高智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量輸出和建筑物能量需求的直接對(duì)應(yīng)平衡,減少能耗,降低成本;

(4)高效水源熱泵系統(tǒng)使得空調(diào)機(jī)組長(zhǎng)期處于適宜的工況下運(yùn)行,輸出同等量的能力僅僅消耗30%～60%的耗功,有效實(shí)現(xiàn)地位能的最直接利用。

5.2 VRV空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

VRV中央空調(diào)系統(tǒng)中一臺(tái)室外機(jī)通過(guò)管路能夠向若干個(gè)室內(nèi)機(jī)輸送制冷劑液體。通過(guò)控制壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量和進(jìn)入室內(nèi)各換熱器的制冷劑流量,可以適時(shí)地滿(mǎn)足室內(nèi)冷、熱負(fù)荷要求。VRV系統(tǒng)具有節(jié)能、舒適、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn),而且各房間可獨(dú)立調(diào)節(jié),能滿(mǎn)足不同房間不同空調(diào)負(fù)荷的需求。但該系統(tǒng)控制復(fù)雜,對(duì)管材材質(zhì)、制造工藝、現(xiàn)場(chǎng)焊接等方面要求非常高,且其初投資比較大。

VRV空調(diào)系統(tǒng)依據(jù)室內(nèi)負(fù)荷,在不同轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行,減少了因壓縮機(jī)頻繁啟停造成的能量損失;在制冷/制熱工況下,能效比COP隨頻率的降低而升高,由于壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在低頻區(qū)域,故系統(tǒng)的季節(jié)能效比相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)大大提高。

當(dāng)然VRV空調(diào)系統(tǒng)也存在缺點(diǎn),仍存在以下幾方面的問(wèn)題,尚需進(jìn)一步深入研究:需要應(yīng)用現(xiàn)代控制理論技術(shù)開(kāi)發(fā)新的智能傳感器,深入研究制冷系統(tǒng)的特性規(guī)律,研制出適合大小系統(tǒng)兼容,熱泵型和熱回收型系統(tǒng)同用,移植性強(qiáng)的控制器;研究制冷系統(tǒng)的各調(diào)節(jié)件對(duì)系統(tǒng)特性的影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和節(jié)能控制,以推進(jìn)智能空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展。

(1)對(duì)于VRV集中式空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)價(jià),特別是熱回收型系統(tǒng),由于換熱器的功能溫度條件不盡相同,如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合性能,尚無(wú)合理和實(shí)有的方法。

(2)由于VRV空調(diào)系統(tǒng)的管道接頭較多,增加了制冷劑泄漏的可能性,且系統(tǒng)的內(nèi)容積過(guò)大,增大了制冷劑充灌量,在HCFC控制計(jì)劃實(shí)施后,系統(tǒng)價(jià)格會(huì)大大上升。所以,減少制冷劑充灌量和減少泄漏是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)該重視的問(wèn)題,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)HCFC22的替代工質(zhì)在VRV空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

5.3 水源熱泵系統(tǒng)與VRV系統(tǒng)比較 (見(jiàn)表1)

表1 水源熱泵系統(tǒng)與VR V系統(tǒng)比較

綜上所述,水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保、美觀等方面具有傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

5.4 實(shí)際工程經(jīng)濟(jì)性比較

下面就一個(gè)實(shí)際工程對(duì)于熱泵系統(tǒng)和VRV系統(tǒng)兩種形式的模擬來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較分析。

該工程項(xiàng)目為南方某一棟辦公樓,共20層,其中1～2層功能以商鋪為主,3～20層功能以辦公為主,每層建筑面積約為1650 m2,總建筑面積約為33000 m2。

(1)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù):

項(xiàng)目地區(qū)室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù):冬季大氣壓力:102.5kPa;夏季大氣壓力:100.5kPa;冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度:-4℃;冬季空調(diào)室外計(jì)算相對(duì)濕度:75%;夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度:34℃;夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度:28.2℃。

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù):夏季 t室內(nèi)=25℃,相對(duì)濕度60%;冬季 t室內(nèi) =20℃,相對(duì)濕度50%。

(2)冷熱負(fù)荷計(jì)算:

