安徽广电项目水蓄冷方案经济效益评价

董长进 魏展雄

中国建筑科学研究院深圳分院

1 水蓄冷空调节能经济评价理论基础

项目经济评价，一般对方案全寿命周期[1]的增量成本进行核算，采用回收期、投资收益率、净现值、将来值、净年值等经济指标计算分析和评价方法，对互斥型项目方案进行经济评价。

1.1 水蓄冷节能项目增量成本

水蓄冷空调项目的全寿命周期增量成本LCC计算，包括土建投资增量成本C土建，机房设备增量成本C机房，水池（水槽或水罐）增量成本C水池，电力及自控增量成本C电力和运营管理增量成本，则有：

1.2 互斥型项目方案评价方法

对多个互斥型项目方案采用互斥型方案的静态指标优选方法中的增量投资分析法进行评价。假定常规空调方案1的投资成本为I1，各年使用成本为C1。蓄冷空调方案2的投资成本为I2，各年使用成本为C2，项目全寿命周期假设为n年。

1）空调方案增量投资回收期

蓄冷方案增量投资回收期计算公式为：

2）蓄冷增量投资收益率

3）增量投资净现值、将来值、净年值

a、增量投资净现值（△NPV）是指用在空调行业设定的折现率ic，将蓄冷空调方案在整个计算期间内各年所发生的净现金流量之差，皆折现到蓄冷空调投资方案开始实施的现值之和，其计算见以式（4）：

式中：△NPV为净现值；(CI-C0)为第t年的净现金流量；ic为基准收益率；n为方案计算期。

b、增量投资净将来值（△NFV）是将每年的净收益与等额资金系列终值系数相乘，初期投资额与一次支付值系数相乘，两者再相减进行差额比较。

c、增量投资净年值（△NAV）是将初投资额资金回收系数，再将其折算成等额年值。

故当△NPV2-1、△NFV2-1、△NAV2-1≥0 时，则选择蓄冷空调方案投资大的节能空调方案，反正，则选择常规空调投资较小的空调方案。

2 水蓄冷方案的增量成本与效益测算

2.1 增容费政策

合肥市对用电用户收取增容费，双回路每kVA收取2000～3000元。用电增容费计算公式：

式中：Sz为用电增容费，元；Pz为每kVA用电增容费，元/kVA；Qz为变压器增加容量，kVA。

2.2 蓄冷项目空调节电增量效益参数

2.2.1 增量效益

蓄冷空调系统的全生命周期增量效益分为增量经济效益，增量环境效益和增量社会效益，其中经济效益为直接效益，环境效益和社会效益为间接效益[1]。

2.2.2 水蓄冷项目经济效益

水蓄冷对用电可进行削峰填谷，平衡电网，减少峰值负荷电力电站投资，而且优化资源配置，带来社会效益。

1）水蓄冷项目经济效益

各用电时段电量及电费为：

式中：E 为项目全寿命周期电费，元；Ph、Pd、PL分别为第t年高峰、平峰及低谷时电价，元 /kWh；Dh、Dd、DL分别为第 t年高峰、平峰、低谷天数；Qh、Qd、QL第 t年高峰、平峰、低谷节约电量，kWh；Q为年高峰、平峰、低谷节约总电量，kWh。

综上所述，节能项目经济效益为节约的设施费和节电效益总和。

2）水蓄冷系统节省设备费用

水蓄能空调主机和变压器设备的初始投资设备费，直接计算其节约的电量。其中，节省的空调和变压器设施费为：

式中：P表示价格，Q表示数量。

3）空调节水经济效益

本论文的水蓄冷技术项目给冬季空调节电增量效益有：蒸汽换热后凝结水回收带来的效益，此部分蓄冷水池兼作冬季蒸汽冷凝热回收利用供空调采暖，达到节水和节能目的，同时带来一定经济效益，节水项目增量经济效益为：

式中：E节水为节水增量效益，元；P水价为第t年的水价，元 /m3；Q 节水为年节水量，m3。

3 水蓄冷方案经济效益评价案例分析

3.1 项目概况

本项目为安徽广播电影电视局新中心，位于合肥政务新区。建设总用地面积163013.25 m2，新中心占地273亩，建筑最高44层，主楼高301 m，水平长约600 m，总建设规模约40万m2，为合肥市最高最长建筑。

3.2 项目空调设计方案与内容

3.2.1 项目空调设计方案

本项目冬季采用蒸汽换热空调采暖形式。夏季可采用水蓄能+常规中央空调系统、冰蓄冷+常规电制冷空调系统或完全常规电制冷中央空调系统。由于用户使用的空调末端一样，本项目只对能源中心的冷热源进行分析。

