晁江月，賈曉瑜，胡建麗，潘云鋼

（1. 中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044；2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高，能源需求量日益增加［1］。我國城鎮(zhèn)化建設(shè)需求、交通需求的持續(xù)增加，使得機場航站樓建設(shè)體量龐大。通風(fēng)空調(diào)末端系統(tǒng)是保障機場航站樓室內(nèi)環(huán)境需求的重要組成部分。機場航站樓空調(diào)末端系統(tǒng)的運行負(fù)荷占其總負(fù)荷的40%～60%［2］，在電力需求側(cè)通過設(shè)備改造、系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化等措施可以達到節(jié)能減排、節(jié)省開支的目的［3—4］。在近十年的航站樓空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，高大空間（出發(fā)大廳等區(qū)域）中空調(diào)系統(tǒng)以全空氣系統(tǒng)為主?？照{(diào)末端系統(tǒng)形式在各大機場航站樓中的應(yīng)用基本一致，僅在不同功能區(qū)略有不同。

航站樓空調(diào)系統(tǒng)電費成本龐大，且耗電量呈現(xiàn)地區(qū)性差異，夏熱冬暖地區(qū)最高，嚴(yán)寒地區(qū)最低?？照{(diào)系統(tǒng)運行電耗占總電耗比例很大，而空調(diào)末端電耗是航站樓空調(diào)系統(tǒng)電耗的重要組成部分，其具有很大節(jié)能空間。其中組合式空調(diào)末端系統(tǒng)受控于航班狀態(tài)及進出港區(qū)域，存在控制分區(qū)過大和無效運行的問題［5］，可采用分布式空氣處理末端實現(xiàn)節(jié)能［6］，消除長距離輸送，并將風(fēng)機風(fēng)壓降低，從而大幅降低風(fēng)機功率與電耗［7］。小風(fēng)量末端機組效率高，控制靈活且節(jié)能潛力大，但是運維成本比較高，需要通過經(jīng)濟性分析，根據(jù)具體情況找到最優(yōu)設(shè)計方案。

針對空調(diào)末端系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性分析，目前學(xué)者大多考慮了減少耗電量以節(jié)省電費［8］，從余熱回收、冷熱電三聯(lián)供、變頻技術(shù)［9］、合理的設(shè)計參數(shù)［10］等方面進行節(jié)能分析。但人工運維成本缺少量化分析，對工程設(shè)計指導(dǎo)性較差。人工成本是影響空調(diào)末端系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要組成部分，需要將節(jié)能運行和人工成本進行聯(lián)合分析以獲得經(jīng)濟運行的最優(yōu)解。本文首先提出了空調(diào)末端系統(tǒng)運行成本的主要影響因素，并分析確定了影響因素的變化范圍，然后建立多參數(shù)經(jīng)濟分析模型，通過案例分析，獲得考慮節(jié)能運行與運行成本的最優(yōu)解，為今后航站樓空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 空調(diào)末端系統(tǒng)經(jīng)濟分析模型

本文經(jīng)濟性分析主要考慮空調(diào)末端機組的電費成本與運維成本。其中空調(diào)系統(tǒng)能耗一般包括風(fēng)系統(tǒng)能耗和水系統(tǒng)能耗，由于在大型項目中冷熱源設(shè)備能耗及水系統(tǒng)輸配能耗將在能源站設(shè)計中計算，因此本次經(jīng)濟性分析只考慮末端能耗，即末端機組能耗。

1.1 運維成本

本次經(jīng)濟性分析的運維成本主要包括物料成本及正常維護檢修的人工成本。設(shè)備故障的維修成本屬于偶然支出，不確定性較大，因此暫不考慮。根據(jù)調(diào)研已知，空調(diào)機組送風(fēng)末端每年需檢修并更換濾料2次（冬季、夏季開機前各一次），濾料材料費平均約為100元/臺，每次檢修需要2人工作2 h。

根據(jù)北京統(tǒng)計年鑒2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，產(chǎn)品修理業(yè)月平均工資約為1 萬元，二線城市中以西安為例，根據(jù)西安市統(tǒng)計年鑒2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，月平均工資大約為北京的一半。按北京月平均工資，計薪天數(shù)為20 d，每天工作時長為8 h，計算得到檢修工人的工時費為62.5元/h，運維成本計算公式可表示為

式中：Y為運維成本，元/a；α為人工工時費變化系數(shù)，北京等一線地區(qū)取1，二、三線城市及其他地區(qū)取0.5；N為空調(diào)機組臺數(shù)；G總、G分別為空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量、單臺空調(diào)機組送風(fēng)量，CMH。

