江水源热泵区域供能系统㶲成本分析

王本栋 张华玲 刘洪磊



江水源热泵区域供能系统㶲成本分析

王本栋1张华玲2刘洪磊3

（1.中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610081;2.重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400045；3.中国建筑科学研究院 北京 100013）

目前对区域供能的研究基本上是着眼于建筑能量消耗的多少而忽略了所消耗能源的品质，实际建筑的耗能与能量的品质关系密切，基于热力学第二定律的㶲分析方法能更好地反映区域系统的耗能状况。在对㶲分析和经济学研究的基础上，利用㶲成本分析方法，建立江水源热泵区域功能系统㶲成本分析模型。以实际的区域供能项目为背景，对江水源热泵热泵区域供能系统和常规水冷机组加锅炉系统进行㶲成本对比分析，对江水源热泵区域供能系统的应用起到了指导意义。

江水源热泵；常规空调系统；年度化分析；㶲成本

0 引言

江水源热泵区域供冷供热系统充分利用了水域温度比较稳定的特点，相比于传统的空调系统具有更高的效率，对于临近水域的商业及办公建筑更是一种具有吸引力的空调形式。目前对于江水源热泵区域供冷供热系统的研究都是从“能”的角度展开[1,2]，这种方法只是建立在“量”的守恒上，不能判断出能量品质的变化，所以常对能量系统的优化和节能造成误导，实际建筑的耗能与能量的品质关系密切。㶲分析方法基于热力学第二定律的㶲分析方法能更好地反映区域系统的耗能状况，同时考虑了能源的数量和内在品质[3]。石惠娴等人利用㶲分析方提出了太阳能热泵沼气工程供能系统优化方法[4]。朱培根等人对热泵空调器系统整体进行㶲计算、分析和优化，提出相应的改进部位和应采取的措施[5]。然而，只考虑热力学方面的㶲损和㶲效率分析而忽略经济性，在实际工程中没有现实意义，因此，在热力学分析的同时必须结合经济性分析[6]，这就是热经济学，其在㶲分析方法和经济学分析的统一即为㶲成本分析方法。Lee和Sherif将单位产品的㶲成本作为一个重要的来分析吸收式热泵系统[7,8]。龚光彩和曾巍等简历了水冷式热泵系统和土壤源热泵系统的㶲成本分析模型，并指出产品㶲成本是评价热泵系统的关键因素[9,10]。

本文基于㶲分析方法，建立江水源热泵区域供能系统与常规冷热源系统㶲分析模型，求得㶲成本计算式，以实际的区域供能项目为背景，对江水源热泵热泵区域供能系统和常规水冷机组加锅炉系统进行㶲成本对比分析，对江水源热泵区域供能系统的应用起到了指导意义。

1 区域供能及常规冷热源系统成本分析计算模型

1.1 江水源热泵区域供冷供热系统分析模型

应用Algebraic㶲经济性分析模型，将整个江水源热泵系统作为一个灰箱模型，包括江水取退水系统、热泵机组及循环水泵、管网输配系统。江水源区域供冷系统与常规供冷系统在末端装置差别不大，㶲分析模型未考虑末端用户。灰箱分析模型边界上仅有㶲输入、冷（热）量㶲输出及整个系统内部的㶲损失。㶲流与资金流如图1，括号外的是供冷工况下的㶲流及资金流参数，括号内的是供热工况下的㶲流及资金流参数。

图1 江水源热泵区域供能系统经济分析模型

可得供冷工况下的㶲成本方程：

式中：Ex为江水源取水系统获得的冷㶲流，kJ；C为江水源取水系统获得的冷㶲流的单价，元/kJ；C为电能单价，元/kJ；Ex1为供冷季取水泵耗电量的㶲值，kJ；Ex为热泵机组供冷季耗电量的㶲值，kJ；Ex2为区域供冷系统外网循环系统耗电量的㶲值，kJ；1c为供冷系统的初投资，元；2c为供冷系统的维护成本，元；Ex为用户侧获得冷㶲流，kJ；C为用户侧冷㶲流的单价，元/kJ；Ex1为取水系统损失的冷㶲流，kJ；C1为取水系统损失冷㶲流的单价，元/kJ；Ex2为输配系统损失的冷㶲流，kJ；C2为输配系统损失冷㶲流的单价，元/kJ。

