多联机与地源热泵在工程中的应用分析
摘要：本文介绍了多联机和地源热泵的系统构成、工作原理和系统的主要优点，并重点分析了两种空调系统在上海地区的工程实例的应用。
一、引言
变频多联机空调系统，因具有节能和适应灵活多样的使用要求、设计简单而受到用户、房地产开发商和设计人员的欢迎。地源热泵空调系统由于具有性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好等优点,在欧美等地应用较为广泛,但在我国尚处在起步阶段,目前只有较少的地理管地源热泵机组成功运行。本文通过对这两种系统介绍，并以实际工程实例分析两种系统的投资和运行费用情况。
二、系统介绍
2.1、变频空调的系统介绍
2.1.1、系统构成及介绍：
变频多联系统中央空调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。变频多联系统是属于氟里昂直接蒸发的中央空调系统，它是由一台室外机带若干个室内机组成的。
2.1.2、系统工作原理：
多联机空调系统的工作原理与普通蒸汽压缩式制冷系统相同，由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成。与普通蒸汽压缩式制冷装置不同的是，热泵型空调系统室内、室外侧换热器都具有冷凝器和蒸发器的双重功能。
2.1.3、系统的优点：
1) 设计自由度高
变频多联系统空调室内机有多种款式、规格，可根据建筑和装饰的要求任意选择，而且采取新风也相当方便，如采用全热交换器或室内机本身吸取新风或集中用一台室内机作新风机等都可以获取新风。
2) 节约吊顶空间
变频多联系统是氟里昂直接在管道内蒸发，冷媒管很细且安装时没有坡度要求，如采用带一个冷凝水泵的变频多联室内机，冷凝水可强制提高500-1000mm，则整个吊顶高度可比冷水盘管系统节约200-300mm。
3) 不需机房
变频多联系统的室外机属于风冷热泵型，室外机可放在屋顶或阳台上，可大大节省机房占地和建房投资。
4) 运行可靠、维修方便、勿需专人管理
变频多联系统设备质量可靠，运行起来几乎不需维修，亦勿需专人值班管理。
5) 安装极为方便
变频多联中央空调系统安装极为方便。可分楼、分层、分区、分段进行安装，分层或分区交付使用，安装工期短。旧楼改造不影响正常办公和营业。
2.2、地源热泵的系统介绍
2.2.1、系统构成及介绍：
地源热泵技术是一种利用地下浅层地热能源(也称为浅层地能，包括土壤、地下水、地表水、河水、海水、湖水等)，同时实现建筑采暖、制冷和生活热水的高效节能和环保的中央空调技术。浅层地能是取之不竭、用之不尽的经济实用的绿色新能源。
2.2.2.系统工作原理：
地源热泵系统示意图见图2.2。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由图中的四通阀门(换向阀)控制。可以看到，在地源热泵系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。
2.2.3、系统的优点：
与普通空调系统相比，地源热泵具有下列优点：
1) 以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用清洁的、近乎无限可再生的能源，符合可持续发展的战略要求。
2) 影响地源热泵使用经济性的因素很多,难以获得准确的结论,据世界环境保护组织在一份有关空调未来的报告中的结论:设计安装良好的地源热泵,可以节约30%～40%甚至更高的供热制冷空调的综合运行费用。
3) 地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置。从而也增加了经济性。
4) 地源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂,初次投资高于普通空调系统,但普通空调的运行费用远远高于地源热泵系统,一般3～5年时间就可以将增加的初次投资收回。普通空调寿命一般在15年左右,而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料,埋地寿命至少50年。因此,从使用寿命和运行费用来考虑地源热泵系统的经济性是高于普通空调系统的。
5) 无需除霜。大地土壤温度一年四季相对保持恒定，冬季也能保持在 15℃ 以上，埋地换热器不会结霜，可节省因结霜、除霜而消耗的能量。
6) 环境效益高，绿色空调。地源热泵装置没有燃烧，没有排烟，没有余热、余湿等废弃物，对环境无污染，属环保型的“绿色空调”。虽然也采用制冷剂，但其充灌量比常规的空调装置减少25%左右，而且该装置于出 厂前就充灌制冷剂并整装密封好，制冷剂泄漏的几率大大减小。
