向勇濤　上海市能效中心

大型超市建筑空調(diào)配置方案的經(jīng)濟性分析

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運用經(jīng)濟性分析方法對大型建筑的常用的五種中央空調(diào)的冷熱源方案的投資情況和運行費用進行比較分析，論證水冷螺桿機組加燃氣鍋爐是經(jīng)濟性最好的配置方案。

大型建筑能耗；中央空調(diào)方案；經(jīng)濟性分析；節(jié)能

1　大型超市能耗情況

隨著我國城市建設的發(fā)展，大型超市的增長速度非?？?，在上海地區(qū)，大型超市已經(jīng)達到了130多家，并且大型超市建筑占新建建筑面積的比例也越來越大。為了營造一個健康舒適的購物環(huán)境，大型超市中設置中央空調(diào)系統(tǒng)是必不可少的，并隨著人們生活條件、對舒適度的要求越來越高，空調(diào)系統(tǒng)的普及會越來越廣，而空調(diào)系統(tǒng)又是整個建筑中的用電大戶[1]。

大型超市建筑的能耗較大，其中空調(diào)耗能是主要部分。在美國和法國，據(jù)統(tǒng)計，大型超市每年總耗電量占國內(nèi)總耗電量的4%，其中空調(diào)系統(tǒng)占50%～70%[2]。因此減少空調(diào)系統(tǒng)能耗已成為大型超市節(jié)能降耗的重要措施。根據(jù)暖通空調(diào)行業(yè)的研究成果,如果采用節(jié)能技術(shù),現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%～50% 完全可能。在大型超市建筑中，空調(diào)系統(tǒng)如何適應在低負荷下高效節(jié)能運行及在系統(tǒng)設計中對設備進行優(yōu)化選配就成為空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵。

2　經(jīng)濟性分析

2.1經(jīng)濟性分析方法

我國實際工作中進行能源經(jīng)濟分析比較時，多采用如下兩種計算方法:附加投資償還年限法和費用年值法。

附加投資償還年限法是分別計算兩種方案的投資費用和年成本費，若甲方案的投資大而成本小，而乙方案的投資小而成本大，則可由甲、乙投資費用的差值與兩者年成本費用差值的比值求出回收年限，只有當回收年限小于國家規(guī)定的標準償還年限時，才認為甲方案是合理的。

費用年值法就是對參與比較的各個方案的投資和經(jīng)營費這兩項性質(zhì)不同的費用，利用投資效果系數(shù)這個折算比率，將投資折算成與經(jīng)營費用類似的費用，然后與經(jīng)營費相加，算出一個稱為“年計算費用”的數(shù)值，從而取年計算費用最小的技術(shù)方案，作為最佳方案。

費用年值法比附加投資償還年限法有許多優(yōu)點:概念明確、計算方法通用簡便等，因此，該方法在實際工作中得到了廣泛的應用。盡管該方法也存在合理性程度的問題，但基于以上考慮，本文采用費用年值法進行比較。

在一個工程項目中，如其建設期為P年，生產(chǎn)期為m年。工程項目中各年的投資Ki折算到開始正常投產(chǎn)時的終值為K，正常生產(chǎn)年份的年經(jīng)營費用為C。根據(jù)動態(tài)分析法，將資金現(xiàn)值等額分攤到生產(chǎn)期m年中的方法，由此可得出年計算費用法的計算公式為：

式中 Zd—按動態(tài)法計算的年計算費用，元/年；

K—開始正常投產(chǎn)時的總投資額，元；

C—年經(jīng)營費(在能源工程中，它包括燃料費、電費、水費、材料費、基建折舊費、大修理費 、職工工資 、職工福利資金和其它費用項目)，元/年；

i—利率或采用部門的標準內(nèi)部收益率，%；

m—生產(chǎn)期即設備使用壽命，年，按能源部等有關(guān)規(guī)定。

設備使用壽命不同給滿足相同要求而只能計及費用的多方案評價問題帶來了很大的麻煩，而采用了費用年值的計算方法，不論各方案的使用壽命各為多少年，只要將各方案的現(xiàn)金流量都折算成年值，無論使用壽命相同或不同，都可以在共同的時段一“年度”內(nèi)進行比較，給方案評價帶來了很大方便。