在空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段,建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算采用負(fù)荷估算法,根據(jù) 《實(shí)用供熱空調(diào)手冊(cè)》及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),一層商鋪建筑冷、熱負(fù)荷分別按200、100W/m2進(jìn)行計(jì)算,二層商鋪分別按160、90W/m2進(jìn)行計(jì)算,3～20層辦公樓分別按140、80W/m2進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,本項(xiàng)目建筑夏季峰值冷負(fù)荷約為4752kW,冬季峰值采暖負(fù)荷約為2689kW。

(3)地源熱泵方案選擇:

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,考慮采用0.8的同時(shí)使用系數(shù),空調(diào)主機(jī)采用某品牌兩臺(tái)螺桿式水源熱泵機(jī)組:型號(hào)PW520HRD-D,單臺(tái)制冷量1851kW,制熱量1908kW,制冷功率328kW,制熱功率420kW。

由建筑物功能以及負(fù)荷計(jì)算情況可知,空調(diào)系統(tǒng)夏季向地埋管系統(tǒng)的排熱量大于冬季從地埋管系統(tǒng)的吸熱量,故地埋管系統(tǒng)按照夏季參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),即能滿(mǎn)足建筑全年需求。

地埋管系統(tǒng)形式及各項(xiàng)參數(shù)如下:

埋管形式:豎埋,單U型;

管材料:HDPE100,SDR11系列,De32;

埋管深度:80m

孔間距:4m

孔徑:130mm

埋管單位孔深產(chǎn)能量:排熱:5.2kW/井,吸熱:4.0kW/井。

地埋管系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)如下:

總制冷量3702kW,土壤全年峰值排熱量4358kW,總鉆井深度67200m,設(shè)計(jì)孔數(shù)840,豎直管總長(zhǎng)度134400m。

源水側(cè)水泵和負(fù)載側(cè)水泵各設(shè)四臺(tái)。

空調(diào)末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤(pán)管;采用全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)。

需設(shè)置機(jī)房。

(4)VRV系統(tǒng)方案選擇:

室內(nèi)機(jī):根據(jù)每個(gè)房間內(nèi)算出來(lái)的負(fù)荷進(jìn)行配置,由于多聯(lián)機(jī)存在冷量傳輸損失,室內(nèi)機(jī)配置應(yīng)比室內(nèi)計(jì)算負(fù)荷大10%～20%,以充分保證效果。

室外機(jī):以某品牌為例進(jìn)行設(shè)備選型?？偫湄?fù)荷為4752kW,選該品牌多聯(lián)機(jī)CMS系列RZP450PAY1,單機(jī)制冷量45kW,制冷功率14.9kW,制熱量50kW,制熱功率 13.2kW,數(shù)量106臺(tái)。主機(jī)夏季能效比EER=45/14.9=3,遠(yuǎn)不如地源熱泵系統(tǒng)。

銅管:主要是安裝問(wèn)題,原則上室外機(jī)跟室內(nèi)機(jī)連接銅管距離不超過(guò)100～120m,且一臺(tái)主機(jī)與其匹配的室內(nèi)機(jī),所有銅管總距離不超過(guò)300m。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)高差不超過(guò)50m。

采用全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)。

室外機(jī)集中布置,可考慮設(shè)置于商鋪屋頂,由于數(shù)量較多,設(shè)置在屋頂是一個(gè)龐大的機(jī)組群,比較壯觀。

(5)初投資比較:

水源熱泵系統(tǒng):1320萬(wàn)元;VRV系統(tǒng):1250萬(wàn)元。

(6)運(yùn)行能耗比較:

①夏季制冷機(jī)房設(shè)備總能耗:水源熱泵系統(tǒng):776kW;VRV系統(tǒng):1300kW。

②冬季采暖機(jī)房設(shè)備總能耗:水源熱泵系統(tǒng):480kW;VRV系統(tǒng):811kW。

(7)制冷/制熱運(yùn)行費(fèi)用比較:

費(fèi)用計(jì)算約定:

當(dāng)?shù)厣逃秒妰r(jià)0.675元/kWh;全年夏季制冷取100天,每天運(yùn)行10小時(shí),總制冷時(shí)間為1000h;全年冬季制熱取100天,每天運(yùn)行10小時(shí),總制熱時(shí)間為1000h。

