大型超市建筑空調配置方案的經濟性分析

向勇濤　上海市能效中心

大型超市建筑空調配置方案的經濟性分析

向勇濤上海市能效中心

運用經濟性分析方法對大型建筑的常用的五種中央空調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濟性最好的配置方案。

大型建筑能耗；中央空調方案；經濟性分析；節能

1　大型超市能耗情況

隨著我國城市建設的發展，大型超市的增長速度非常快，在上海地區，大型超市已經達到了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境，大型超市中設置中央空調系統是必不可少的，并隨著人們生活條件、對舒適度的要求越來越高，空調系統的普及會越來越廣，而空調系統又是整個建筑中的用電大戶[1]。

大型超市建筑的能耗較大，其中空調耗能是主要部分。在美國和法國，據統計，大型超市每年總耗電量占國內總耗電量的4%，其中空調系統占50%～70%[2]。因此減少空調系統能耗已成為大型超市節能降耗的重要措施。根據暖通空調行業的研究成果,如果采用節能技術,現有空調系統節能30%～50% 完全可能。在大型超市建筑中，空調系統如何適應在低負荷下高效節能運行及在系統設計中對設備進行優化選配就成為空調節能的關鍵。

2　經濟性分析

2.1經濟性分析方法

我國實際工作中進行能源經濟分析比較時，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營費這兩項性質不同的費用，利用投資效果系數這個折算比率，將投資折算成與經營費用類似的費用，然后與經營費相加，算出一個稱為“年計算費用”的數值，從而取年計算費用最小的技術方案，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，生產期為m年。工程項目中各年的投資Ki折算到開始正常投產時的終值為K，正常生產年份的年經營費用為C。根據動態分析法，將資金現值等額分攤到生產期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—按動態法計算的年計算費用，元/年；

K—開始正常投產時的總投資額，元；

C—年經營費(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部收益率，%；

m—生產期即設備使用壽命，年，按能源部等有關規定。

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。費用年值法是一個考慮了資金時間價值的、動態的、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金流的影響，不同的現金流有不同的費用。

2）年費用的大小與利率有關，它的數值變化不能改變相比方案相對經濟性。

3）年費用的大小與計算基準年無關。

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為：

式中 N—設備種類數，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—外網投資，元/m2。

K4—室內系統投資，元/m2。室內系統投資是用戶干線以后的部分，本文取40元/m2。

（2）年經營費用

年經營費用（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濟指標，是使用者經常性開支，使產品選型時不容易忽視的經濟預算內容，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，應結合當地實際情況考慮。

（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。

2.2初投資年折舊費和年經營費用的分析

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

1）假設各冷熱源系統冷凍水部分及末端換熱設備均相同，不計算在內；

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

2.2.1初投資年折舊費計算

（1）對于水冷式冷水機組系統，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，主機設備投資為Kb1，設備壽命取n1年，則風冷系統壽命周期內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一樣，它們的年折舊費Kc和Kd這里不予給出。

（4）熱源系統的電鍋爐、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，因為經過綜合考慮后，它們在各個方案中的差別不大，在系統中所占比重的差異更小。

2.2.2年經營費用計算

冷熱源系統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的年經營費用Ca由以下幾個部分組成：

水冷式冷水機組的年經營費用Ca1=年運行費用Oa1+固定費用Ga1；

冷卻水泵的年經營費用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由于是用風機冷卻，而風機的能耗已經計算在機組的能耗中了，因此它的年經營費用就是機組的年經營費用，設為Cb。

（3）直燃吸收式溴化鋰機組冷熱源系統的計算公式與水冷冷水機組冷源系統相同，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%。通過向業內人士的咨詢，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性能參數見表2。

表2　各方案主要設備的部分參數

3.2設備初投資的比較

根據表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年經營費用比較

冷熱源選擇的經濟性如何，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合全年動態負荷統計分析，即統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，那么計算值與現實能耗相差很遠。為了使年運行費的計算結果更貼近實際，在這里使用前面用eQUEST軟件動態模擬出的結果，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設備的年折舊費用和系統的年經營費用。

把表4、5和6結合起來，就可以得到年計算費用的情況表，最后結果見表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，方案5最差。

4　結論

（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系統冷源的年費用最小，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。結果大型超市的負荷特點和空調系統運行的實際，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）根據各冷熱源配置方案的初投資和年經營費用得到各方案的年計算費用，結果為方案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。

[1] 張華俊，商用陳列柜選用機組探討[J]制冷與空調，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. 空調冷熱源的選擇與評估[D]. 同濟大學碩士學位論文，2007

[4] 周勇剛. 空調冷熱源的優化選擇與其系統開發[D]. 東南大學碩士學位論文，2006

[5] 鞠曉麗. 大型超市空調冷熱源方案的綜合評價研究[D]. 西安建筑科技大學碩士學位論文，2003

[6] 黃緒鏡. 百貨商場空調設計[M]. 中國建筑工業出版社，1998

[7] 丁文婷. 空調用能源選擇[D]. 同濟大學碩士學位論文. 2000

[8] 龍惟定. 上海地區幾種空調冷熱源的比較研究[J]. 暖通空調，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