陳金華，袁娟娟，李百戰(zhàn)

（1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045）

基于壽命周期成本評價方法的開式地表水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化分析＊

陳金華1?，袁娟娟2，李百戰(zhàn)1

（1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045）

針對開式地表水源熱泵系統(tǒng)，建立了應(yīng)用于工程評價的簡化的壽命周期成本（LCC）計算模型.采用Dest-c對某工程實(shí)例進(jìn)行全年能耗模擬，根據(jù)結(jié)果分析負(fù)荷需求特性，結(jié)合機(jī)組及水泵的性能曲線，進(jìn)行系統(tǒng)LCC值分析.將開式地表水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源系統(tǒng)組成LCC的各項成本進(jìn)行比較，得出開式地表水源熱泵系統(tǒng)LCC的影響因素主要為設(shè)計取水溫度、排放水溫度和取水高差.通過對以上問題的分析，探討了優(yōu)化系統(tǒng)的措施.在取水溫度為24℃時，取水泵定溫差變頻運(yùn)行，通過擬合曲線得到最佳取水溫差為7.7℃，對應(yīng)的最小LCC為441.80.另外，考慮機(jī)組變工況運(yùn)行情況，得到了更小的LCC值為433.50，說明變工況運(yùn)行能進(jìn)一步產(chǎn)生節(jié)能效益.

開式地表水源熱泵；壽命周期成本；能耗；系統(tǒng)優(yōu)化

地表水源熱泵系統(tǒng)以江、河、湖、海等地球表面的水體作為熱源和熱匯.地表水源熱泵系統(tǒng)可以分為開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)［1］.在國外，閉式地表水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用項目較多［2－3］，而國內(nèi)則開式地表水源熱泵系統(tǒng)的工程實(shí)例明顯多于閉式系統(tǒng)［4－5］.究其原因，主要是國內(nèi)建筑體量大、冷熱負(fù)荷需求大，若采用閉式系統(tǒng)，換熱管多，會與航道相互影響.因此本文討論在我國應(yīng)用較多的開式地表水源熱泵系統(tǒng).

一般情況下，地表水源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)冷熱源系統(tǒng)初投資要高，但以往單一追求低初投資的觀念已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛瞄L遠(yuǎn)眼光統(tǒng)籌考慮各類成本的理念［6］，從全局著手，注重提高綜合能效.

研究表明：全生命周期理論適合評價較大初投資情形下的未來投資回收問題［7］.全壽命周期不僅包括經(jīng)濟(jì)意義的成本，還包括環(huán)境成本、社會成本.從理論上講，全壽命周期是指產(chǎn)品從研究開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)、使用直到報廢所經(jīng)歷的全部時間［8－9］.由于本文討論的是開式地表水源熱泵系統(tǒng)這一特定對象的評價方法，故可簡化為只考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命，即指設(shè)備從開始使用到再繼續(xù)使用在經(jīng)濟(jì)上已不合理為止的全部時間，本文稱之為“壽命周期”.

本文將建立應(yīng)用于開式地表水源熱泵系統(tǒng)工程評價的簡化的壽命周期成本計算模型，通過比較不同冷熱源系統(tǒng)的LCC，分析能耗的組成及特征.研究一定取水溫度下的最佳取水溫差以及系統(tǒng)變工況運(yùn)行策略，以此來改進(jìn)方案，力求最優(yōu).

1 開式地表水源熱泵系統(tǒng)LCC計算模型

開式地表水源熱泵系統(tǒng)壽命周期成本主要由以下部分構(gòu)成：設(shè)備購置安裝費(fèi)，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)，人員維護(hù)管理費(fèi)，設(shè)備運(yùn)行維修費(fèi)，廢棄處理成本［10－11］.

將以上成本分為3類，一是系統(tǒng)運(yùn)行前所發(fā)生的成本，即初投資（IC）；二是系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)發(fā)生的費(fèi)用，即運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)（OC）；三是機(jī)組凈殘值（RC），即預(yù)計的折舊年限終了時，固定資產(chǎn)殘值減去清理廢棄費(fèi)用后的余額.

由于LCC考慮了將來所發(fā)生的成本費(fèi)用，故在計算OC時，應(yīng)考慮時間價值，把所有的收入和支出

式中：NPV為將來現(xiàn)金流量的凈現(xiàn)值；Cn為第n年名義現(xiàn)金流量；n為壽命周期成本計算期的特定年；X為折扣率（折現(xiàn)率）；t為所考慮的時間周期長度，單位：年.