各方案比較時，以 越小為越優(yōu)。費用年值法是一個考慮了資金時間價值的、動態(tài)的、比較的、科學有效的評價與選擇方法，具有以下特點：

1）年費用的大小受方案現(xiàn)金流的影響，不同的現(xiàn)金流有不同的費用。

2）年費用的大小與利率有關(guān)，它的數(shù)值變化不能改變相比方案相對經(jīng)濟性。

3）年費用的大小與計算基準年無關(guān)。

4）費用年值法用于方案比較時，可不受使用年限相同這一條件約束。換句話說，不管所參加比較的方案年限是否相等，被選方案中費用小的方案是經(jīng)濟性好的方案。

5）當參加比較的各方案的年運行費用為常數(shù)時，應用年費用法篩選幾種方案更為簡便。

由于本文所要比較的各種方案其初投資所包括的項目很多:冷熱源設備購置費、安裝費、材料費和機房土建費等，因此，我們必須分開計算。則本文中年計算費用法的計算公式變?yōu)椋?/p>

式中 N—設備種類數(shù)，其它符號如前所述。

（1）初投資

初投資計算如下。

式中 K1—設備價格，元；

K2—設備安裝費，元/m2；

K3—外網(wǎng)投資，元/m2。

K4—室內(nèi)系統(tǒng)投資，元/m2。室內(nèi)系統(tǒng)投資是用戶干線以后的部分，本文取40元/m2。

（2）年經(jīng)營費用

年經(jīng)營費用（owning and operating cost）包括運行費（running cost）和固定費（fixed charge）[3]，年運行費用主要是指能耗費用（電費、油費、氣費等），其他費用如維護、管理費用，為便于比較，各方案的維護、管理費用視為相近而互相抵消；固定費用主要是指系統(tǒng)設備的折舊（更新）費用、利息、稅收和保險費等。

1）固定費用

固定費用的組合和計算見表1。

表1　固定費概算

2）年運行費用

年運行費用是一項硬經(jīng)濟指標，是使用者經(jīng)常性開支，使產(chǎn)品選型時不容易忽視的經(jīng)濟預算內(nèi)容，它的值等于年能源消耗量乘以該能源的單價，由于各地區(qū)電價、燃料價（指燃油、天然氣、城市煤氣等）差別較大，針對某工程項目方案比較時，應結(jié)合當?shù)貙嶋H情況考慮。

（3）使用年限

對于維護較好的冷水機組，其使用壽命均可達到20 a或以上，直燃吸收式機組壽命要短些，一般為15 a。對于附屬設備，水泵壽命大約6 a左右，冷卻塔的壽命一般在10 a左右，冷熱源管道系統(tǒng)的壽命取值同機組，也為20 a。對于熱源鍋爐，使用壽命15 a。電力增容費已取消，故不考慮在內(nèi)。

2.2初投資年折舊費和年經(jīng)營費用的分析

影響冷熱源方案經(jīng)濟性的兩個主要因素是初投資和年經(jīng)營費用，要分析冷熱源方案的經(jīng)濟性，首先要做的就是建立初投資年折舊費與年經(jīng)營費的數(shù)學模型。比較時，作以下兩點假設：

1）假設各冷熱源系統(tǒng)冷凍水部分及末端換熱設備均相同，不計算在內(nèi)；

2）由于風冷機組及水冷系統(tǒng)中的冷卻塔均置于建筑物屋頂，假設它們的結(jié)構(gòu)特殊處理費用相同。

2.2.1初投資年折舊費計算

（1）對于水冷式冷水機組系統(tǒng)，初投資包括機組購置費Ka1、冷卻水泵和冷卻塔購置費Ka2、Ka3，冷卻水管道系統(tǒng)初投資及其安裝費Ka4，機房土建費用Ka5，相對應的壽命取m1至m5。則初投資年折舊費為：

（2）對于電動風冷系統(tǒng)，主機設備投資為Kb1，設備壽命取n1年，則風冷系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的初投資年折舊費為：