1.2 電費成本

本文經(jīng)濟性分析中電費成本主要考慮不同風(fēng)量的單風(fēng)機空調(diào)機組的電費。當(dāng)系統(tǒng)提供的風(fēng)量冷量相同，且不考慮水系統(tǒng)輸配能耗時，各方案耗電量完全由風(fēng)機耗功率及運行時長決定。電費成本計算公式為

式中：X為電費成本，元/a；T為全年運行時長，h；WS為風(fēng)機耗功率，W；F為電價，元/kWh。

電費成本計算公式中全年運行時長T、電價F和風(fēng)機耗功率WS的取值范圍分析如下。

1.2.1 運行時長T

全國各地的機場航站樓由于氣候條件、機場吞吐量不同，空調(diào)運行時長也有較大差異。表1 選取了7個典型機場進行分析。航站樓室內(nèi)設(shè)計溫度夏季為24～26 ℃，冬季為18～20 ℃。嚴(yán)寒寒冷地區(qū)冬季以散熱器采暖為主，空調(diào)系統(tǒng)只夏季供冷（一般為3～6 個月）。夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷冬季供熱，夏熱冬暖地區(qū)全年供冷，由于航站樓建筑內(nèi)部冷負(fù)荷較大，夏熱冬冷地區(qū)過渡季較短，因此空調(diào)系統(tǒng)一般需要全年運行。溫和地區(qū)（如昆明）空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷冬季供熱，由于氣候條件優(yōu)越，全年存在較長時間（4月—10月）可以實現(xiàn)只通過機械通風(fēng)或者自然通風(fēng)維持室內(nèi)溫濕度，因此只需要考慮冬季（11月—次年2月）空調(diào)供熱和夏季（7月—8月）極端天氣供冷。干線機場如首都機場、上海浦東機場等假設(shè)空調(diào)機組晝夜運行，支干線機場日間運行12 h，支線機場日間間歇運行8 h。雖然空調(diào)機組風(fēng)機一般為變頻運行，為簡化計算，本文將變頻運行時間折算入全負(fù)荷運行時長中，假設(shè)支線機場每日全負(fù)荷運行12 h，干線機場15 h，樞紐機場18 h。最終可得全國各大機場航站樓空調(diào)年運行時長為1000～6000 h，如表1所示。

表1 各大機場航站樓空調(diào)年運行時長Table 1 Annual operating hours of air conditionings in major airport terminals

1.2.2 電價F

根據(jù)北京市發(fā)展和改革委員會2021年發(fā)布的文件，北京郊區(qū)一般工商業(yè)實行峰谷電價政策，峰谷電價時段劃分為：高峰時段（10:00—15:00，18:00—21:00），平時段（7:00—10:00，15:00—18:00，21:00—23:00），低谷時段（23:00—次日7：00），夏季尖峰時段（7月—8月11:00—13:00 和16:00—17:00），具體電度電價情況如表2 所示，平均電價大約為0.8 元/kWh，平谷期平均電價大約為0.5元/kWh。不同地區(qū)的電價呈現(xiàn)一定的差異，根據(jù)各省市發(fā)改委電力價格相關(guān)文件，西安市平均電價大約0.5元/kWh，成都市、武漢市和濟南市平均電價大約0.6 元/kWh，哈爾濱市平均電價大約0.8 元/kWh。綜上所述，電價變化范圍大約為0.5～0.8元/kWh。

表2 北京郊區(qū)一般工商業(yè)電度電價Table 2 General industrial and commercial electricity prices in the suburbs of Beijing元/kWh

1.2.3 風(fēng)機耗功率WS

風(fēng)機耗功率計算式為

式中：WS為風(fēng)機耗功率，W；P為空調(diào)機組余壓，Pa；ηCD為電機效率及傳動效率，取0.9；ηF為風(fēng)機效率。

定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)均采用離心式風(fēng)機。其中小型號為外轉(zhuǎn)子電機空調(diào)風(fēng)機，大型號則采用皮帶輪連接的離心風(fēng)機。根據(jù)GB19761—2009《通風(fēng)機能效限定值及能效等級》對空調(diào)機組用外轉(zhuǎn)子電機式離心風(fēng)機的風(fēng)機效率限定，如表3所示。小于3.5號的機組應(yīng)用相對不多，本文選取3.5號機組的3級能效限定值作為計算依據(jù)。

表3 外轉(zhuǎn)子電機式離心風(fēng)機的風(fēng)機效率Table 3 Fan efficiency of external rotor motor centrifugal fan%

從實際應(yīng)用來看，外轉(zhuǎn)子電機式空調(diào)風(fēng)機多用于分布式空調(diào)機組，送風(fēng)半徑較小，機組余壓通常不超過350 Pa。組合式空調(diào)機組采用皮帶輪連接的離心風(fēng)機，根據(jù)送風(fēng)半徑和管道阻力不同，機外余壓為500～600 Pa。

