寿命周期费用分析在蓝波湾建筑采暖方案选择中的应用

刘晓勤

(湖州职业技术学院,浙江313000)

目前的一些建筑项目因为种种原因,在建设方案的选择上往往为了减少投资而漠视建筑物建成后的运行和维护成本,特别是与建筑用能有关的围护结构和空调采暖系统设计不合理,造成业主日常支出的增加,而且也不利于建筑节能工作的开展。全寿命周期成本是指一个建设项目在其全寿命周期内采用折现方法计算的所有支出费用货币成本,支出费用包括项目投资、投运后的运行和维护支出等。采用全寿命周期成本分析评价项目的方案可以为降低系统的成本、提高系统的经济性提供依据。本文将采用全寿命周期成本分析法,对新疆乌鲁木齐市蓝波湾建筑项目的几种采暖方案进行比较,这些方案包括采用低温热水地板辐射采暖和采用双立管水平串联散热器采暖两种采暖方式的热源都来自城市热网,每一种方法进一步又分为室内安装和不安装热量表和温控阀。本文将对各方案的投资和年运行费用为基础背景的综合性经济性进行分析比较,根据比较结果得到最优采暖方案。

1 工程概况

乌鲁木齐市冬季十分寒冷,每年冬季采暖消耗大量能源,煤碳、天然气、电力一到冬季就非常紧张。以煤为主能源还导致乌鲁木齐市空气的严重污染,尽管乌鲁木齐市政府也非常重视环境保护,近年来将“蓝天工程”作为一项重要工作来抓,拆并了小锅炉房,推广应用清洁能源,但截止到今日,乌鲁木齐市的大气环境并没有得到实质性的改善。几年的能耗跟踪分析表明,乌鲁木齐市的建筑物能耗高的主要原因是建筑物的围护结构保温不良、热系统效率不高、各输配环节热量损失严重,因此改进乌鲁木齐市的采暖技术非常迫切。

蓝波湾工程位于新疆乌鲁木齐市,是乌鲁木齐市较早采用地板采暖的民用建筑之一,建筑物的外墙采用空心砖外加60～80 mm厚聚苯板,外窗为单框双玻塑钢窗,屋顶为空心板+胶粉聚苯颗粒或苯板+水泥砂浆。乌鲁木齐冬季采暖季室外计算温度为-22℃,冬季采暖期的平均温度为-8.5℃,采暖天数长达180天,小区换热站对应的采暖建筑面积为12.65万m2,共17栋多层住宅楼。项目的采暖以燃煤供热为热源,可供比较的采暖方式有比较先进的低温地板辐射采暖和传统的散热器,因此有必要对两者作一个比较;另一方面为了搞好建筑节能政府鼓励居民在采暖系统中安装热量表和温控阀,安装或者不安装热计量的经济效益和社会效益也是值得深入分析的课题。因此冬季室外建筑物供暖采用以下几种方案。

方案一:室内系统采用低温热水地板辐射采暖,增设换热站,利用换热机组把集中供热热网中95/70℃的热水换热到60/50℃热水;室内不安装热量表及温控阀。

方案二:室内系统采用低温热水地板辐射采暖,增设换热站,利用换热机组把集中供热热网中95/70℃的热水换热到60/50℃热水;但是室内安装热量表及温控阀。

方案三:室内系统采用双立管水平串联式散热器采暖,热源为集中供热热网中95/70℃的热水;室内不安装热量表及温控阀。

方案四:室内系统采用双立管水平串联式散热器采暖,热源为集中供热热网中95/70℃的热水;室内安装热量表及温控阀。

2 各方案投资和运用成本

各方案的投资和年运行费用计算结果见表1。

表1 各方案的投资和年运行费用 元/m2

各方案的成本计算以方案一为例。

(1) 燃料费

式中:F为采暖燃料费,元/m2;h为系统年运行时间;Qd为燃料的低热值,k J/kg;B为燃料价格,根据乌鲁木齐市2007年价格指数来看,煤炭的价格为0.19元/kg(标准煤);η1为集中供热燃煤锅炉效率,取85%[1];η2为管网热损失取15%。Qc为采暖负荷,建筑冬季耗热量地板采暖和散热器采暖均按55 W/m2。

煤炭的低热值取5.81 kWh/kg,根据计算可以得到年采暖燃料费4.76元/m2。

(2)供暖年耗热量 蓝波湾工程供暖年耗热量为:

式中:Q h,a供暖年耗热量,k J;Q′为建筑物供暖设计热负荷 ,取55 W/m2;A为采暖面积,12.65万m2;N为供暖期天数,180天;t w为供暖室外计算温度,取-22℃;t n为供暖室内计算温度,一般取18℃;tpj为供暖期室外平均温度,取-8.5℃。代入数据可以得到供暖年耗热量Q h,a为71 414 k J。

(3)水费 方案一采用低温热水地板辐射采暖需要耗费水资源,按下式计算。

式中:T为每小时补水量按循环水量G的1%考虑;t g-t h为地板辐射采暖供回水温度差,按10℃考虑;Q为地板辐射采暖热负荷,W。

代入数据可以得到补水量为5.98 t/h,采暖期补水量25 833 t,按水价3.8元/t计算因此水费为98165元。

(3)电费 四种方案中一次管网、二次管网中循环水泵均需用电来带动。电量如下。

循环水泵功率:

式中:N d为循环水泵功率,kW;G为管段流量,598 345 kg/h;H为循环水泵扬程,15 m;ρ为水在水泵工作温度下的密度985.56 m3/kg;ηb为水泵效率,取 0.65。

代入数据可以得到,循环水泵功率 N d为3.90 kW;同样可以得到补水泵的功率为2.21 kW,则水泵全年的耗电量为 26 395 kWh,电价按1.18元/kWh计算,采暖期运行电费为31146元。蓝波湾工程运行消耗的水电费合计1.02元/m2。