（3）對于直燃吸收式溴化鋰機組冷熱源（燃氣或燃油），其初投資基本上與水冷式冷水機組系統(tǒng)一樣，它們的年折舊費Kc和Kd這里不予給出。

（4）熱源系統(tǒng)的電鍋爐、燃氣和燃油鍋爐的年折舊費用分別見公式5.6和5.7，p和q分別是它們的使用壽命。

燃氣/燃油鍋爐

在實際比較中，本文沒有考慮冷熱源機組設備和附屬設備的安裝費，因為經(jīng)過綜合考慮后，它們在各個方案中的差別不大，在系統(tǒng)中所占比重的差異更小。

2.2.2年經(jīng)營費用計算

冷熱源系統(tǒng)設備運行能耗的計算采用當量滿負荷運行時間法。

（1）水冷式冷水機組冷源系統(tǒng)的年經(jīng)營費用Ca由以下幾個部分組成：

水冷式冷水機組的年經(jīng)營費用Ca1=年運行費用Oa1+固定費用Ga1；

冷卻水泵的年經(jīng)營費用Ca2=年運行費用Oa2+固定費用Ga2；

冷卻塔的年運行費用Ca3=年運行費用Oa3+固定費用Ga3；

冷卻水的年補水費用Ca4=年運行費用Oa4+固定費用Ga4；

（2）風冷冷水機組冷源系統(tǒng)由于是用風機冷卻，而風機的能耗已經(jīng)計算在機組的能耗中了，因此它的年經(jīng)營費用就是機組的年經(jīng)營費用，設為Cb。

（3）直燃吸收式溴化鋰機組冷熱源系統(tǒng)的計算公式與水冷冷水機組冷源系統(tǒng)相同，只是運行消耗的是燃氣或者燃油，而不是電力，分別設為Cc和Cd。

（4）鍋爐的年經(jīng)營費用就是它的年能耗費用加固定費用，電鍋爐是年電費加固定費用，燃氣鍋爐和燃油鍋爐雖然也有電力消耗，但是相對于燃氣或燃油的能耗費用，電費比例是非常小的，在這里忽略不計，年經(jīng)營費用分別為Ce、Cf和Cg。

最后的年計算費用就是以上兩項的疊加。

3　幾個冷熱源配置方案的年計算費用

幾個方案中的冷源均按照研究對象的設計冷負荷5 635.8 kW配置，由于超市不配備熱源，沒有設計熱負荷。值取超市標準內(nèi)部收益率為8%，利率為7.83%，稅率為5%，保險金率為3.87%。通過向業(yè)內(nèi)人士的咨詢，各冷源機組的價格分別按離心機組0.4元/大卡、水冷螺桿機組0.45元/大卡、風冷螺桿機組1.2元/大卡、直燃吸收式溴化鋰機組0.4元/大卡的標準來計算。

3.1冷熱源配置方案

根據(jù)研究對象的建筑情況，做出如下5種可行方案：

方案1：離心式冷水機組2臺+電鍋爐1臺

方案2：離心式冷水機組2臺+燃氣鍋爐1臺

方案3：水冷式螺桿機組3臺+燃氣鍋爐1臺

方案4：風冷式螺桿機組4臺+燃氣鍋爐1臺

方案5：直燃吸收式溴化鋰機組2臺

以上5種方案主要設備的技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2　各方案主要設備的部分參數(shù)

3.2設備初投資的比較

根據(jù)表2，在不考慮土建費的前提下，5種冷熱源配置方案的設備初投資見表3。從表3可以看出，方案4的初投資最大，這是因為風冷螺桿機組的單位冷負荷初投資比較大；方案5中的主機設備直燃吸收式溴化鋰機組雖然比方案1和方案2的冷水機組要貴，但它可冷熱兩用，而方案1和2必須配備各自的熱源設備，另外，直燃吸收式溴化鋰機組使用天然氣作為燃料，它的電力消耗很小。這樣，經(jīng)過各設備的綜合計算，除方案4（風冷螺桿機組+燃氣鍋爐）以外的4種方案初投資相差不大。

表3　5種方案的設備投資情況萬元

根據(jù)表3和上面公式，計算得到5種方案的主要設備初投資年折舊費用，其匯總于表4。

表4　5種方案設備的年折舊費明細表萬元

年折舊費用以方案四最大，這是主要因為方案4冷源的初投資與其他方案冷源的初投資相比，差別太大。方案5的年折舊費高出方案1、2的年折舊費，是由于直燃吸收式溴化鋰機組的使用壽命一般只有15 a，比電動冷水機組短5 a，使得機組的年折舊費用較高。

