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(jì)性分析

向勇濤上海市能效中心

運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性分析方法對(duì)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(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較分析，論證水冷螺桿機(jī)組加燃?xì)忮仩t是經(jīng)濟(jì)性最好的配置方案。

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

1　大型超市能耗情況

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，大型超市的增長(zhǎng)速度非?？?，在上海地區(qū)，大型超市已經(jīng)達(dá)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(lái)越大。為了營(yíng)造一個(gè)健康舒適的購(gòu)物環(huán)境，大型超市中設(shè)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(duì)舒適度的要求越來(lái)越高，空調(diào)系統(tǒng)的普及會(huì)越來(lái)越廣，而空調(diào)系統(tǒng)又是整個(gè)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(guó)和法國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型超市每年總耗電量占國(guó)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(yīng)在低負(fù)荷下高效節(jié)能運(yùn)行及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化選配就成為空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵。

2　經(jīng)濟(jì)性分析

2.1經(jīng)濟(jì)性分析方法

我國(guó)實(shí)際工作中進(jìn)行能源經(jīng)濟(jì)分析比較時(shí)，多采用如下兩種計(jì)算方法:附加投資償還年限法和費(fèi)用年值法。

附加投資償還年限法是分別計(jì)算兩種方案的投資費(fèi)用和年成本費(fèi)，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(fèi)用的差值與兩者年成本費(fèi)用差值的比值求出回收年限，只有當(dāng)回收年限小于國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)償還年限時(shí)，才認(rèn)為甲方案是合理的。

費(fèi)用年值法就是對(duì)參與比較的各個(gè)方案的投資和經(jīng)營(yíng)費(fèi)這兩項(xiàng)性質(zhì)不同的費(fèi)用，利用投資效果系數(shù)這個(gè)折算比率，將投資折算成與經(jīng)營(yíng)費(fèi)用類似的費(fèi)用，然后與經(jīng)營(yíng)費(fèi)相加，算出一個(gè)稱為“年計(jì)算費(fèi)用”的數(shù)值，從而取年計(jì)算費(fèi)用最小的技術(shù)方案，作為最佳方案。

費(fèi)用年值法比附加投資償還年限法有許多優(yōu)點(diǎn):概念明確、計(jì)算方法通用簡(jiǎn)便等，因此，該方法在實(shí)際工作中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管該方法也存在合理性程度的問(wèn)題，但基于以上考慮，本文采用費(fèi)用年值法進(jìn)行比較。

在一個(gè)工程項(xiàng)目中，如其建設(shè)期為P年，生產(chǎn)期為m年。工程項(xiàng)目中各年的投資Ki折算到開始正常投產(chǎn)時(shí)的終值為K，正常生產(chǎn)年份的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用為C。根據(jù)動(dòng)態(tài)分析法，將資金現(xiàn)值等額分?jǐn)偟缴a(chǎn)期m年中的方法，由此可得出年計(jì)算費(fèi)用法的計(jì)算公式為：

式中 Zd—按動(dòng)態(tài)法計(jì)算的年計(jì)算費(fèi)用，元/年；

K—開始正常投產(chǎn)時(shí)的總投資額，元；

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

i—利率或采用部門的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部收益率，%；

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

設(shè)備使用壽命不同給滿足相同要求而只能計(jì)及費(fèi)用的多方案評(píng)價(jià)問(wèn)題帶來(lái)了很大的麻煩，而采用了費(fèi)用年值的計(jì)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(wú)論使用壽命相同或不同，都可以在共同的時(shí)段一“年度”內(nèi)進(jìn)行比較，給方案評(píng)價(jià)帶來(lái)了很大方便。

各方案比較時(shí)，以 越小為越優(yōu)。費(fèi)用年值法是一個(gè)考慮了資金時(shí)間價(jià)值的、動(dòng)態(tài)的、比較的、科學(xué)有效的評(píng)價(jià)與選擇方法，具有以下特點(diǎn)：

1）年費(fèi)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(fèi)用。

2）年費(fèi)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(duì)經(jīng)濟(jì)性。

3）年費(fèi)用的大小與計(jì)算基準(zhǔn)年無(wú)關(guān)。

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

5）當(dāng)參加比較的各方案的年運(yùn)行費(fèi)用為常數(shù)時(shí)，應(yīng)用年費(fèi)用法篩選幾種方案更為簡(jiǎn)便。