對于RC，可以采用直線折舊法.固定資產(chǎn)凈殘值與固定資產(chǎn)原值之比稱為凈殘值率，一般為3%～5%［13］，本文統(tǒng)一取3%來進(jìn)行計算.

綜上所述，開式地表水源熱泵系統(tǒng)壽命周期成本計算公式為：折扣到特定時間點(diǎn).在折扣計算中，最常用的方法是凈現(xiàn)值計算方法（NPV）［12］.

2 開式地表水源熱泵系統(tǒng)LCC計算方法

開式地表水源熱泵系統(tǒng)壽命周期成本具體的計算方法參見圖1.

第一類成本IC：設(shè)備購置費(fèi)、管材費(fèi)、取水構(gòu)筑物材料費(fèi)等參考當(dāng)?shù)毓┴浬虉髢r，設(shè)備安裝、取水構(gòu)筑物施工費(fèi)等參考當(dāng)?shù)氐膭趧恿π劫Y標(biāo)準(zhǔn)，配電容量和費(fèi)用可咨詢建筑供配電設(shè)計人員.

第二類成本OC：值班人員工資及維護(hù)管理費(fèi)用參考當(dāng)?shù)氐膭趧恿π劫Y標(biāo)準(zhǔn).

計算運(yùn)行費(fèi)用時，耗能設(shè)備分為兩類：一是能耗隨系統(tǒng)負(fù)荷率的改變而變化的設(shè)備，二是能耗只與運(yùn)行時間有關(guān)的設(shè)備.針對特定建筑，采用能耗模擬軟件進(jìn)行全年能耗模擬，得出全年8 760h的實(shí)時負(fù)荷，結(jié)合機(jī)組性能曲線和變頻泵能耗公式，可得到不同負(fù)荷率下機(jī)組和變頻泵的能耗.我們進(jìn)行如下簡化：根據(jù)Dest-c模擬結(jié)果將負(fù)荷率分為4段：0～25%，25%～50%，50%～75%和75%～100%，用h11，h12，h13，h14和h21，h22，h23和h24分別表示全年制冷和制熱工況下，從低到高4個負(fù)荷率范圍內(nèi)的負(fù)荷頻數(shù).用 N11，N12，N13，N14以及 N21，N22，N23和N24分別表示全年制冷和制熱工況下，從低到高4個負(fù)荷率范圍內(nèi)機(jī)組的平均功率.查找所選機(jī)組在負(fù)荷率25%，50%，75%和100%情況下的COP，設(shè)Q0為滿負(fù)荷時的制冷量，則平均功率計算公式為［14］：

圖1 LCC計算模型流程圖Fig.1 Flow chart of LCC calculation model

式（4）中，在負(fù)荷率低于25%時，不考慮機(jī)組的能量調(diào)節(jié)，由于不同的機(jī)組有不同的最小進(jìn)水量要求，故在實(shí)際計算中，負(fù)荷率范圍的取值依實(shí)際情況而定.冬季機(jī)組平均功率的計算，同理

變頻泵的能耗計算公式為：

式中：Qt（0≤t≤8 760）為全年負(fù)荷值，kW；c為水的比熱，kJ／（kg·℃）；t為機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差，℃；Xt為全年不同時間對應(yīng)的負(fù)荷率；Xmin為機(jī)組最小水流量對應(yīng)的負(fù)荷率；COP／EER為制冷／熱能效比.

同理，每段負(fù)荷率下的變頻泵能耗取平均值，用P11，P12，P13，P14和P21，P22，P23，P24分別表示全年制冷和制熱工況下，負(fù)荷率在0～25%，25%～50%，50%～75%和75%～100%4個范圍內(nèi)變頻泵的能耗.需注意的是，當(dāng)變頻泵的流量降低到機(jī)組最小水流量要求時，水泵定頻運(yùn)行.

能耗與負(fù)荷率無關(guān)的設(shè)備，結(jié)合Dest-c的模擬結(jié)果，得出不同負(fù)荷下，該設(shè)備的運(yùn)行臺數(shù)和時間，即可計算得其運(yùn)行費(fèi)用，具體公式見圖1.

圖2 全年負(fù)荷分布Fig.2 The annual load distribution

3 案例分析

3.1 工程概況

以重慶市某江水源熱泵系統(tǒng)工程為例.該工程為一辦公樓，總建筑面積14 287.5m2.地下一層為設(shè)備房，地上9層主要為辦公室及會議室，總高度31.7m.

該工程空調(diào)面積11 671m2，夏季逐時最大冷負(fù)荷1 470.6kW，冬季逐時最大熱負(fù)荷627.1kW.全年負(fù)荷分布見圖2，不同部分負(fù)荷范圍內(nèi)的時間頻數(shù)見表1.該江水源熱泵系統(tǒng)夏季設(shè)計取水溫度24℃，排放水溫度33℃，取水溫差9℃，冬季設(shè)計取水溫度11℃，排放水溫度6℃，取水溫差5℃.原理見圖3.

