大型超市建筑空调配置方案的经济性分析

向勇涛　上海市能效中心

大型超市建筑空调配置方案的经济性分析

向勇涛上海市能效中心

运用经济性分析方法对大型建筑的常用的五种中央空调的冷热源方案的投资情况和运行费用进行比较分析，论证水冷螺杆机组加燃气锅炉是经济性最好的配置方案。

大型建筑能耗；中央空调方案；经济性分析；节能

1　大型超市能耗情况

随着我国城市建设的发展，大型超市的增长速度非常快，在上海地区，大型超市已经达到了130多家，并且大型超市建筑占新建建筑面积的比例也越来越大。为了营造一个健康舒适的购物环境，大型超市中设置中央空调系统是必不可少的，并随着人们生活条件、对舒适度的要求越来越高，空调系统的普及会越来越广，而空调系统又是整个建筑中的用电大户[1]。

大型超市建筑的能耗较大，其中空调耗能是主要部分。在美国和法国，据统计，大型超市每年总耗电量占国内总耗电量的4%，其中空调系统占50%～70%[2]。因此减少空调系统能耗已成为大型超市节能降耗的重要措施。根据暖通空调行业的研究成果,如果采用节能技术,现有空调系统节能30%～50% 完全可能。在大型超市建筑中，空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行优化选配就成为空调节能的关键。

2　经济性分析

2.1经济性分析方法

我国实际工作中进行能源经济分析比较时，多采用如下两种计算方法:附加投资偿还年限法和费用年值法。

附加投资偿还年限法是分别计算两种方案的投资费用和年成本费，若甲方案的投资大而成本小，而乙方案的投资小而成本大，则可由甲、乙投资费用的差值与两者年成本费用差值的比值求出回收年限，只有当回收年限小于国家规定的标准偿还年限时，才认为甲方案是合理的。

费用年值法就是对参与比较的各个方案的投资和经营费这两项性质不同的费用，利用投资效果系数这个折算比率，将投资折算成与经营费用类似的费用，然后与经营费相加，算出一个称为“年计算费用”的数值，从而取年计算费用最小的技术方案，作为最佳方案。

费用年值法比附加投资偿还年限法有许多优点:概念明确、计算方法通用简便等，因此，该方法在实际工作中得到了广泛的应用。尽管该方法也存在合理性程度的问题，但基于以上考虑，本文采用费用年值法进行比较。

在一个工程项目中，如其建设期为P年，生产期为m年。工程项目中各年的投资Ki折算到开始正常投产时的终值为K，正常生产年份的年经营费用为C。根据动态分析法，将资金现值等额分摊到生产期m年中的方法，由此可得出年计算费用法的计算公式为：

式中 Zd—按动态法计算的年计算费用，元/年；

K—开始正常投产时的总投资额，元；

C—年经营费(在能源工程中，它包括燃料费、电费、水费、材料费、基建折旧费、大修理费 、职工工资 、职工福利资金和其它费用项目)，元/年；

i—利率或采用部门的标准内部收益率，%；

m—生产期即设备使用寿命，年，按能源部等有关规定。

设备使用寿命不同给满足相同要求而只能计及费用的多方案评价问题带来了很大的麻烦，而采用了费用年值的计算方法，不论各方案的使用寿命各为多少年，只要将各方案的现金流量都折算成年值，无论使用寿命相同或不同，都可以在共同的时段一“年度”内进行比较，给方案评价带来了很大方便。

各方案比较时，以 越小为越优。费用年值法是一个考虑了资金时间价值的、动态的、比较的、科学有效的评价与选择方法，具有以下特点：

1）年费用的大小受方案现金流的影响，不同的现金流有不同的费用。

2）年费用的大小与利率有关，它的数值变化不能改变相比方案相对经济性。

3）年费用的大小与计算基准年无关。

4）费用年值法用于方案比较时，可不受使用年限相同这一条件约束。换句话说，不管所参加比较的方案年限是否相等，被选方案中费用小的方案是经济性好的方案。

5）当参加比较的各方案的年运行费用为常数时，应用年费用法筛选几种方案更为简便。

由于本文所要比较的各种方案其初投资所包括的项目很多:冷热源设备购置费、安装费、材料费和机房土建费等，因此，我们必须分开计算。则本文中年计算费用法的计算公式变为：

式中 N—设备种类数，其它符号如前所述。

（1）初投资

初投资计算如下。

式中 K1—设备价格，元；

K2—设备安装费，元/m2；

K3—外网投资，元/m2。

K4—室内系统投资，元/m2。室内系统投资是用户干线以后的部分，本文取40元/m2。

（2）年经营费用

年经营费用（owning and operating cost）包括运行费（running cost）和固定费（fixed charge）[3]，年运行费用主要是指能耗费用（电费、油费、气费等），其他费用如维护、管理费用，为便于比较，各方案的维护、管理费用视为相近而互相抵消；固定费用主要是指系统设备的折旧（更新）费用、利息、税收和保险费等。

