合同能源管理模式建設高校熱水系統的技術經濟分析

潘洲

上海市節能減排中心有限公司

目前，上海市高校學生的洗浴方式主要可分為以下幾種：公共浴室集中式洗浴、每幢宿舍樓分散式洗浴和以每間宿舍為單位的單元式洗浴方式，形成了以集中式洗浴為主，結合分散式和單元式洗浴的模式。然而，近年來隨著對學生生活條件的改善，分散式和單元式洗浴系統改造建設正在高校中興起。學生洗浴系統的改造和新建離不開供熱方式，即熱源的選擇。基于經濟效益、環保效益和社會責任的綜合考慮，高校大多數選擇空氣源熱泵熱水系統或太陽能集熱+空氣源熱泵熱水系統的供熱模式（如圖1）。

空氣源熱泵熱水的系統模式較為單一，而太陽能熱泵熱水的系統模式根據太陽能集熱器與空氣源熱泵的不同組合形式，可以分為直接膨脹式太陽能熱泵、串聯式太陽能熱泵、并聯式太陽能熱泵和雙熱源式太陽能熱泵熱水等。本文僅以目前運用較為廣泛、節能效益顯著、系統組合靈活的并聯式單水箱太陽能熱泵熱水系統為例與單一空氣源熱泵熱水系統進行分析比較。

圖1 并聯式單水箱太陽能熱泵熱水系統

1 研究對象

本文的研究對象假定如下：本市某高校四幢類似學生公寓。每幢學生公寓樓有7層，入住學生約400人，浴室位于底樓。每天定時供水，供水時間不少于6h，供水溫度不低于55℃。根據相關設計標準，每人每日最高用水量60L，每幢學生公寓日最高用水量約24t。

2 系統方案

根據《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》（GB/T 18713-2002）等相關設計標準，結合學校普遍要求和類似工程項目實施經驗，若采用太陽能熱泵熱水系統，則系統設計參數如表1所示。

同時，為方便比較，假設在同樣研究對象及供熱需求下，采用單一空氣源熱泵熱水系統，則系統設計參數如表2所示。

表1 單幢學生公寓太陽能熱泵熱水系統設計

表2 單幢學生公寓熱泵熱水系統設計

上表的系統設計僅用于本文的研究分析，具體情況隨項目不同而變化。

3 全年運行能耗

若采用太陽能熱泵熱水系統，通過類似工程案例對比分析及建模計算，在本文假定的研究對象前提下，學生年均用水量約21 000t，系統年均電耗約297 700kWh。

同時，為方便比較，計算若采用熱泵熱水系統時的全年運行能耗。

（1）總熱量

Q總=q總cρ（th-tc）

其中：Q總為全年總熱量需求，J；q總為全年總用水量，kg；c為水的比熱容，4 187 J/（kg·℃）；ρ為熱水密度，kg/L；th為熱水溫度，55℃；tc為年均冷水溫度，取15℃。Q總=3517080MJ=976967kWh

（2）熱泵主機能耗

T熱=Q總/COP

其中：T熱為熱泵主機，即熱源的年能耗，kWh；COP為暫不考慮用戶熱水需求季節性差異時，全年綜合運行工況干濕球溫度下擬選機組的能效比，取2.8。T熱=348916 kWh。

（3）其他能耗

整個系統中，熱泵主機能耗為主要能耗，其余還包括增壓泵、循環泵等輸配設備能耗、電動閥等配件能耗、線損電耗等。

其中：T余為除熱泵主機外的系統其它能耗，kWh；ki為某一設備的額定功率，kW；ti為某一設備的年運行小時數，h；T損為整個系統電力損耗，一般按整個系統能耗的某一百分比折算，kWh。在此估算中，為計算方便，將水泵等各輔助設備均看作是在額定工況下工作。T余=30355 kWh。

通過計算，該校四幢學生公寓洗浴熱水若采用熱泵熱水系統時的全年運行能耗約為380 000 kWh。

4 經濟效益分析

針對同一項目，業主、投資方、技術服務方、融資方等不同主體由于角度不同、需求不同，各自的項目經濟性分析也不盡相同。本文的經濟效益分析是針對投資方基于合同能源管理模式，對投資項目在合同期內進行的經濟效益分析。

4.1 太陽能熱泵熱水系統

通過類似工程案例對比及工程量清單估算，項目建設期總投資約為2 150 000元，包括方案設計費、設備及材料購置費、安裝費等。整個工程范圍包括熱源系統、輸配系統及室內末端系統等。在對投資項目進行經濟效益分析時，財務模型的建立至關重要，其中關鍵是確定合同期、年運營收入及成本、稅率、貼現率、貸款利率等各項參數。

（1）合同期

合同期的考慮有客觀和主觀兩方面的因素。客觀因素主要包括設備的設計壽命期、年凈現金流入/流出、投資風險等。主觀因素主要包括投資方及業主期許、項目使用功能變化等。特別需要注意的是，合同期大于設備設計壽命期（或系統主要設備實際使用壽命）的項目，涉及二次投資問題，對項目的經濟效益有直接的影響。考慮到投資風險等因素，建議合同期接近于設備設計壽命期（或系統主要設備實際使用壽命）。若合同期延長，則建議合同期為設備設計壽命期（或系統主要設備實際使用壽命）的整數倍。為便于分析計算，本項目假設合同期為8年。

（2）年運營收入及費用

項目年運營收入為熱水供應收入，計費模式為熱水單價與熱水供應量的乘積。年運營費用主要包括維保人工費、材料費、電費及水費等。其中，系統運行的電費及水費一般由業主支付，但該費用是否從運營收入中相應扣除，則是投資方和業主重點協商的內容之一。為便于分析計算，本項目假設電費為單一電價，0.636元/kWh，水費單價為3.65元/t，熱水售價為45元/t，電費和水費從運營收入中相應扣除。