制冷和制熱運(yùn)行時(shí),負(fù)荷為25%、50%、75%和100%對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間百分比分別為30%、40%、20%和10%。

根據(jù)計(jì)算約定,對(duì)上述兩系統(tǒng)進(jìn)行全年運(yùn)行費(fèi)用分析計(jì)算,結(jié)果得:水源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用:445095元;VRV系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用:748085元。

根據(jù)上述理論計(jì)算,本項(xiàng)目采用水源熱泵系統(tǒng)比VRV系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約30.3萬(wàn)元/年,因此,筆者認(rèn)為,在各項(xiàng)條件合適的情況下,該項(xiàng)目中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用水源熱泵系統(tǒng)。

必須指出,上述計(jì)算結(jié)果僅屬理論分析計(jì)算值,由于實(shí)際運(yùn)行中兩系統(tǒng)的控制靈活性等不完全相同,實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和負(fù)荷百分比也會(huì)有所區(qū)別,因此,實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用與理論分析計(jì)算值會(huì)有差別。

6 對(duì)環(huán)境的影響

6.1 水源熱泵系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響

(1)地下水回灌率低

在地下水源熱泵系統(tǒng)中,地下水作為儲(chǔ)能介質(zhì)在完成一個(gè)運(yùn)行周期后回灌,并參與下一個(gè)循環(huán)熱傳遞。淺層地能 (熱)一部分儲(chǔ)存在含水層的地下水中,而大部分儲(chǔ)存在含水層巖石骨架頂層與底層巖土中,通過(guò)地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌井把溫度較低 (高)的水注入含水層中,重新與含水層頂層和底層巖土進(jìn)行換熱,以此來(lái)提高淺層地能 (熱)的利用率。因此高效率的地下水回灌是地下水源熱泵系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。

地下水作為一種優(yōu)質(zhì)的戰(zhàn)略資源,對(duì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的作用。目前,我國(guó)各地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的水資源短缺,大部分地下水資源超采較為嚴(yán)重,地下水位下降較快。此時(shí),如果熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用不能完全回灌地下水,將造成地下水資源的巨大浪費(fèi),加劇因地下水缺乏而導(dǎo)致的地面沉降、海水侵入及超采漏斗等現(xiàn)象[2]。

(2)熱污染

在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間,室內(nèi)與抽取的地下水發(fā)生熱量交換,改變了回灌水的溫度,使采能區(qū)地溫場(chǎng)不可避免地受到了影響。在對(duì)地下水熱泵系統(tǒng)采能區(qū)溫度變化的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn),區(qū)域地下水溫度將隨著制冷期及供暖期交替出現(xiàn)周期的升降。通過(guò)分析認(rèn)為,區(qū)域地下水溫度變化的幅度以及趨勢(shì)主要受系統(tǒng)冷熱負(fù)荷及場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件的影響。在冷熱負(fù)荷的運(yùn)行條件下,熱泵系統(tǒng)從含水層提取及回灌的冷熱量平衡,地下水溫度在背景值區(qū)域內(nèi)周期性振蕩。但在冷熱不平衡的條件下,地下水溫度將偏離溫度背景值呈現(xiàn)上升或下降的趨勢(shì)。而在正常條件下,熱泵系統(tǒng)熱負(fù)荷一般大于冷負(fù)荷,即冬季供暖時(shí)間及面積均超過(guò)夏季,場(chǎng)區(qū)地下水溫度將偏離溫度背景值逐年下降。

為了解場(chǎng)區(qū)地下水溫度出現(xiàn)較大變化后其恢復(fù)的情況,通過(guò)假設(shè)熱泵系統(tǒng)在夏季制冷期后停止運(yùn)行,對(duì)該運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn),一旦含水層溫度發(fā)生變化,由于地下水水力坡度較小,流速緩慢,則含水層溫度很難恢復(fù)到背景值。當(dāng)然,場(chǎng)區(qū)地下水溫度還受區(qū)域地下水天然動(dòng)力場(chǎng)的影響,在強(qiáng)徑流區(qū)域,地下水流動(dòng)速度是主要影響因素。