江水源热泵用户侧获得的冷量㶲成本表示为：

为了更好的反映供冷工况与供热工况的成本，同时让两者具有可比性，本文在分配供冷与供热季的年度化初投资费用与维护费用时，采用按供冷季耗电量与供热季耗电量的比例分配的方法，则供冷工况的初投资与维护费用计算公式如下：

式中：1为系统初投资，元；2为系统维护成本，元；W为供冷季耗电量，kWh；W为供热季耗电量，kWh。

供热工况下水源热泵系统的㶲成本平衡方程为：

式中：Ex为江水源取水系统获得的热㶲流，kJ；C为江水源取水系统获得的热㶲流的单价，元/kJ；C为电能单价，元/kJ；Ex1为取水泵供热季耗电量的㶲值，kJ；Ex为热泵机组供热季耗电量的㶲值，kJ；Ex2为外网循环泵供热季耗电量的㶲值，kJ；1h为供热系统的初投资，元；2h为供热系统的维护成本，元；Ex为用户侧获得的热㶲流，kJ；C为用户侧获得的热㶲流的单价，元/kJ；Ex1为取水系统损失的热㶲流，kJ；C1为取水系统损失热㶲流的单价，元/kJ；Ex2为输配系统损失的热㶲流，kJ；C2为输配系统损失热㶲流的单价，元/kJ。

则用户侧单位热量㶲成本为：

依据（2）与（5）可计算江水源空调系统寿命周期内的冷量和热量㶲成本。

1.2 常规水冷机组+锅炉系统㶲分析模型

常规冷热源系统本文选择最为常见的水冷机组+燃气锅炉为例进行分析。其在供冷与供热工况下的系统㶲流与资金流如下图所示。

则可得供冷工况下的㶲成本方程如下：

式中：Ex为与室外大气换热排出的热量㶲流，kJ；C为与室外大气换热排出热量㶲流的单位成本，元/kJ；为系统供冷季耗电量的㶲值，kJ；（包括制冷机组，冷却塔与冷却水泵的能耗）；为供冷季供冷量的㶲值，kJ；为单位冷量㶲成本，元/kJ；1c为系统初投资，元；2c为系统维护成本，元。

则水冷机组单位冷量的㶲成本为：

认为从环境中输入的㶲值为0，即：

上式中其它参数的计算方法与江水源热泵系统相同。

燃气锅炉具有效率高、污染小等优点，在很多中央空调系统中作为热源用于冬季供热。其热力学㶲成本分析模型如下。

锅炉供热的㶲成本方程为：

式中：Ex为燃气燃烧释放热量的㶲值，kJ；C为燃气燃烧释放热量㶲值的单位成本，元/kJ；Ex为供热季供热量的㶲值，kJ；C为单位热量㶲成本，元/kJ；1gh为系统初投资，元；2gh为系统维护管理成本，元。

则锅炉供热系统单位热量的㶲成本为：

1.3 年度化费用计算

按照1.1和1.2节介绍算法求得能源系统的初投资、能耗费用。维护管理费用包括设备的维护费用和管理费用，设备维护的年费用可按系统投资的百分率计算。能源系统使用年限通常按照20年考虑，设备的维修费用一般按照折旧费的10%计算[12]。系统的管理费用可根据具体的系统状况确定管理维修人员，参照当地工资水平确定。残值按照系统造价的百分比计算，本文取4%。