3.3年經(jīng)營費用比較

冷熱源選擇的經(jīng)濟性如何，不僅要看其初投資多少，還要從長遠的觀點來看。冷熱源年運行費用的計算要結(jié)合全年動態(tài)負荷統(tǒng)計分析，即統(tǒng)計不同負荷率下的運行時間，機組在不同的負荷率下其耗功率不同，如果簡單地用一個負荷率對各個冷熱源配置方案進行估算，那么計算值與現(xiàn)實能耗相差很遠。為了使年運行費的計算結(jié)果更貼近實際，在這里使用前面用eQUEST軟件動態(tài)模擬出的結(jié)果，見表5。

表5　5種冷熱源配置方案的年運行費用萬元

年運行費用最高的是方案五直燃吸收式溴化鋰機組，它的主要能源是天然氣，目前天然氣的價格相對電力來說還是比較貴的，直接導致運行成本上升。但如果天然氣下降一定比例，則其年運行費用將大大降低，甚至比電制冷小。

計算出5種冷熱源配置方案的固定費用，見表6 。

表6　5種冷熱源配置方案的固定費用萬元

3.4年計算費用的比較

年計算費用比較是本次費用年值法比較的最終目標。年計算費用的兩個主體分別是系統(tǒng)設備的年折舊費用和系統(tǒng)的年經(jīng)營費用。

把表4、5和6結(jié)合起來，就可以得到年計算費用的情況表，最后結(jié)果見表7。

表7　5種冷熱源配置方案的年計算費用萬元

從上表中可以看出，方案3年經(jīng)營費用最低，其次是方案4、方案2，方案5最高，其年運行費用也最高，且其使用壽命比一般機組要短，這些阻礙了直燃吸收式機組的廣泛應用。對上海來說，天然氣的價格遠遠高于電價，這使得它處于劣勢。我們從年計算費用的最終計算結(jié)果，可得5種冷熱源的可行性排列順序為：方案3（水冷螺桿+燃氣鍋爐）＞方案2（離心式機組+燃氣鍋爐）＞方案4（風冷螺桿+燃氣鍋爐）＞方案1（離心機組+電鍋爐）＞方案5（直燃吸收式溴化鋰機組），說明方案3最優(yōu)，方案5最差。

4　結(jié)論

（1）大型超市冬季不具備供暖的必要性。在上海的能源價格體制下，風冷螺桿式冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)冷源的年費用最小，直燃吸收式溴化鋰機組的年費用最大。從熱源來看，燃氣鍋爐的年費用大大低于電鍋爐的年費用。年費用最低的冷熱源配置組合是風冷螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐，其次是水冷螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐、離心式冷水機組+燃氣鍋爐、離心式冷水機組+電鍋爐，直燃吸收式溴化鋰機組的年費用最高。結(jié)果大型超市的負荷特點和空調(diào)系統(tǒng)運行的實際，不考慮冬季供暖，僅從夏季運行費用來看，也是直燃吸收式溴化鋰機組運行費用最大，風冷螺桿機組最小。

（2）從初投資看，方案4（風冷螺桿+燃氣鍋爐）＞方案3（水冷螺桿+燃氣鍋爐）＞方案1（離心機組+電鍋爐）＞方案2（離心機組+燃氣鍋爐）＞方案5（直燃吸收式溴化鋰機組）。

（3）根據(jù)各冷熱源配置方案的初投資和年經(jīng)營費用得到各方案的年計算費用，結(jié)果為方案3＜方案2＜方案4＜方案1＜方案5，可見水冷螺桿機組+燃氣鍋爐是可行性最強的冷熱源配置方案。

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Economic Analysis of Large Scale Supermarket Air-Conditioning Configuration Scheme

Xiang YongtaoShanghai Energy Efficiency Center

The article analyzes investment condition and operation cost of common central air-conditioning heating and cooling solutions at large scale buildings through economic analysis method. It proves that water cooled screw chiller plant with gasfired boiler is the best configuration.

Large Scale Building Energy Consumption, Central Air-Conditioning Allocation, Economic Analysis Method, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2015.12.012