（3）投資風險

本項目采用合同能源管理模式，投資人不僅要考慮初始投資，也要考慮合同期內的各項收入和支出。風險期與合同期保持一致。主要風險包括：業主存續風險，即業主本身在合同期內能否穩定存在的風險，本項目的業主是高校，相對于一般企業，該風險因素較小；熱水需求風險，即改造前后熱水供應工況和熱水需求要基本相同，也就是說，熱水供應學生數、熱水供應時間及引起學生洗浴需求的外在因素應變化不大；各項費用風險，如電費、水費單價在合同期間內的變化等。同時，還包括政策風險、不可抗力風險等。這些風險因素是投資人需提前考慮，也是需要和業主充分協商后在協議中明確的重要內容。

稅率、貼現率、貸款利率及融資方案的確定也是影響項目經濟效益的重要因素，本文暫不一一贅述。通過財務模型的建立及計算，本項目的財務指標如表3所示。

表3 項目主要財務指標（自有資金+貸款模式）

在上表財務模型的建立過程中，有以下幾個主要前提條件：一是投資人自有資金占總投資的30%，其余70%為貸款金額，貸款利率按基準利率上浮10%計算；二是總投資收益率計算公式為：年均息稅前利潤/項目總投資；三是貸款的還款模式為等額本金。

若該項目的投資金額全部為自有資金，則項目的財務指標如表4所示。

表4 項目主要財務指標（全為自有資金模式）

從表3和表4的對比可以看出，建設總投資采用30%自有資金加上70%貸款模式的財務指標優于全部采用自有資金模式。因此，在貸款利率合理、風險可控的基礎上，建議投資人采用可行的融資方案。

在上述財務模型建立的基礎上進行敏感性分析，以進一步深化項目財務分析，為投資者決策提供依據。敏感性分析的計算過程繁雜，在此不贅述，計算結果如表5所示。

在上表的敏感性分析中，需要特別注意以下幾點：①當建設總投資全部采用自有資金模式的前提下進行分析計算的，若采用30%自有資金加70%貸款的模式，財務指標在同類情況下應略優，讀者可自行研究分析；②上表僅選取售水單價、合同期等主要影響因素進行敏感性分析，且為單因素敏感性分析，讀者可選取其它影響因素或進行多因素敏感性分析；③合同期增加1年的前提是假設合同期在設備設計壽命期（或實際使用壽命期）內，投資人不需要進行二次投資。

表5 項目敏感性分析（全為自有資金模式）

4.2 熱泵熱水系統

若完全采用熱泵熱水系統，在達到同等功能需求且合同期、售水單價等其他因素不變的前提下，采用表2所示的系統設備配置，則項目的財務指標如表6和表7所示。

表6 項目主要財務指標（自有資金+貸款模式）

表7 項目主要財務指標（全為自有資金模式）

表6和表7的建設總投資是根據類似工程經驗的估算值，僅用于本文的分析計算，實際投資隨具體項目不同而變化。與太陽能熱泵熱水系統相比，熱泵熱水系統的初始投資大幅減少，年維保費用有所減少，系統年均電耗有所增加，但總體上在達到同等功能需求且其他因素基本一致的前提下，純熱泵熱水系統的財務指標要優于太陽能熱泵熱水系統。關于熱泵熱水系統的經濟敏感性分析暫不在本文贅述，讀者如有興趣，可自行建模分析計算。

5 結論與建議

通過上述分析，在得出下述結論的同時提出以下建議：

（1）太陽能熱泵熱水系統的年均系統能效要高于熱泵熱水系統，這一點在兩者的年電耗上有著明顯區別，但從整個財務模型來看，電費差價對財務指標的影響遠小于建設總投資對財務指標的影響。

（2）無論是太陽能熱泵熱水系統還是熱泵熱水系統，建設總投資采用30%自有資金和70%貸款模式其財務指標優于全部采用自有資金模式。因此，在貸款利率合理、風險可控的基礎上，建議投資人采用可行的融資方案。

（3）建設總投資無論采用哪種模式，在財務凈現值差異不大的情況下，財務內部收益率有著成倍的差異，這從表3和表4，表6和表7的建模計算中可以明顯看出，其主要原因是由于建設總投資的不同融資方案造成的。

（4）通過經濟敏感性分析可以發現，提高售水單價，增加合同期限等措施，能夠明顯提高整個項目的財務效益。當然，若合同期延長，則建議合同期為設備設計壽命期（或系統主要設備實際使用壽命）的整數倍，以求投資人的效益最大化。

（5）合同期內的風險因素是投資人需要重點考慮的內容，一是要積極采用相關措施降低風險乃至轉移風險；二是在投資協議中充分考慮并明確各類風險。

（6）有實力的投資人不妨考慮未來收益權質押，或者將項目資產中風險與收益進行隔離并進行結構性重組，進而開展資產證券化等融資模式，降低融資成本。

在本文的研究過程中，發現仍有以下幾點值得進一步探討。

（1）在上海地區，針對類似供應對象和功能需求，計算分析太陽能熱泵熱水系統與熱泵熱水系統的年均系統能效是否有顯著差異。同時，從系統設備的整個生命周期去考慮，將太陽能集熱設備的生產和報廢后處置的能耗、環境成本與經濟成本考慮在內，太陽能熱泵熱水系統是否真正比熱泵熱水系統更節能，具有更好的環境效益。

（2）熱水投資項目的風險分析應該是投資人前期決策工作中的重要部分，應進一步深入研究。同時，讀者如有興趣，可對類似熱水項目在合同期的收購行為進行經濟和風險分析。