维护管理费用及残值后，即可求取系统寿命周期成本。为使计算结果更接近真实状况，不可简单地根据能源系统使用年限将上述计算结果叠加。计算系统寿命周期成本需要考虑资金的时间价值，本文采用年度化费用对上述计算结果整合。将项目的全生命周期内的各种费用按时间价值折合到每一年中，即把所有考虑了资金的时间价值的费用按照项目的生命周期进行每年均摊，这种计算费用称之为年度化费用。能源系统的年度化费用（EUAC）按下式计算[13,14]：

式中：D为年度化费用（EUAC），元；为资本回收系数；为初投资，元；为设备残值，按初投资费用的4%计算，元；F为年的价格换算系数；C为第年能源系统能耗费用，元；C为第年能源系统维护管理费用，元；为年利率，通常取8%；为能源系统使用年限。

本文在进行有关经济性分析时均是采用年度化费用法。

2 能量成本分析模型

以系统输出的冷（热）量作为成本分析的基础，将年度化初投资及运营费之和进行能量单位化，其模型与㶲成本相似，不同的是将㶲流换成供冷（热）量。

3 实例计算

3.1 冷热量计算

在得出各种能源方案的计算方法和计算式之后，要对各方案进行寿命周期成本分析。本次计算中以某中央商务区为例[11]，该中央商务区区域占地面积226.03公顷，总计建筑面积为652.60万平方米，其中地上建筑面积542.60万平方米，地下建筑面积110.00万平方米。方案1为江水源区域供能系统，方案2为常规水冷机组加锅炉系统。计算内容包括各种方案的初投资、能耗费用、维护管理费用和残值的计算。由于江水源区域供冷系统与常规空调系统末端装置差别不大，因而未将末端装置的初投资及年度运行费用算入。分别统计两种方案费用，如下：方案一中，初投资包括：土建费用、能源站房设备及安装费用、管网费用、自控费用及工程建设其他费用；运行费用由取水系统、能源站、管网循环系统运行费用构成。方案二中，初投资包括各机房设备及安装费用、土建费用、机房土地费、自控费用及工程建设其他费用；运行费包含供冷季冷水机组电耗、冷却塔电耗、冷却水泵电耗、补水费；供热季运行费用包括锅炉燃气费用。

统计江水源区域供冷系统和常规能源系统的初投资、运行能耗、维护管理费用、折旧费用等如下所示。

表1 区域供冷系统与常规能源系统费用统计及全年均值费用

计算㶲值时供冷/供热时的冷冻水/热水温度按供回水温度的平均值计算。设计的供冷时的供回水温度为7/12℃，供热时的供回水温度为55/50℃。计算供冷供热㶲值时以大气环境温度作为基准温度。为了提高计算精度，更贴近实际的㶲值状况，本文采用对不同BIN气象温度下的供冷供热量进行单独的㶲值计算，可有效减小供冷供热季采用室外平均温度计算带来的误差。夏季供冷季从5月15日到9月15日，共124天，时间为8:00-22:00；供热季从12月15日到2月28日，时间为8:00-22:00。采用BIN温度计算的供冷量供热量和冷热量㶲值如下表5.36和表5.75所示。

表2 供冷时间频率及负荷

由上可以看出，年供冷量为49532×10-3kWh，年供冷量㶲值为3861×10-3kWh。

由上可以看出，年供热量为22021××10-3kWh，年供热量㶲值为2943×10-3kWh。

表3 供热时间频率

3.2 冷热量成本计算

计算冷量成本和热量成本需要对初投资及运行费用进行分配。按式3对制冷工况和制热工况进行初投资、能耗费用、维护管理费用、残值的分配，分配结果如下。

表4 区域供冷系统与常规空调系统制冷与制热工况费用统计

区域供能系统与常规空调系统制冷工况与制热工况的全年均值费用如下。

表5 区域供冷系统与常规空调系统制冷与制热工况费用年值

3.3 能成本及㶲成本

根据表5得到的两种能源方案的全年均值费用及在第四章介绍的单位冷热量的㶲成本和能量成本的计算模型可以得到两种能源方案的供冷和供热工况下单位冷量和热量的能量成本和㶲成本，计算结果见下表。