1.3 運行經(jīng)濟性分析計算公式及案例設(shè)置

根據(jù)式（1）—式（4）可推導(dǎo)出單位風(fēng)量運行總成本計算公式。由式（5）可知，運行的經(jīng)濟性與項目所在地的人均收入、運行總時長、電價政策、風(fēng)機運行狀態(tài)點密切相關(guān)，設(shè)計時可運用該公式合理選擇空調(diào)末端系統(tǒng)形式，實現(xiàn)運行成本最優(yōu)化。

式中：φ為單位風(fēng)量總運行成本，元/a/CMH；G為風(fēng)機風(fēng)量，CMH；P為空調(diào)機組余壓，Pa；ηCD為電機效率及傳動效率，取0.855；ηF為風(fēng)機效率，取0.51；T為運行時長，h/a；F為分時電價，元/kWh；M為當(dāng)?shù)卦缕骄べY，元。

式（5）中空調(diào)機組機外余壓P根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗擬合經(jīng)驗公式帶入計算模型中，以便設(shè)計人員使用，實際計算中也可以根據(jù)實際情況選取機外余壓值。目前，傳動效率ηC和電機效率ηD并沒有作為主要的控制指標(biāo)在設(shè)計中進行控制，因為這兩者通常是風(fēng)機的配套設(shè)備，不在設(shè)計人員的控制范圍。因此本文參考GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》給出ηCD的取值0.855代入計算，風(fēng)機效率ηF根據(jù)上文取值0.51。

本文利用上述提出的空調(diào)末端系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析模型，分析9 種機組設(shè)計方案運維成本占比以及運行時長和人工成本的影響，如表4所示。

表4 案例設(shè)置Table 4 Case settings

2 結(jié)果分析

2.1 運維成本占比

本文以人工費用最高的北京地區(qū)，電價0.5 元/kWh作為最不利工況來計算運維成本在總費用中的占比，結(jié)果如圖1 所示，隨著全年空調(diào)機組運行時長增加，運維成本的占比明顯下降。50000 CMH 和20000 CMH風(fēng)量的空調(diào)末端機組，運維成本占比分別為0.6%～7.2%與1.7%～17.5%，當(dāng)年運行時長超過3000 h時，運維成本占比小于5%，相較于電費成本幾乎可以忽略不計。10000 CMH 和5000 CMH 風(fēng)量的空調(diào)末端機組，運維成本占比分別為4.7%～36.9%與10.0%～57.2%，當(dāng)運行時長超過6000 h/a時，運維成本占比小于10.0%。小風(fēng)量（2000 CMH）末端機組由于安裝數(shù)量龐大，運維人工成本相對較高，占總成本的24.5%～79.6%。對于運行時長較長的情況，小風(fēng)量分布式末端維護成本被攤薄，節(jié)能經(jīng)濟性更加明顯。對于寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)，空調(diào)機組運行時間短，節(jié)能經(jīng)濟性體現(xiàn)不充分，小風(fēng)量分布式末端機組維護成本過高，因此大風(fēng)量空調(diào)機組更為合適。

圖1 運維成本在總費用中的占比Fig.1 Percentage of operation and maintenance costs in total costs

2.2 運行時長的影響

根據(jù)1.2.2中對各城市電價的總結(jié)，選取0.8 元/kWh代表電價較高的情況，0.5 元/kWh 代表電價較低的情況，進行下列的案例分析。

當(dāng)平均電價為0.8 元/kWh時，對于人工成本較高的北京地區(qū)，如圖2（a）所示，當(dāng)年運行時長達到4000～6000 h以上時，單臺機組風(fēng)量越低，小時運行成本越低，大風(fēng)量機組因為能耗高，運行成本較高。當(dāng)年運行時長小于3000 h時，單臺機組風(fēng)量6250 CMH的空調(diào)機組小時運行成本最低，小風(fēng)量末端機組因為運維成本占比過高，小時運行成本隨著單臺風(fēng)量降低而有不同程度的增高。對于人工成本較低的地區(qū)，如圖2（b）所示，當(dāng)年運行時長達到2000 h以上時，單臺機組風(fēng)量越低，小時運行成本越低，大風(fēng)量機組因為能耗高，運行成本較高。當(dāng)年運行時長小于2000 h時，單臺機組風(fēng)量6250 CMH 的空調(diào)機組小時運行成本最低，小風(fēng)量末端機組因為運維成本占比過高，小時運行成本隨著單臺風(fēng)量降低而顯著增高。

圖2 平均電費0.8元/kWh空調(diào)末端系統(tǒng)小時運行成本Fig.2 Hourly operating costs of air-conditioning terminal systems when the average electricity cost is 0.8 yuan/kWh