由于本文所要比較的各種方案其初投資所包括的項(xiàng)目很多:冷熱源設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)、材料費(fèi)和機(jī)房土建費(fèi)等，因此，我們必須分開計(jì)算。則本文中年計(jì)算費(fèi)用法的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

式中 N—設(shè)備種類數(shù)，其它符號(hào)如前所述。

（1）初投資

初投資計(jì)算如下。

式中 K1—設(shè)備價(jià)格，元；

K2—設(shè)備安裝費(fèi)，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(yíng)費(fèi)用

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

1）固定費(fèi)用

固定費(fèi)用的組合和計(jì)算見表1。

表1　固定費(fèi)概算

2）年運(yùn)行費(fèi)用

年運(yùn)行費(fèi)用是一項(xiàng)硬經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是使用者經(jīng)常性開支，使產(chǎn)品選型時(shí)不容易忽視的經(jīng)濟(jì)預(yù)算內(nèi)容，它的值等于年能源消耗量乘以該能源的單價(jià)，由于各地區(qū)電價(jià)、燃料價(jià)（指燃油、天然氣、城市煤氣等）差別較大，針對(duì)某工程項(xiàng)目方案比較時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況考慮。

（3）使用年限

對(duì)于維護(hù)較好的冷水機(jī)組，其使用壽命均可達(dá)到20 a或以上，直燃吸收式機(jī)組壽命要短些，一般為15 a。對(duì)于附屬設(shè)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(jī)組，也為20 a。對(duì)于熱源鍋爐，使用壽命15 a。電力增容費(fèi)已取消，故不考慮在內(nèi)。

2.2初投資年折舊費(fèi)和年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用的分析

影響冷熱源方案經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)主要因素是初投資和年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用，要分析冷熱源方案的經(jīng)濟(jì)性，首先要做的就是建立初投資年折舊費(fèi)與年經(jīng)營(yíng)費(fèi)的數(shù)學(xué)模型。比較時(shí)，作以下兩點(diǎn)假設(shè)：

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

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

2.2.1初投資年折舊費(fèi)計(jì)算

（1）對(duì)于水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)，初投資包括機(jī)組購(gòu)置費(fèi)Ka1、冷卻水泵和冷卻塔購(gòu)置費(fèi)Ka2、Ka3，冷卻水管道系統(tǒng)初投資及其安裝費(fèi)Ka4，機(jī)房土建費(fèi)用Ka5，相對(duì)應(yīng)的壽命取m1至m5。則初投資年折舊費(fèi)為：

（2）對(duì)于電動(dòng)風(fēng)冷系統(tǒng)，主機(jī)設(shè)備投資為Kb1，設(shè)備壽命取n1年，則風(fēng)冷系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的初投資年折舊費(fèi)為：

（3）對(duì)于直燃吸收式溴化鋰機(jī)組冷熱源（燃?xì)饣蛉加停?，其初投資基本上與水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)一樣，它們的年折舊費(fèi)Kc和Kd這里不予給出。

（4）熱源系統(tǒng)的電鍋爐、燃?xì)夂腿加湾仩t的年折舊費(fèi)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?xì)?燃油鍋爐

在實(shí)際比較中，本文沒有考慮冷熱源機(jī)組設(shè)備和附屬設(shè)備的安裝費(fèi)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)綜合考慮后，它們?cè)诟鱾€(gè)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(yíng)費(fèi)用計(jì)算

冷熱源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行能耗的計(jì)算采用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法。

（1）水冷式冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用Ca由以下幾個(gè)部分組成：

水冷式冷水機(jī)組的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用Ca1=年運(yùn)行費(fèi)用Oa1+固定費(fèi)用Ga1；

冷卻水泵的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用Ca2=年運(yùn)行費(fèi)用Oa2+固定費(fèi)用Ga2；

冷卻塔的年運(yùn)行費(fèi)用Ca3=年運(yùn)行費(fèi)用Oa3+固定費(fèi)用Ga3；

冷卻水的年補(bǔ)水費(fèi)用Ca4=年運(yùn)行費(fèi)用Oa4+固定費(fèi)用Ga4；

（2）風(fēng)冷冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)由于是用風(fēng)機(jī)冷卻，而風(fēng)機(jī)的能耗已經(jīng)計(jì)算在機(jī)組的能耗中了，因此它的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用就是機(jī)組的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用，設(shè)為Cb。

