江水源熱泵區域供能系統?成本分析

王本棟 張華玲 劉洪磊

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江水源熱泵區域供能系統?成本分析

王本棟1張華玲2劉洪磊3

（1.中國建筑西南設計研究院有限公司 成都 610081;2.重慶大學城市建設與環境工程學院 重慶 400045；3.中國建筑科學研究院 北京 100013）

目前對區域供能的研究基本上是著眼于建筑能量消耗的多少而忽略了所消耗能源的品質，實際建筑的耗能與能量的品質關系密切，基于熱力學第二定律的?分析方法能更好地反映區域系統的耗能狀況。在對?分析和經濟學研究的基礎上，利用?成本分析方法，建立江水源熱泵區域功能系統?成本分析模型。以實際的區域供能項目為背景，對江水源熱泵熱泵區域供能系統和常規水冷機組加鍋爐系統進行?成本對比分析，對江水源熱泵區域供能系統的應用起到了指導意義。

江水源熱泵；常規空調系統；年度化分析；?成本

0 引言

江水源熱泵區域供冷供熱系統充分利用了水域溫度比較穩定的特點，相比于傳統的空調系統具有更高的效率，對于臨近水域的商業及辦公建筑更是一種具有吸引力的空調形式。目前對于江水源熱泵區域供冷供熱系統的研究都是從“能”的角度展開[1,2]，這種方法只是建立在“量”的守恒上，不能判斷出能量品質的變化，所以常對能量系統的優化和節能造成誤導，實際建筑的耗能與能量的品質關系密切。?分析方法基于熱力學第二定律的?分析方法能更好地反映區域系統的耗能狀況，同時考慮了能源的數量和內在品質[3]。石惠嫻等人利用?分析方提出了太陽能熱泵沼氣工程供能系統優化方法[4]。朱培根等人對熱泵空調器系統整體進行?計算、分析和優化，提出相應的改進部位和應采取的措施[5]。然而，只考慮熱力學方面的?損和?效率分析而忽略經濟性，在實際工程中沒有現實意義，因此，在熱力學分析的同時必須結合經濟性分析[6]，這就是熱經濟學，其在?分析方法和經濟學分析的統一即為?成本分析方法。Lee和Sherif將單位產品的?成本作為一個重要的來分析吸收式熱泵系統[7,8]。龔光彩和曾巍等簡歷了水冷式熱泵系統和土壤源熱泵系統的?成本分析模型，并指出產品?成本是評價熱泵系統的關鍵因素[9,10]。

本文基于?分析方法，建立江水源熱泵區域供能系統與常規冷熱源系統?分析模型，求得?成本計算式，以實際的區域供能項目為背景，對江水源熱泵熱泵區域供能系統和常規水冷機組加鍋爐系統進行?成本對比分析，對江水源熱泵區域供能系統的應用起到了指導意義。

1 區域供能及常規冷熱源系統成本分析計算模型

1.1 江水源熱泵區域供冷供熱系統分析模型

應用Algebraic?經濟性分析模型，將整個江水源熱泵系統作為一個灰箱模型，包括江水取退水系統、熱泵機組及循環水泵、管網輸配系統。江水源區域供冷系統與常規供冷系統在末端裝置差別不大，?分析模型未考慮末端用戶。灰箱分析模型邊界上僅有?輸入、冷（熱）量?輸出及整個系統內部的?損失。?流與資金流如圖1，括號外的是供冷工況下的?流及資金流參數，括號內的是供熱工況下的?流及資金流參數。

圖1 江水源熱泵區域供能系統經濟分析模型

可得供冷工況下的?成本方程：

式中：Ex為江水源取水系統獲得的冷?流，kJ；C為江水源取水系統獲得的冷?流的單價，元/kJ；C為電能單價，元/kJ；Ex1為供冷季取水泵耗電量的?值，kJ；Ex為熱泵機組供冷季耗電量的?值，kJ；Ex2為區域供冷系統外網循環系統耗電量的?值，kJ；1c為供冷系統的初投資，元；2c為供冷系統的維護成本，元；Ex為用戶側獲得冷?流，kJ；C為用戶側冷?流的單價，元/kJ；Ex1為取水系統損失的冷?流，kJ；C1為取水系統損失冷?流的單價，元/kJ；Ex2為輸配系統損失的冷?流，kJ；C2為輸配系統損失冷?流的單價，元/kJ。

江水源熱泵用戶側獲得的冷量?成本表示為：

為了更好的反映供冷工況與供熱工況的成本，同時讓兩者具有可比性，本文在分配供冷與供熱季的年度化初投資費用與維護費用時，采用按供冷季耗電量與供熱季耗電量的比例分配的方法，則供冷工況的初投資與維護費用計算公式如下：