溫度變化可能對(duì)地下水環(huán)境物理過(guò)程和生物過(guò)程有重要的影響,從而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響,一般來(lái)說(shuō),在土壤中有極嗜冷菌、嗜冷菌、嗜熱菌、極嗜熱菌等菌類(lèi),這些菌類(lèi)對(duì)溫度和溶解氧十分敏感,地下水中溫度增高時(shí),溶解氧的濃度會(huì)降低,影響地下水中細(xì)菌的同化作用,導(dǎo)致地下水生態(tài)平衡的破壞。

部分水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)商家采用回灌水質(zhì)與抽取水質(zhì)比較的方法,對(duì)回灌水的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)論證,認(rèn)為在運(yùn)行水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí),地下水是作為貯存熱量的介質(zhì)使用的,它通過(guò)封閉的管道,僅僅在吸收和接受熱量后,立即被回灌,其間既不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用也不在空氣中暴露。因此,很多運(yùn)行商基本上沒(méi)有考慮地下水溫度變化對(duì)地下水水質(zhì)的影響[3]。但地下水所處環(huán)境較為復(fù)雜,區(qū)域補(bǔ)給及流動(dòng)具有長(zhǎng)期性,一旦受到污染,將難以恢復(fù)。

(3)地面沉降

由于地下水嚴(yán)重超采,我國(guó)目前許多地方由于地下水的開(kāi)采而引起地面沉降,如上海、天津、太原等地。地面沉降作為一種廣泛的地質(zhì)災(zāi)害,造成地下管道扭曲折斷、道路起伏不平、海水倒灌,建筑物產(chǎn)生裂縫甚至倒塌,不僅對(duì)地面設(shè)施產(chǎn)生很大的破壞作用,而且也會(huì)使地下環(huán)境發(fā)生變化,給工業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)和人們生活帶來(lái)深刻和巨大的影響。

目前,由于地下水源熱泵抽灌地下水而引起的地面沉降尚未記載。但如果大面積推廣該系統(tǒng)時(shí),未能實(shí)現(xiàn)地下水的完全回灌,可能造成整個(gè)區(qū)域黏土層過(guò)渡釋水壓密而造成地面沉降。而且,由于黏性土壤的特性,黏土層吸水量只占同壓力下釋水量的30%以下,塑性變形后的黏土層所產(chǎn)生的回彈量甚微[4]。此外,地下水源熱泵系統(tǒng)由于項(xiàng)目的局限性,使得抽灌井相距較近,且水位差較大,造成區(qū)域地下水流速加大,含水層中細(xì)顆粒介質(zhì)被水流攜帶而出,含水層中的介質(zhì)坍塌重組而造成地面沉降。

6.2 VRV空調(diào)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響

(1)熱污染

由于VRV空調(diào)的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中,會(huì)源源不斷的往室外排出熱空氣,高于外界環(huán)境的溫度,情況嚴(yán)重的話(huà)會(huì)影響環(huán)境而導(dǎo)致熱島效應(yīng)的產(chǎn)生。

(2)臭氧破壞

現(xiàn)在VRV空調(diào)系統(tǒng)所用到的制冷劑有的仍含有氟化物,泄漏時(shí)會(huì)對(duì)大氣大氣臭氧層造成破壞。

(3)健康辦公、生活環(huán)境

辦公及生活環(huán)境的空氣凈化問(wèn)題也是VRV空調(diào)中棘手的問(wèn)題,隨著室外空氣的日益變?cè)?或多或少會(huì)對(duì)室內(nèi)生活和辦公環(huán)境造成影響,所以對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的凈化也是目前VRV空調(diào)系統(tǒng)所遇到的一個(gè)難題。

[1]馬最良,姚楊,姜益強(qiáng),等.地下水源熱泵若不能100%回灌地下水將是子孫后代的災(zāi)難 [J].制冷技術(shù),2007(4):5-8

[2]武曉峰,唐杰.地下水人工回灌與再利用[J].工程勘察,1998(4):37-42

[3]劉興月,邵海洲,王洪星.淺析水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水環(huán)境的影響[J].節(jié)能與環(huán)保,2002(8):49

[4]王翠玲,王飛.地下水人工回灌對(duì)地面沉降控制的探討[J].山西建筑,2007,33(33):142-143