（3）直燃吸收式溴化鋰機(jī)組冷熱源系統(tǒng)的計(jì)算公式與水冷冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)相同，只是運(yùn)行消耗的是燃?xì)饣蛘呷加停皇请娏?，分別設(shè)為Cc和Cd。

（4）鍋爐的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用就是它的年能耗費(fèi)用加固定費(fèi)用，電鍋爐是年電費(fèi)加固定費(fèi)用，燃?xì)忮仩t和燃油鍋爐雖然也有電力消耗，但是相對(duì)于燃?xì)饣蛉加偷哪芎馁M(fèi)用，電費(fèi)比例是非常小的，在這里忽略不計(jì)，年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用分別為Ce、Cf和Cg。

最后的年計(jì)算費(fèi)用就是以上兩項(xiàng)的疊加。

3　幾個(gè)冷熱源配置方案的年計(jì)算費(fèi)用

幾個(gè)方案中的冷源均按照研究對(duì)象的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷5 635.8 kW配置，由于超市不配備熱源，沒有設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。值取超市標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部收益率為8%，利率為7.83%，稅率為5%，保險(xiǎn)金率為3.87%。通過(guò)向業(yè)內(nèi)人士的咨詢，各冷源機(jī)組的價(jià)格分別按離心機(jī)組0.4元/大卡、水冷螺桿機(jī)組0.45元/大卡、風(fēng)冷螺桿機(jī)組1.2元/大卡、直燃吸收式溴化鋰機(jī)組0.4元/大卡的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算。

3.1冷熱源配置方案

根據(jù)研究對(duì)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(jī)組2臺(tái)+電鍋爐1臺(tái)

方案2：離心式冷水機(jī)組2臺(tái)+燃?xì)忮仩t1臺(tái)

方案3：水冷式螺桿機(jī)組3臺(tái)+燃?xì)忮仩t1臺(tái)

方案4：風(fēng)冷式螺桿機(jī)組4臺(tái)+燃?xì)忮仩t1臺(tái)

方案5：直燃吸收式溴化鋰機(jī)組2臺(tái)

以上5種方案主要設(shè)備的技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2　各方案主要設(shè)備的部分參數(shù)

3.2設(shè)備初投資的比較

根據(jù)表2，在不考慮土建費(fèi)的前提下，5種冷熱源配置方案的設(shè)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?yàn)轱L(fēng)冷螺桿機(jī)組的單位冷負(fù)荷初投資比較大；方案5中的主機(jī)設(shè)備直燃吸收式溴化鋰機(jī)組雖然比方案1和方案2的冷水機(jī)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(shè)備，另外，直燃吸收式溴化鋰機(jī)組使用天然氣作為燃料，它的電力消耗很小。這樣，經(jīng)過(guò)各設(shè)備的綜合計(jì)算，除方案4（風(fēng)冷螺桿機(jī)組+燃?xì)忮仩t）以外的4種方案初投資相差不大。

表3　5種方案的設(shè)備投資情況萬(wàn)元

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

表4　5種方案設(shè)備的年折舊費(fèi)明細(xì)表萬(wàn)元

年折舊費(fèi)用以方案四最大，這是主要因?yàn)榉桨?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(fèi)高出方案1、2的年折舊費(fèi)，是由于直燃吸收式溴化鋰機(jī)組的使用壽命一般只有15 a，比電動(dòng)冷水機(jī)組短5 a，使得機(jī)組的年折舊費(fèi)用較高。

3.3年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用比較

冷熱源選擇的經(jīng)濟(jì)性如何，不僅要看其初投資多少，還要從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看。冷熱源年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算要結(jié)合全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，即統(tǒng)計(jì)不同負(fù)荷率下的運(yùn)行時(shí)間，機(jī)組在不同的負(fù)荷率下其耗功率不同，如果簡(jiǎn)單地用一個(gè)負(fù)荷率對(duì)各個(gè)冷熱源配置方案進(jìn)行估算，那么計(jì)算值與現(xiàn)實(shí)能耗相差很遠(yuǎn)。為了使年運(yùn)行費(fèi)的計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際，在這里使用前面用eQUEST軟件動(dòng)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(yùn)行費(fèi)用萬(wàn)元