7) 系统简单，一机多用，节约设备用房，应用范围广。地源热泵可供暖、空调，还可用于生活热水供应系统，一套系统可替代锅炉加空调主机两套系统，因此一机多用，节省了建筑空间及设备的初投资，机组紧凑，节省设备用房空间。由此而产生的经济效益相当可观。
三、工程应用分析
3.1、工程项目概况
上海市某酒店，地点位于黄浦区，总建筑面积5000平方米，建筑共分5层，其中一楼为大堂和餐厅，2至5楼为客房，共有标准客房100间，室内空调面积约为3300平方米，中央空调设计室内总冷负荷为600kw，热负荷为300kw，主机冷负荷选用450kw，热负荷为225kw。该项目具有如下特点：
l 上海地区全年冷热负荷较为均匀，全年制冷、供暖时间均约为四个月，春秋过渡季节约为四个月，有利于地下散热均衡。
l 全年办公楼空调负荷变化大，但每天空调负荷变化小。在考虑总冷热负荷均衡的同时，还应考虑每天地下散热效率。
l 该建筑具有较好的地理位置，可为地源热泵提供有大量的打孔面积。
3.2、系统设计
3.2.1、方案一：变频多联空调系统
每层选用1套32匹系统，分5个系统，共计160匹。主机放于楼顶，室内采用天花嵌入式风管机，新排风采用全热交换机。因为酒店客房生活热水用量为25吨/天，所以还要加1台100万大卡的然气热水锅炉。
3.2.2、方案二：地源热泵空调系统
选用2台制冷量为230kw(80匹)的全热回收地源泵主机，地埋管按冬天采暖负荷计算，夏天采用冷却塔辅助散热，如此既可以避免冬天吸热量和夏天散热量不平衡，也可以减少打孔费用，降低投资成本;采用PE100 d25的双U型埋管，单个管孔有效深度80m，孔径为Φ150mm，共要打孔70个，孔距采用4x4米。该系统在夏天制冷量可利用热回收产生免费生活热水，过渡季节可单独产热水，冬季可满足采暖和生活热水需求。机房设于酒店的变电站房旁。
3.3、系统全年能耗分析
本文采用空调负荷计算程序计算建筑物全年动态负荷，计算包括：设计日空调逐时冷负荷，设计日采暖逐时热负荷以及全年动态负荷分布。计算结果如下图：
由图3.1、图3.2和图3.3的计算结果可知，在夏季运行工况下，7月份的负荷最大，6、8月次之，9、10月负荷最小。在冬季运行工况下，12、1月份的负荷最大，2月次之，3月负荷最小。
根据全年空调运行情况及空调系统设备的功耗，可计算出两种系统全年能耗，如图3.4：
在评价不同类型空调机组在整个空调运行季节中的综全性能时，通常采用季节能效比SEER。
SEER=系统供冷或供热量/系统总能耗
根据前面所做的空调负荷计算以及两种空调系统在冬、夏季的能耗的计算，得到多联机系统和地源热泵系统在冬、夏季的季节能效比SEER。如图3.5。
从图3.5可以看出，两种系统的能效比变化规律相类似，均在7、8月份时最高，12、1月份最低。虽然两种系统的能效比随时间的变化规律相似，但地源热泵系统的能效比均高于多联机能效比，平均高20%-30%。
3.4、系统初投资对比
u 变频多联中央空调：
u 地源热泵中央空调：
3.5、系统运行成本对比
3.5.1、空调的运行费用
根据前面空调系统的全年能耗计算，可以得出全年空调系统的运性费用，按电费1元/度
1、空调和采暖的运行费用对比表：
3.5.2、热水的运行费用
热回收地源热泵可以提供55℃的生活热水。以1m3水加热温度升高40℃(从15℃升高到55℃)，需40000 kcal 的热量为例分析热水成本：
(能源需要量=40000kcal÷实际产热值)
根据上面表格热水计算，热水使用量为25吨/天，按全年运行240天，制冷120天，制热120天，计算各类热水器一年热水成本(地源热泵中央空调制冷期间，免费提供热水，非制冷期间热水费用按11.07元/ m3)如下表：
3.5.3、年运行成本比较
从计算可以看地源热泵机组在初投资要比变频多联机+热水锅炉高，但总体运行费用要低，初投资的费用可在1年就可以收回(注：本文所选建筑适用地源热泵，因此对比结果不代表所有建筑)，一般来说，地源热泵系统比多联机系统节约20%-30%运行费用，如果加上地源热泵的热回收功能，对于需要用生活热水的建筑物，地源热泵的运行费用比多联机系统节约40%-50%。
四、结论
由于近几年来，能源短缺，国家鼓励节能减排技术和清洁能源的发展，地源热泵的发展也就得到政府的大力支持，并在政策上给予了一定的优惠 条件。而且市场对地源热泵技术、产品需求比较旺盛。需求的增加自然带动市场发展，因此地源热泵较前几年的发展速度非常迅猛。目前地源热泵技术已经成为供暖制冷领域利用可再生能源实现节能、环保、供热费用低廉的主要技术手段。