式中：1為系統初投資，元；2為系統維護成本，元；W為供冷季耗電量，kWh；W為供熱季耗電量，kWh。

供熱工況下水源熱泵系統的?成本平衡方程為：

式中：Ex為江水源取水系統獲得的熱?流，kJ；C為江水源取水系統獲得的熱?流的單價，元/kJ；C為電能單價，元/kJ；Ex1為取水泵供熱季耗電量的?值，kJ；Ex為熱泵機組供熱季耗電量的?值，kJ；Ex2為外網循環泵供熱季耗電量的?值，kJ；1h為供熱系統的初投資，元；2h為供熱系統的維護成本，元；Ex為用戶側獲得的熱?流，kJ；C為用戶側獲得的熱?流的單價，元/kJ；Ex1為取水系統損失的熱?流，kJ；C1為取水系統損失熱?流的單價，元/kJ；Ex2為輸配系統損失的熱?流，kJ；C2為輸配系統損失熱?流的單價，元/kJ。

則用戶側單位熱量?成本為：

依據（2）與（5）可計算江水源空調系統壽命周期內的冷量和熱量?成本。

1.2 常規水冷機組+鍋爐系統?分析模型

常規冷熱源系統本文選擇最為常見的水冷機組+燃氣鍋爐為例進行分析。其在供冷與供熱工況下的系統?流與資金流如下圖所示。

則可得供冷工況下的?成本方程如下：

式中：Ex為與室外大氣換熱排出的熱量?流，kJ；C為與室外大氣換熱排出熱量?流的單位成本，元/kJ；為系統供冷季耗電量的?值，kJ；（包括制冷機組，冷卻塔與冷卻水泵的能耗）；為供冷季供冷量的?值，kJ；為單位冷量?成本，元/kJ；1c為系統初投資，元；2c為系統維護成本，元。

則水冷機組單位冷量的?成本為：

認為從環境中輸入的?值為0，即：

上式中其它參數的計算方法與江水源熱泵系統相同。

燃氣鍋爐具有效率高、污染小等優點，在很多中央空調系統中作為熱源用于冬季供熱。其熱力學?成本分析模型如下。

鍋爐供熱的?成本方程為：

式中：Ex為燃氣燃燒釋放熱量的?值，kJ；C為燃氣燃燒釋放熱量?值的單位成本，元/kJ；Ex為供熱季供熱量的?值，kJ；C為單位熱量?成本，元/kJ；1gh為系統初投資，元；2gh為系統維護管理成本，元。

則鍋爐供熱系統單位熱量的?成本為：

1.3 年度化費用計算

按照1.1和1.2節介紹算法求得能源系統的初投資、能耗費用。維護管理費用包括設備的維護費用和管理費用，設備維護的年費用可按系統投資的百分率計算。能源系統使用年限通常按照20年考慮，設備的維修費用一般按照折舊費的10%計算[12]。系統的管理費用可根據具體的系統狀況確定管理維修人員，參照當地工資水平確定。殘值按照系統造價的百分比計算，本文取4%。

維護管理費用及殘值后，即可求取系統壽命周期成本。為使計算結果更接近真實狀況，不可簡單地根據能源系統使用年限將上述計算結果疊加。計算系統壽命周期成本需要考慮資金的時間價值，本文采用年度化費用對上述計算結果整合。將項目的全生命周期內的各種費用按時間價值折合到每一年中，即把所有考慮了資金的時間價值的費用按照項目的生命周期進行每年均攤，這種計算費用稱之為年度化費用。能源系統的年度化費用（EUAC）按下式計算[13,14]：

式中：D為年度化費用（EUAC），元；為資本回收系數；為初投資，元；為設備殘值，按初投資費用的4%計算，元；F為年的價格換算系數；C為第年能源系統能耗費用，元；C為第年能源系統維護管理費用，元；為年利率，通常取8%；為能源系統使用年限。

本文在進行有關經濟性分析時均是采用年度化費用法。

2 能量成本分析模型

以系統輸出的冷（熱）量作為成本分析的基礎，將年度化初投資及運營費之和進行能量單位化，其模型與?成本相似，不同的是將?流換成供冷（熱）量。

3 實例計算

3.1 冷熱量計算

在得出各種能源方案的計算方法和計算式之后，要對各方案進行壽命周期成本分析。本次計算中以某中央商務區為例[11]，該中央商務區區域占地面積226.03公頃，總計建筑面積為652.60萬平方米，其中地上建筑面積542.60萬平方米，地下建筑面積110.00萬平方米。方案1為江水源區域供能系統，方案2為常規水冷機組加鍋爐系統。計算內容包括各種方案的初投資、能耗費用、維護管理費用和殘值的計算。由于江水源區域供冷系統與常規空調系統末端裝置差別不大，因而未將末端裝置的初投資及年度運行費用算入。分別統計兩種方案費用，如下：方案一中，初投資包括：土建費用、能源站房設備及安裝費用、管網費用、自控費用及工程建設其他費用；運行費用由取水系統、能源站、管網循環系統運行費用構成。方案二中，初投資包括各機房設備及安裝費用、土建費用、機房土地費、自控費用及工程建設其他費用；運行費包含供冷季冷水機組電耗、冷卻塔電耗、冷卻水泵電耗、補水費；供熱季運行費用包括鍋爐燃氣費用。