當(dāng)平均電價為0.5元/kWh時，由于電價較低，對于人工成本較高的北京地區(qū)，如圖3（a）所示，當(dāng)年運行時長達到6000 h時，單臺風(fēng)量小于6250 CMH的機組小時運行成本基本不變；當(dāng)年運行時長小于6000 h時，單臺機組風(fēng)量5000～10000 CMH 的空調(diào)機組小時運行成本最低。隨著運行時長不同，單臺機組風(fēng)量越小的機組小時運行成本會有不同程度的增加。對于人工成本較低的地區(qū)，如圖3（b）所示，當(dāng)年運行時長達到3000 h及以上時，隨著年運行時長的增加，單臺風(fēng)量小于6250 CMH 的機組小時運行成本并不會大幅下降，當(dāng)年運行時長小于2000 h 時，單臺機組風(fēng)量5000～10000 CMH 的空調(diào)機組小時運行成本最低。

圖3 平均電費0.5元/kWh空調(diào)末端系統(tǒng)小時運行成本Fig.3 Hourly operating costs of air-conditioning terminal systems when the average electricity cost is 0.5 yuan/kWh

2.3 人工成本的影響

當(dāng)電價較低時，人工成本的影響會增加。下文以電價0.5 元/kWh 作為電價較低的工況，對比高收入地區(qū)（以北京為例）和中低收入地區(qū)（以50%的北京人均收入為例）不同設(shè)計方案的運行成本。二線城市的人工成本盡管只有北京等一線城市的一半，但結(jié)果的趨勢與北京相似。如圖4（a）所示，每年運行6000 h時，小風(fēng)量分布式末端（2000～6250 CMH）的運行成本最低，由于人工成本較低，小風(fēng)量末端節(jié)省電費多于人工成本增加。如圖4（b）、（c）所示，當(dāng)年運行時長為1000～3000 h時，運行成本均在單臺10000 CMH風(fēng)量機組的設(shè)計方案出現(xiàn)拐點，因為單臺機組風(fēng)量小于10000 CMH 時風(fēng)機效率并不能大幅降低而人工成本卻會線性增長導(dǎo)致總成本不降反升。如圖4（d）所示，當(dāng)年運行時長為500 h時，10000 CMH以上風(fēng)量的機組由于數(shù)量較多，運維成本隨機組數(shù)量增多而增高。而大風(fēng)量機組（10000～50000 CMH）的運行成本基本保持不變。因此設(shè)計時需要同時考慮運行成本和維修成本，選擇最優(yōu)的機組組合形式。

圖4 平均電費0.5元/kWh空調(diào)末端系統(tǒng)運行成本Fig.4 Operating costs of air-conditioning terminal systems when the average electricity cost is 0.5 yuan/kWh

3 結(jié)論

本文利用多參數(shù)聯(lián)動的運行經(jīng)濟性分析模型，分析得出以下結(jié)論。

（1）運維成本占比不高，人工成本的差別不影響成本變化趨勢。對于人工成本較高地區(qū)，大量使用小風(fēng)量分布式末端機組的設(shè)計方案運維成本占比隨運行時長增加而降低，約25%～80%。當(dāng)使用整體式或組合式空調(diào)機組，運行時間大于3000 h 時，運維成本占比小于5%，運維成本幾乎可以忽略不計。

（2）運行時長對運行成本的影響較大。當(dāng)空調(diào)機組年運行時長達到4000 h時，運行成本主要與機組效率有關(guān)，當(dāng)?shù)仉妰r、人工費用的影響不大。因此對于空調(diào)運行時間長、人工成本較低的地區(qū)，大量使用小風(fēng)量分布式末端機組既經(jīng)濟又節(jié)能，控制策略也更加靈活。大風(fēng)量組合式空調(diào)機組雖然維修方便但耗能較大，小風(fēng)量分布式末端機組的運維成本較高，分析發(fā)現(xiàn)單臺風(fēng)量6000～10000 CMH的整體式空調(diào)機組具有較廣的適應(yīng)性，對于大部分航站樓的空調(diào)末端系統(tǒng)都是最優(yōu)解。

（3）本文只針對電價0.8 元/kWh 和0.5 元/kWh兩個工況進行分析，結(jié)果表明電價的差別并不會影響總成本的變化趨勢，但因為電費成本占比不同導(dǎo)致最優(yōu)化狀態(tài)點不同。而且實際中全國各地電價政策更為復(fù)雜，因此在設(shè)計過程當(dāng)中，亦可根據(jù)實際情況將項目設(shè)計中給定的參數(shù)，如峰谷電價、相應(yīng)運行時間、人工費用、設(shè)計要求的機組風(fēng)壓及風(fēng)機效率等，代入本文所提供的運行經(jīng)濟性分析公式，計算得到更準(zhǔn)確的最優(yōu)化方案。