圖3 江水源熱泵系統(tǒng)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of river water source heat pump system

表1 不同部分負(fù)荷率范圍內(nèi)的時間頻數(shù)Tab.1 Time frequency of different part load rate ranges

3.2 方案初選

本文采用LCC這一概念，目標(biāo)并不是全面、完整地計算整個費(fèi)用，而是通過比較各方案的LCC，為選擇最佳方案提供決策依據(jù).

方案1為螺桿式冷水機(jī)組＋燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，方案2為江水源熱泵系統(tǒng).在計算兩者的LCC時，只考慮不同的部分，而不考慮相同的部分.比如認(rèn)為機(jī)房土建費(fèi)用、末端設(shè)備費(fèi)、夏季冷凍水循環(huán)泵能耗都是相同的，設(shè)備安裝費(fèi)也近似相等.兩種方案的設(shè)備選型見表2和表3.冬季供熱時，水源熱泵機(jī)組單臺運(yùn)行.熱泵機(jī)組及冷水機(jī)組部分負(fù)荷下的能效比曲線見圖4，縱坐標(biāo)為對應(yīng)橫坐標(biāo)某負(fù)荷率下的能效比與額定工況能效比的比值.方案1燃?xì)鉄崴仩t由于缺乏隨負(fù)荷變化的效率曲線，本文假定運(yùn)行中效率保持額定值，不隨負(fù)荷率降低而降低，則耗氣量隨負(fù)荷率線性變化，這部分偏差可作為工程上的安全系數(shù).

表2 方案1設(shè)備參數(shù)表Tab.2 Device parameter list of scheme 1

表3 方案2設(shè)備參數(shù)表Tab.3 Device parameter list of scheme 2

圖4 熱泵機(jī)組與冷水機(jī)組部分負(fù)荷下的能效比曲線圖Fig.4 Energy efficiency ratio curve under part load of heat pump unit and chiller

3.3 兩方案LCC值的計算

下面參照流程圖來計算LCC，不考慮相同部分.

①IC值：方案1包括設(shè)備費(fèi)、配電費(fèi)、天然氣入戶費(fèi).方案2包括設(shè)備費(fèi)、配電費(fèi)、取水構(gòu)筑物及取水管道的材料和施工費(fèi)用.

②OC值：包括設(shè)備運(yùn)行費(fèi)和維護(hù)管理費(fèi).

兩方案人員工資接近，且所占比例較小，不計入內(nèi).設(shè)備維修費(fèi)取初投資中設(shè)備購置費(fèi)的2%［8］.設(shè)備的使用壽命均可按照20年來計算［8］.根據(jù)當(dāng)前的貸款利率，折現(xiàn)率取7%.

③RC值的計算：取固定資產(chǎn)原值的3%.

將上述IC，OC，RC，X，t的值代入式（3）計算得兩方案的壽命周期成本，結(jié)果見表4.

表4 方案1、方案2的IC，OC，RC，LCC值Tab.4 IC，OC，RC，LCC of scheme 1and 2 萬元

由表4可以看出，方案1的LCC值明顯大于方案2，在系統(tǒng)整個生命周期內(nèi)，方案2的綜合費(fèi)用更低，較方案1來說更為節(jié)能.

3.4 影響因素分析

從表4中構(gòu)成LCC的3個因素來看，RC基本相同，主要是IC和OC的差別，可知增加一定初投資時，若系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約量大，系統(tǒng)整個周期的運(yùn)行成本反而更低.IC值跟當(dāng)前設(shè)備及材料價格、勞動力薪資等因素有關(guān)，不是人為可以控制的，而OC值可以通過合理的方案設(shè)計來使其更小.

方案1冬季和夏季設(shè)備運(yùn)行費(fèi)分別為10.71萬元／年和 21.56 萬／年，其 中 冷 水 機(jī) 組 17.27萬元／年，冷卻塔與冷卻水泵4.29萬／年.方案2冬季和夏季設(shè)備運(yùn)行費(fèi)分別為6.01萬／年和17.45萬／年，相比方案1節(jié)能量分別為43.9%和19.1%；其中機(jī)組運(yùn)行費(fèi)19.13萬／年，變頻取水泵3.37萬／年.可見，機(jī)組能耗占了較大比重.因而如何控制取水泵和機(jī)組的總體能耗，是進(jìn)一步降低方案2的LCC值的關(guān)鍵.