1）固定费用

固定费用的组合和计算见表1。

表1　固定费概算

2）年运行费用

年运行费用是一项硬经济指标，是使用者经常性开支，使产品选型时不容易忽视的经济预算内容，它的值等于年能源消耗量乘以该能源的单价，由于各地区电价、燃料价（指燃油、天然气、城市煤气等）差别较大，针对某工程项目方案比较时，应结合当地实际情况考虑。

（3）使用年限

对于维护较好的冷水机组，其使用寿命均可达到20 a或以上，直燃吸收式机组寿命要短些，一般为15 a。对于附属设备，水泵寿命大约6 a左右，冷却塔的寿命一般在10 a左右，冷热源管道系统的寿命取值同机组，也为20 a。对于热源锅炉，使用寿命15 a。电力增容费已取消，故不考虑在内。

2.2初投资年折旧费和年经营费用的分析

影响冷热源方案经济性的两个主要因素是初投资和年经营费用，要分析冷热源方案的经济性，首先要做的就是建立初投资年折旧费与年经营费的数学模型。比较时，作以下两点假设：

1）假设各冷热源系统冷冻水部分及末端换热设备均相同，不计算在内；

2）由于风冷机组及水冷系统中的冷却塔均置于建筑物屋顶，假设它们的结构特殊处理费用相同。

2.2.1初投资年折旧费计算

（1）对于水冷式冷水机组系统，初投资包括机组购置费Ka1、冷却水泵和冷却塔购置费Ka2、Ka3，冷却水管道系统初投资及其安装费Ka4，机房土建费用Ka5，相对应的寿命取m1至m5。则初投资年折旧费为：

（2）对于电动风冷系统，主机设备投资为Kb1，设备寿命取n1年，则风冷系统寿命周期内的初投资年折旧费为：

（3）对于直燃吸收式溴化锂机组冷热源（燃气或燃油），其初投资基本上与水冷式冷水机组系统一样，它们的年折旧费Kc和Kd这里不予给出。

（4）热源系统的电锅炉、燃气和燃油锅炉的年折旧费用分别见公式5.6和5.7，p和q分别是它们的使用寿命。

燃气/燃油锅炉

在实际比较中，本文没有考虑冷热源机组设备和附属设备的安装费，因为经过综合考虑后，它们在各个方案中的差别不大，在系统中所占比重的差异更小。

2.2.2年经营费用计算

冷热源系统设备运行能耗的计算采用当量满负荷运行时间法。

（1）水冷式冷水机组冷源系统的年经营费用Ca由以下几个部分组成：

水冷式冷水机组的年经营费用Ca1=年运行费用Oa1+固定费用Ga1；

冷却水泵的年经营费用Ca2=年运行费用Oa2+固定费用Ga2；

冷却塔的年运行费用Ca3=年运行费用Oa3+固定费用Ga3；

冷却水的年补水费用Ca4=年运行费用Oa4+固定费用Ga4；

（2）风冷冷水机组冷源系统由于是用风机冷却，而风机的能耗已经计算在机组的能耗中了，因此它的年经营费用就是机组的年经营费用，设为Cb。

（3）直燃吸收式溴化锂机组冷热源系统的计算公式与水冷冷水机组冷源系统相同，只是运行消耗的是燃气或者燃油，而不是电力，分别设为Cc和Cd。

（4）锅炉的年经营费用就是它的年能耗费用加固定费用，电锅炉是年电费加固定费用，燃气锅炉和燃油锅炉虽然也有电力消耗，但是相对于燃气或燃油的能耗费用，电费比例是非常小的，在这里忽略不计，年经营费用分别为Ce、Cf和Cg。

最后的年计算费用就是以上两项的叠加。

3　几个冷热源配置方案的年计算费用

几个方案中的冷源均按照研究对象的设计冷负荷5 635.8 kW配置，由于超市不配备热源，没有设计热负荷。值取超市标准内部收益率为8%，利率为7.83%，税率为5%，保险金率为3.87%。通过向业内人士的咨询，各冷源机组的价格分别按离心机组0.4元/大卡、水冷螺杆机组0.45元/大卡、风冷螺杆机组1.2元/大卡、直燃吸收式溴化锂机组0.4元/大卡的标准来计算。

3.1冷热源配置方案

根据研究对象的建筑情况，做出如下5种可行方案：

方案1：离心式冷水机组2台+电锅炉1台

方案2：离心式冷水机组2台+燃气锅炉1台

方案3：水冷式螺杆机组3台+燃气锅炉1台

方案4：风冷式螺杆机组4台+燃气锅炉1台

方案5：直燃吸收式溴化锂机组2台

以上5种方案主要设备的技术性能参数见表2。

表2　各方案主要设备的部分参数

3.2设备初投资的比较

根据表2，在不考虑土建费的前提下，5种冷热源配置方案的设备初投资见表3。从表3可以看出，方案4的初投资最大，这是因为风冷螺杆机组的单位冷负荷初投资比较大；方案5中的主机设备直燃吸收式溴化锂机组虽然比方案1和方案2的冷水机组要贵，但它可冷热两用，而方案1和2必须配备各自的热源设备，另外，直燃吸收式溴化锂机组使用天然气作为燃料，它的电力消耗很小。这样，经过各设备的综合计算，除方案4（风冷螺杆机组+燃气锅炉）以外的4种方案初投资相差不大。