表6 区域供冷系统与常规空调系统能成本及㶲成本对比

对比上表两种能源方案的计算结果可知，常规空调系统单位冷量成本比区域供冷系统单位冷量成本高出28.7%，冷量㶲成本常规空调系统比区域供冷系统高出29.0%；常规空调系统单位热量成本比区域供能系统单位热量成本低25.0%，单位热量㶲成本常规燃气锅炉供热系统比区域供能系统低23.9%。通过比较可见，能分析方法和㶲分析方法在节能量上得到的结果基本一致，即区域供能系统单位冷量成本和单位冷量㶲成本均明显低于常规空调系统，区域供能系统单位热量成本和单位热量㶲成本略高于燃气锅炉系统。考虑制冷工况所占比例明显大于制热工况，且江水源区域供能系统单位冷量成本和单位冷量㶲成本显著大于常规空调系统，推荐采用区域供能系统。

4 结论

本文建立了江水源热泵区域供能系统及常规冷热源系统的㶲分析及单位冷量、热量㶲成本，阐述了计算公式中未知参数的确定方法。研究了区域供能系统初投资、运行费用计算，并运用考虑了资金时间价值的年度化费用方法对初投资、能耗费用、维护管理费用和残值整合。两种能源方案下的冷量㶲成本分别为19.22元/kWh，24.80元/kWh；热量㶲成本分别为7.11元/kWh和5.74元/kWh；结合所在项目具体冷热需求，采用江水源热泵系统更加节能。

[1] 程丽莉,卢军,单洪浩,等.区域供能系统中江水源热泵制冷系统能效分析[J].煤气与热力,2014,35(9): A01- A04.

[2] 白雪莲,刘宁毅,林真国.水源热泵综合节能技术的工程应用分析[J].制冷与空调,2012,26(1):12-17.

[3] 郭进军,何雅玲,陶文铨.空气源制冷/热泵系统的分析[J].制冷与空调, 2002,2(5):17-22．

[4] 石惠娴,吕涛,朱洪光,等.太阳能热泵沼气工程供能系统㶲分析与优化[J].农业机械学报,2014,45(1):143- 149.

[5] 朱培根.风冷热泵空调器节能㶲分析与优化[J].解放军理工大学学报：自然科学版,2001,2(1):66-69.

[6] 杨东华.热经济学（第一版）[M].上海：华东化工学院出版社,1990:2-6.

[7] Lee S F, Sherif S A. Thermoeconomic analysis of absorption system for cooling[J]. ASHRAE Transactions, 2001,107(1):629-637.

[8] Lee S F, Sherif S A. Second law analysis of various double－effect lithium bromide/water absorption chillers[J]. ASHRAE Transactions, 2001,107(1): 664-673.

[9] 龚光彩,曾巍.基于㶲方法的空调冷热源系统优化决策[J].湖南大学学报,2007,27:942-950.

[10] 龚光彩,冯启辉,苏欢,等.土壤源热泵系统的㶲成本分析[J].制冷技术,2011,39(12):53-56.

[11] 王本栋,张华玲.重庆江北城CBD区域2号能源站运行现状及分析[J].重庆建筑,2014,13(6):63-65.

[12] 石建中,刘堂文.暖通空调设计的LCC概念[J].工业安全与环保,2002,28(7):27-28.

[13] 寿青云,陈汝东.寿命周期成本分析在区域供冷供热评价的应用[J].煤气与热力,2006,26(4):51-54.

[14] 董士波.全生命周期工程造价管理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.

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

王本栋（1990-），男，硕士，工程师，E-mail：wangbendong2008@163.com

2016-10-20