影響取水泵額定能耗的主要因素是設(shè)計取水量和取水高差.對某一項目來說，水源條件和建筑條件一定時，取水高差也就恒定不變，可通過選擇取水泵揚(yáng)程來體現(xiàn)取水高差.本文主要分析取水高差一定時，不同取水量對系統(tǒng)能耗的影響.取水量由設(shè)計取排放水溫差決定，對于取水泵，采用大溫差小流量，其額定能耗更小.但設(shè)計取排放水溫度對機(jī)組能效比也會產(chǎn)生直接影響，取水溫度一定時，增大排放水溫度，會使機(jī)組能效比降低.并且小流量運(yùn)行時，為達(dá)到機(jī)組最小水流量要求，變頻泵變頻范圍受限.再者，大流量系統(tǒng)與小流量系統(tǒng)相比會增加一定的取水設(shè)施投資.

因此，要將取水泵能耗、機(jī)組能耗、初投資增量綜合起來考慮，來分析最佳取水溫差.為保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，冬季排放水溫不宜過低，取水溫差不宜過大，故對于取水溫差的分析，僅針對夏季.

4 方案優(yōu)化

4.1 改變夏季設(shè)計取排放水溫度

改變夏季設(shè)計取排放水溫度即改變了受其影響的取水泵額定能耗、機(jī)組額定工況能效比、取水部分初投資增量.假定方案3：取排放水溫度為24℃／31℃，方案4：取排放水溫度為24℃／29℃.

根據(jù)樣本修正，方案3和方案4的機(jī)組額定工況下能效比分別是方案2的1.06和1.11倍，取水泵額定能耗分別為30kW和37kW.

同樣按照流程圖3中所示的方法計算方案3和方案4的LCC值，與方案2進(jìn)行比較，見表5.

表5 方案2，方案3，方案4的LCC值Tab.5 LCC of scheme 2 ，3and 4 萬元

從表5可以看出，方案3的LCC值最小，其次是方案2，LCC值最大的是方案4.

在本工程保證機(jī)組最小水流量40%的前提下，方案1，2，3的變頻泵變頻范圍依次為72%～100%，56%～100%，40%～100%，方案2變頻泵變頻范圍較小，一定程度上影響了其變頻泵的節(jié)能潛力，其機(jī)組能效在3種方案中最低.方案4機(jī)組能效最高，但由于取水量較大，取水泵能耗較高，并且取水量增大導(dǎo)致取水部分投資增大，所以其LCC值最大.而方案3的機(jī)組能耗和取水泵能耗雖然均不是最小的，但是LCC值卻最小，為最佳方案.

由此可見，取水量過大或過小均不佳.取水量太小，與機(jī)組額定流量相差較大，會引起取水泵變頻范圍減小，而且排放水溫度過高會使機(jī)組能效比降低.若取水量太大，則會增加取水設(shè)施投資，導(dǎo)致取水泵能耗過高，而機(jī)組因能效比提高而得到的節(jié)能效益無法抵消甚至低于取水泵的能耗增量.因而，要保證取水泵能耗、機(jī)組能耗和初投資均在合理范圍內(nèi)，才能得到最低LCC值.

下面根據(jù)多組工況計算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合.進(jìn)水溫度為24℃.橫坐標(biāo)為取排放水溫差，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的LCC值.由圖5可知，本工程在定溫差運(yùn)行工況下，最佳取排放水溫差為7.7℃，最小LCC值為441.80.

圖5 系統(tǒng)LCC值隨取排放水溫差的變化曲線圖Fig.5 LCC curve with the change of temperature difference between water intake and drainage

4.2 考慮機(jī)組變工況運(yùn)行，提高系統(tǒng)綜合能效

根據(jù)Dest-c的模擬結(jié)果可知，滿負(fù)荷運(yùn)行時間占空調(diào)總運(yùn)行時間的比例是很小的，可以考慮機(jī)組的變工況運(yùn)行，兼顧取水泵的能耗及機(jī)組能效比，提高系統(tǒng)的整體綜合能效.考慮設(shè)計方案5：按照9℃溫差來選擇取水泵，80%～100%負(fù)荷率區(qū)間下定頻運(yùn)行，負(fù)荷率為80%時，計算得源水側(cè)進(jìn)出水溫差約為7.2℃，接近前面分析得到的最佳取水溫差，此時開始定溫差變頻運(yùn)行能獲得較小的LCC值，取得較好的節(jié)能效益.直至通過機(jī)組的流量小于所需最小流量時，水泵再次轉(zhuǎn)為定頻運(yùn)行.