(4)折旧费 普通采暖系统按15年寿命估算,地面辐射采暖系统按30年寿命估算。

其他费用包括环保基金1元/m2(地面辐射采暖系统不考虑环保基金)、工资福利、管理费等。

其他方案的计算省略,方案二和方案四采用分户计量,采暖燃料费用都按节约30%计。

3 各方案寿命周期成本现金折现

对于供暖系统而言,寿命周期费用包括系统的购置费用(设计、设备购置、系统建设等)、在寿命周期中运行费用残值的总和。常用的寿命周期费用计算方法是将系统在寿命周期内所有发生的费用折算成系统设置时的价值。在一个系统中,各设备或子系统的寿命周期可能不同,为便于分析,需要将不同寿命周期的各设备和子系统折算成统一寿命周期费用。统一寿命周期采用各设备和子系统寿命周期的最小公倍数,每个设备或子系统的多次设置用贴现法折算成第一次设置时的现值。日后系统经常费用也采用贴现法折算成初次设置时的现值。计算公式如下:

式中:p a为现金总额;A为日后每年的等额支付金额;i为扣除通货膨胀等因素影响的净利率;N为生产时间(年数)。

费用周期内部明贴现值p z为:

式中:p c为系统初投资现值。

考虑到各子系统使用寿命不一致,需要引入各子系统寿命周期的最小公倍数为系统统一的使用寿命。在此寿命时间中,若某子系统或设备需要投资j次,由各系统总设置费用贴现值:

利用上式可对不同寿命周期的各系统进行比较。因燃煤锅炉效率随使用年限变化不大,以燃料价为基础的运行费用在使用寿命内也基本稳定,故可用锅炉使用寿命代替锅炉寿命周期。

根据表1,将各方案的现金总额P a为120元,148元,110元和141元,代入公式,可以得到各方案的总贴现值见表2。

表2 各方案综合经济比较 万元

一般供热管网的使用寿命为15年,锅炉使用寿命10年,低温地板辐射采暖室内系统的寿命为30年,普通散热器采暖系统室内部分使用寿命也按15年估算,按最小公倍数30年计,普通采暖系统在第15年年末更新一次,故可将表2中各系统的统一寿命周期定为30年,计算中系统设置费用为各次设置折算到初次设置时的费用。供暖系统的废置费用主要包括系统的拆除费用,拆除后的废旧材料回收视作系统残值,根据实际上情况,可以近似认为两者相抵,在计算中不再考虑。各方案燃煤价格均为0.19元/kg(标准煤),采用相同的燃料价格比较各方案的经济性。

由于表2是在选定利率为10%以及预计了系统使用寿命和投资期限的基础上进行的综合经济比较,为了分析寿命周期费用评价计算结果的敏感度,利率分别选定为10%,8%和5%;计算结果如表3所示。

表3 各利率下总贴现值比较 万元

4 各方案的比较

方案一和方案三是不采用分户热计量的,方案二和方案四采用分户热计量系统,以燃煤耗量计量代替热计量。方案二和方案四有两种形式,其一是在双管水平串联采暖系统中每个房间的散热器上安装温控阀装置,一般100 m2左右房间需要5～6个装置;其二是在地面辐射采暖分集水器上安装热量表,在每个环路上安装温控阀,一般100 m2左右房间需要4个装置。两种形式的室内采暖系统造价的差别主要在于热计量以及温控设备装置的购置上。一般认为分户计量可节能20%～30%[2],因此,各方案的初投资和运行费用都有变化。

5 结论

(1)每种方案在利率由10%,8%至5%整个范围内,四个方案的总贴现值都随利率减少而增加,且同一利率的两个系统间,总现值的差额也随之增加。可见,当贴现率最高时,两种系统总现值之差额最小。这主要是因为在高利率下,日后每年所发生的等额费用相对于现值的贬值的程度较高,高利率可以有效地缩短可考虑投资的期限。

(2)表2和表3的结果表明,利率有效地制约着可考虑投资的最长期限。无论在有无分户热计量的情况下地板采暖都优于散热采暖,方案一的经济性都优于方案三,方案二的经济性都优于方案四。在无分户热计量时,方案一的地板采暖优势在于年折旧费、维护费明显低于方案三的散热器采暖,并且具有各户独立调节功能,而产生节能效果的作用;在有分户热计量时,方案二的地板采暖优势在于可以省去部分水电费,但由于热量表以及温控阀设备本生的价格较高,年总贴现的优势不是很明显。随着热计量装置的投资的降低,节能的经济性将会逐渐凸现出来。在近期,使用热计量装置,目的还是激发起用户的节能行为,这一装置的直接结果是燃料使用量的降低,对于乌鲁木齐这个冬季重污染城市而言,节能带来的蓝天效应可立竿见影,环境成本可大大降低。

(3)采用燃煤为燃料时,燃料费用在总经济指标中所占权重比较大。在供暖系统设计方案选择中应充分重视锅炉效率,系统可调节性等影响运行费用的指标,不可单一追求降低初投资而造成日后运行费用增加。

(4)本文只就燃煤热源供暖方式的经济性进行分析。供暖燃煤热源的选择还涉及诸如安全、污染排放控制等各方面的问题,应综合考虑。在工程寿命周期成本中,不仅包括资金意义上的成本,还包括环境成本、社会成本。

[1]孙德兴等.低温热水供暖技术推广中尚需研究解决的问题[J].暖通空调,2001,32(3):99-102.

[2]王荣光,沈天行,郑维民.太阳能、地热利用与地板辐射供暖[J].建筑节能,2002,37:54-61.