表3　5种方案的设备投资情况万元

根据表3和上面公式，计算得到5种方案的主要设备初投资年折旧费用，其汇总于表4。

表4　5种方案设备的年折旧费明细表万元

年折旧费用以方案四最大，这是主要因为方案4冷源的初投资与其他方案冷源的初投资相比，差别太大。方案5的年折旧费高出方案1、2的年折旧费，是由于直燃吸收式溴化锂机组的使用寿命一般只有15 a，比电动冷水机组短5 a，使得机组的年折旧费用较高。

3.3年经营费用比较

冷热源选择的经济性如何，不仅要看其初投资多少，还要从长远的观点来看。冷热源年运行费用的计算要结合全年动态负荷统计分析，即统计不同负荷率下的运行时间，机组在不同的负荷率下其耗功率不同，如果简单地用一个负荷率对各个冷热源配置方案进行估算，那么计算值与现实能耗相差很远。为了使年运行费的计算结果更贴近实际，在这里使用前面用eQUEST软件动态模拟出的结果，见表5。

表5　5种冷热源配置方案的年运行费用万元

年运行费用最高的是方案五直燃吸收式溴化锂机组，它的主要能源是天然气，目前天然气的价格相对电力来说还是比较贵的，直接导致运行成本上升。但如果天然气下降一定比例，则其年运行费用将大大降低，甚至比电制冷小。

计算出5种冷热源配置方案的固定费用，见表6 。

表6　5种冷热源配置方案的固定费用万元

3.4年计算费用的比较

年计算费用比较是本次费用年值法比较的最终目标。年计算费用的两个主体分别是系统设备的年折旧费用和系统的年经营费用。

把表4、5和6结合起来，就可以得到年计算费用的情况表，最后结果见表7。

表7　5种冷热源配置方案的年计算费用万元

从上表中可以看出，方案3年经营费用最低，其次是方案4、方案2，方案5最高，其年运行费用也最高，且其使用寿命比一般机组要短，这些阻碍了直燃吸收式机组的广泛应用。对上海来说，天然气的价格远远高于电价，这使得它处于劣势。我们从年计算费用的最终计算结果，可得5种冷热源的可行性排列顺序为：方案3（水冷螺杆+燃气锅炉）＞方案2（离心式机组+燃气锅炉）＞方案4（风冷螺杆+燃气锅炉）＞方案1（离心机组+电锅炉）＞方案5（直燃吸收式溴化锂机组），说明方案3最优，方案5最差。

4　结论

（1）大型超市冬季不具备供暖的必要性。在上海的能源价格体制下，风冷螺杆式冷水机组作为空调系统冷源的年费用最小，直燃吸收式溴化锂机组的年费用最大。从热源来看，燃气锅炉的年费用大大低于电锅炉的年费用。年费用最低的冷热源配置组合是风冷螺杆式冷水机组+燃气锅炉，其次是水冷螺杆式冷水机组+燃气锅炉、离心式冷水机组+燃气锅炉、离心式冷水机组+电锅炉，直燃吸收式溴化锂机组的年费用最高。结果大型超市的负荷特点和空调系统运行的实际，不考虑冬季供暖，仅从夏季运行费用来看，也是直燃吸收式溴化锂机组运行费用最大，风冷螺杆机组最小。

（2）从初投资看，方案4（风冷螺杆+燃气锅炉）＞方案3（水冷螺杆+燃气锅炉）＞方案1（离心机组+电锅炉）＞方案2（离心机组+燃气锅炉）＞方案5（直燃吸收式溴化锂机组）。

（3）根据各冷热源配置方案的初投资和年经营费用得到各方案的年计算费用，结果为方案3＜方案2＜方案4＜方案1＜方案5，可见水冷螺杆机组+燃气锅炉是可行性最强的冷热源配置方案。

[1] 张华俊，商用陈列柜选用机组探讨[J]制冷与空调，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] 叶盛. 空调冷热源的选择与评估[D]. 同济大学硕士学位论文，2007

[4] 周勇刚. 空调冷热源的优化选择与其系统开发[D]. 东南大学硕士学位论文，2006

[5] 鞠晓丽. 大型超市空调冷热源方案的综合评价研究[D]. 西安建筑科技大学硕士学位论文，2003

[6] 黄绪镜. 百货商场空调设计[M]. 中国建筑工业出版社，1998

[7] 丁文婷. 空调用能源选择[D]. 同济大学硕士学位论文. 2000

[8] 龙惟定. 上海地区几种空调冷热源的比较研究[J]. 暖通空调，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