年運(yùn)行費(fèi)用最高的是方案五直燃吸收式溴化鋰機(jī)組，它的主要能源是天然氣，目前天然氣的價(jià)格相對(duì)電力來(lái)說(shuō)還是比較貴的，直接導(dǎo)致運(yùn)行成本上升。但如果天然氣下降一定比例，則其年運(yùn)行費(fèi)用將大大降低，甚至比電制冷小。

計(jì)算出5種冷熱源配置方案的固定費(fèi)用，見表6 。

表6　5種冷熱源配置方案的固定費(fèi)用萬(wàn)元

3.4年計(jì)算費(fèi)用的比較

年計(jì)算費(fèi)用比較是本次費(fèi)用年值法比較的最終目標(biāo)。年計(jì)算費(fèi)用的兩個(gè)主體分別是系統(tǒng)設(shè)備的年折舊費(fèi)用和系統(tǒng)的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。

把表4、5和6結(jié)合起來(lái)，就可以得到年計(jì)算費(fèi)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(jì)算費(fèi)用萬(wàn)元

從上表中可以看出，方案3年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用最低，其次是方案4、方案2，方案5最高，其年運(yùn)行費(fèi)用也最高，且其使用壽命比一般機(jī)組要短，這些阻礙了直燃吸收式機(jī)組的廣泛應(yīng)用。對(duì)上海來(lái)說(shuō)，天然氣的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電價(jià)，這使得它處于劣勢(shì)。我們從年計(jì)算費(fèi)用的最終計(jì)算結(jié)果，可得5種冷熱源的可行性排列順序?yàn)椋悍桨?（水冷螺桿+燃?xì)忮仩t）＞方案2（離心式機(jī)組+燃?xì)忮仩t）＞方案4（風(fēng)冷螺桿+燃?xì)忮仩t）＞方案1（離心機(jī)組+電鍋爐）＞方案5（直燃吸收式溴化鋰機(jī)組），說(shuō)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(jià)格體制下，風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)冷源的年費(fèi)用最小，直燃吸收式溴化鋰機(jī)組的年費(fèi)用最大。從熱源來(lái)看，燃?xì)忮仩t的年費(fèi)用大大低于電鍋爐的年費(fèi)用。年費(fèi)用最低的冷熱源配置組合是風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t，其次是水冷螺桿式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t、離心式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t、離心式冷水機(jī)組+電鍋爐，直燃吸收式溴化鋰機(jī)組的年費(fèi)用最高。結(jié)果大型超市的負(fù)荷特點(diǎn)和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際，不考慮冬季供暖，僅從夏季運(yùn)行費(fèi)用來(lái)看，也是直燃吸收式溴化鋰機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用最大，風(fēng)冷螺桿機(jī)組最小。

（2）從初投資看，方案4（風(fēng)冷螺桿+燃?xì)忮仩t）＞方案3（水冷螺桿+燃?xì)忮仩t）＞方案1（離心機(jī)組+電鍋爐）＞方案2（離心機(jī)組+燃?xì)忮仩t）＞方案5（直燃吸收式溴化鋰機(jī)組）。

（3）根據(jù)各冷熱源配置方案的初投資和年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用得到各方案的年計(jì)算費(fèi)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(jī)組+燃?xì)忮仩t是可行性最強(qiáng)的冷熱源配置方案。

[1] 張華俊，商用陳列柜選用機(jī)組探討[J]制冷與空調(diào)，2001，1（4）

[2] Mattchieu Orphelin, Dominique Marchio, ph. D. Are There Optimum Temperature and Humidity Set Points for Supermarkets? ASHRAE Transaction: symposia, 1999.

[3] 葉盛. 空調(diào)冷熱源的選擇與評(píng)估[D]. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

[4] 周勇剛. 空調(diào)冷熱源的優(yōu)化選擇與其系統(tǒng)開發(fā)[D]. 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006

[5] 鞠曉麗. 大型超市空調(diào)冷熱源方案的綜合評(píng)價(jià)研究[D]. 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003

[6] 黃緒鏡. 百貨商場(chǎng)空調(diào)設(shè)計(jì)[M]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998

[7] 丁文婷. 空調(diào)用能源選擇[D]. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2000

[8] 龍惟定. 上海地區(qū)幾種空調(diào)冷熱源的比較研究[J]. 暖通空調(diào)，1996

[9] Morteza M. Ardehali,Theodore F. Smith. Evaluation of Variable Volume and Temperature HVAC System for Commercial and Residential Buildings[J]. Energy Conversion and Manage -ment , 1995，（9）：1469-1479

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