統計江水源區域供冷系統和常規能源系統的初投資、運行能耗、維護管理費用、折舊費用等如下所示。

表1 區域供冷系統與常規能源系統費用統計及全年均值費用

計算?值時供冷/供熱時的冷凍水/熱水溫度按供回水溫度的平均值計算。設計的供冷時的供回水溫度為7/12℃，供熱時的供回水溫度為55/50℃。計算供冷供熱?值時以大氣環境溫度作為基準溫度。為了提高計算精度，更貼近實際的?值狀況，本文采用對不同BIN氣象溫度下的供冷供熱量進行單獨的?值計算，可有效減小供冷供熱季采用室外平均溫度計算帶來的誤差。夏季供冷季從5月15日到9月15日，共124天，時間為8:00-22:00；供熱季從12月15日到2月28日，時間為8:00-22:00。采用BIN溫度計算的供冷量供熱量和冷熱量?值如下表5.36和表5.75所示。

表2 供冷時間頻率及負荷

由上可以看出，年供冷量為49532×10-3kWh，年供冷量?值為3861×10-3kWh。

由上可以看出，年供熱量為22021××10-3kWh，年供熱量?值為2943×10-3kWh。

表3 供熱時間頻率

3.2 冷熱量成本計算

計算冷量成本和熱量成本需要對初投資及運行費用進行分配。按式3對制冷工況和制熱工況進行初投資、能耗費用、維護管理費用、殘值的分配，分配結果如下。

表4 區域供冷系統與常規空調系統制冷與制熱工況費用統計

區域供能系統與常規空調系統制冷工況與制熱工況的全年均值費用如下。

表5 區域供冷系統與常規空調系統制冷與制熱工況費用年值

3.3 能成本及?成本

根據表5得到的兩種能源方案的全年均值費用及在第四章介紹的單位冷熱量的?成本和能量成本的計算模型可以得到兩種能源方案的供冷和供熱工況下單位冷量和熱量的能量成本和?成本，計算結果見下表。

表6 區域供冷系統與常規空調系統能成本及?成本對比

對比上表兩種能源方案的計算結果可知，常規空調系統單位冷量成本比區域供冷系統單位冷量成本高出28.7%，冷量?成本常規空調系統比區域供冷系統高出29.0%；常規空調系統單位熱量成本比區域供能系統單位熱量成本低25.0%，單位熱量?成本常規燃氣鍋爐供熱系統比區域供能系統低23.9%。通過比較可見，能分析方法和?分析方法在節能量上得到的結果基本一致，即區域供能系統單位冷量成本和單位冷量?成本均明顯低于常規空調系統，區域供能系統單位熱量成本和單位熱量?成本略高于燃氣鍋爐系統。考慮制冷工況所占比例明顯大于制熱工況，且江水源區域供能系統單位冷量成本和單位冷量?成本顯著大于常規空調系統，推薦采用區域供能系統。

4 結論

本文建立了江水源熱泵區域供能系統及常規冷熱源系統的?分析及單位冷量、熱量?成本，闡述了計算公式中未知參數的確定方法。研究了區域供能系統初投資、運行費用計算，并運用考慮了資金時間價值的年度化費用方法對初投資、能耗費用、維護管理費用和殘值整合。兩種能源方案下的冷量?成本分別為19.22元/kWh，24.80元/kWh；熱量?成本分別為7.11元/kWh和5.74元/kWh；結合所在項目具體冷熱需求，采用江水源熱泵系統更加節能。

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Exergy Cost Analysis of River Water Source District Cooling and Heating System

Wang Bendong1ZhangHualing2Liu Honglei3

( 1.China Southwest Architectural Design &Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610081;2.School of city construction and environmental engineering Chongqing University, Chongqing, 400045;3. China Academy of Building Research, Beijing, 100013 )

Current research on the regional energy supply is basically focused on the building energy consumption while ignoring the quality of the energy consumption. Energy consumption is closely related to the quality of the energy, exergy analysis method, which is based on a better second law of thermodynamics, reflects the regional system of energy consumption better. In this paper, based on the analysis of the exergy and principles of economics, Exergy cost analysis of river water source heat pump system model is established. Based on the actual regional energy supply project, the cost comparison of Exergy cost analysis between river water source heat pump district cooling and heating system and conventional water cooling unit as well as boiler system is carried out. The analysis method has guiding significance for practical application of river water source district cooling and heating system.

River source heat pump; Annualized analysis; Comparative analysis; Exergy costs

1671-6612（2016）06-705-07

TU83

A

王本棟（1990-），男，碩士，工程師，E-mail：wangbendong2008@163.com

2016-10-20