此方案在選擇水泵時，按照大溫差的原則來選擇水泵，盡量減少設(shè)計取水量，降低取水泵額定能耗.同時，通過變工況運(yùn)行，使除了接近滿負(fù)荷下的大部分時間，機(jī)組都在最佳設(shè)計取水溫差工況下高效運(yùn)行.計算得該方案LCC值為433.50.

相比方案3，方案5的LCC值更低.方案5不僅降低了運(yùn)行年限產(chǎn)生的費(fèi)用，同時也減少了一部分前期投資.說明系統(tǒng)變工況運(yùn)行能進(jìn)一步產(chǎn)生節(jié)能效益，值得深入研究.

5 結(jié) 論

建立了基于壽命周期成本的簡化的工程評價方法，可對開式地表水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的評價和優(yōu)化.通過對實(shí)際案例的分析，得到如下結(jié)論：

1）建立的LCC計算模型采用流程圖的形式呈現(xiàn)，清晰明了，易于理解.并且通過合理的簡化后，運(yùn)算簡便，準(zhǔn)確度高，便于應(yīng)用實(shí)際工程的評價和優(yōu)化中.

2）開式地表水源熱泵系統(tǒng)的LCC組成部分中，最主要的是運(yùn)行年限內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)，其中，又以機(jī)組所占費(fèi)用比重最大，因而，選取能效品質(zhì)高的水源熱泵機(jī)組本身就至關(guān)重要.

3）在開式地表水源熱泵系統(tǒng)中，影響LCC值的因素主要有兩點(diǎn)：取水高差、設(shè)計取排放水溫度.取水高差和取水溫差直接影響到取水泵的能耗.而取排放水溫度同時又會影響機(jī)組能效.取水量又與初投資有直接的關(guān)系.另外，要考慮在滿足機(jī)組的最小水流量要求下，變頻泵的變頻范圍受影響的程度.因此，在方案設(shè)計時，要綜合考慮取水泵能耗和機(jī)組能耗的相關(guān)關(guān)系，考慮運(yùn)行費(fèi)用的同時，不能忽略初投資.通過計算分析得到，對本工程而言，在源水進(jìn)水溫度為24℃且定溫差變頻運(yùn)行時，最佳取水溫差7.7℃，對應(yīng)的LCC值為441.80.

4）按照9℃溫差進(jìn)行取水泵的選型，保證盡量減小取水能耗和取水設(shè)施投資，同時考慮機(jī)組變工況運(yùn)行，使除接近滿負(fù)荷時間的大部分時間內(nèi)，系統(tǒng)能在最佳設(shè)計取水溫差工況下，保持高效運(yùn)行，計算得該方案的LCC值為433.50，說明變工況運(yùn)行更為有利，具有節(jié)能潛力.只有從提高系統(tǒng)綜合能效著手，全面考慮，才能得到更優(yōu)方案.

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Optimization Analysis of Open-loop Surface Water Source Heat Pump System Based on the Life Cycle Cost Evaluation Method

CHEN Jin-hua1?，YUAN Juan-juan2，LI Bai-zhan1
（1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment of Ministry of Education，School of Urban Construction ＆Environmental Engineering of Chongqing Univ，Chongqing 400045，China；2.School of Urban Construction ＆Environmental Engineering of Chongqing Univ，Chongqing 400045，China）

A simplified life cycle cost（LCC）calculation model，which can be applied in project evaluation of open-loop surface water source heat pump system，was set up.Dest-c was used to do the annual energy consumption simulation for an engineering example，and the load demand was analyzed according to the model simulation results and combined with the performance curve of water source heat pump unit and variable frequency pump to calculate the LCC.The results show that water intake temperature，water drainage temperature and height difference between water intake and water drainage are the main factors which influence the LCC of open-loop surface water source heat pump system.By analyzing the above problems and through a further discussion on the measures of system optimization，a conclusion is drawn that，when the water intake temperature is 24℃，the best temperature difference between water intake and drainage is 7.7℃under the operation condition of the constant temperature difference，while the minimum LCC is 441.80.In addition，taking into account the unit variant operation to improve the comprehensive energy efficiency of the system，a smaller LCC of 433.50is obtained，demonstrating that the unit variant operation can further promote energy saving benefit.

open-loop surface water source heat pump system；life cycle cost（LCC）；energy consumption；system optimization

TU831

A

1674-2974（2013）05-0024-07

2012-07-09

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項目（50838009）；中美新能源潔凈能源國際合作項目（2010DFA72740-05）

陳金華（1973－），男，四川宜賓人，重慶大學(xué)副教授

?通訊聯(lián)系人，E-mail：c66578899＠126.com