经清华斯维尔负荷计算软件对该项目进行逐时负荷计算，根据逐时冷负荷计算，最大冷负荷约46000 kW，最大冷负荷日总负荷约395000 kWh。

3.2.2 项目空调系统冬夏冷热源方案

空调系统能耗由系统管路，冷热源设备，过滤设备，末端设备以及循环设备等能耗组成。本项目空调冷源可选择三种方式，即常规电制冷方式、水蓄冷+电制冷方式和冰蓄冷+电制冷方式。成本分析时不考虑安装成本，三种空调方案计算投资时其它设备及系统安装费基本相同，本文对其它安装费不涉及增量成本，省略安装费项目。

1）常规电制冷空调系统

根据逐时冷热负荷分析，常规空调采用电制冷冷水机组、汽水换热机组、水泵、水处理设备、膨胀水箱、冷凝器清洗设备等，其设备选型略。其常规空调系统主要设备及价格汇总约2263.63万元。

2）水蓄冷+常规电制冷空调系统

根据逐时冷热负荷分析，水蓄冷系统仍采用常规空调采用电制冷冷水机组、汽水换热机组、水泵、水处理设备、膨胀水箱、换热器、冷凝器清洗设备等。设计选型根据最大冷负荷约46000 kW及热负荷，最大冷负荷日总负荷约395000 kWh，按经济蓄冷率0.3考虑，需蓄冷约118500 kWh，系统负荷侧供回水温：6/13℃，蓄冷侧供回水温：4/11℃，蓄冷槽的最低蓄冷温度设计为4℃，夏季冷冻水的最大蓄冷温差、△T=11-4=7℃，系统设备选型略。该系统主要设备及价格汇总约2690.5万元（电力增容费按合肥供电局规定，本项目按2000元/kVA测算，减少电力投资160万元）。

蓄冷空调系统不同工况时节能运行需采用运行策略(略)。

3）冰蓄冷+常规电制冷空调系统

设计选型根据最大冷负荷约46000 kW及热负荷，最大冷负荷日总负荷约395000 kWh，按经济蓄冷率0.3考虑，需蓄冷约118500 kWh，选择合资制冷、蓄冰设备。采用制冷机组和蓄冰装置并联的流程。载冷剂是质量百分数为25%的乙烯乙二醇溶液。空调夏季供冷工况参数为：冷冻液温度6℃/11℃，空调供、回水温度为6℃/12℃，双工况机组蓄冰工况参数为：冷冻液-4℃/-0.5℃。蓄冰装置选择蓄冰盘管及混凝土冰槽等。运行策略参照水蓄冷运行策略。冰蓄冷空调系统主要设备及价格约3041.01万元。

3.3 项目空调方案增量成本测算

通过对安徽广播电视新中心项目节能空调方案分析，水蓄冷空调系统方案相对于常规空调系统，节约变压器容量约2662 kVA，冰蓄冷空调系统相比常规空调系统，节约变压器容量约2668 kVA，合肥地区电力增容费为2000元/kW，变压器150～180元/kVA，由式（1）～（6）计算出设备增量成本、减少的电力增容费及电力减少的投资成本。

①与常规空调相比水蓄冷系统增量成本

△I1=3382.65-2263.63=1108万元

节省电力增容费和电力系统投资成本E节能设施 =2662×2000+2662×150=572 万元

初投资增量成本△I=1108-572=536万元

②与常规空调相比冰蓄冷系统增量成本

△I1=3694.61-2263.63=1431万元

节省电力增容费和电力系统投资成本E节能设施=2668×2000+2668×150=574万元

初投资增量成本△I=1431-574=857万元

3.4 项目空调方案经济效益测算

3.4.1 经济效益分析的基础数据

合肥市蓄能后峰谷分时电价相关政策，分时电价表（表1）如下：

空调夏季运行费用计算，通过分析蓄冷空调系统的运行，经计算可得出常规空调系统和蓄冷空调系统两部分运行电费。夏季需要空调按每年180天计算供冷期对系统进行分析。100%空调负荷约24天，75%空调负荷约60天，50%空调负荷约60天，25%空调负荷约36天。

3.4.2 空调节能设计方案节能效益测算

1）空调运行年运行电量测算

三种方案夏季空调运行根据不同运行策略100%负荷、75%负荷、50%负荷、25%负荷率全年分别为24、60、60、36天，高峰每天运行3小时，平峰每天7小时计算，由式（8）～（11）。

①夏季常规空调每小时总用电量12133 kW，高峰时段每天用电3 h，平峰每天用电7 h，100%负荷、75%负荷、50%负荷、25%负荷率时小时用电量分别为12133 kW、9099 kW、6066 kW、3033 kW，年运行电量：

②夏季水蓄冷+常规空调每小时总用电量：根据运行策略，空调系统100%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为9471 kW、9111 kW、3416 kW；75%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为2235 kW、8299.9 kW、3416kW。50%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为1490 kW、3746 kW、3416 kW。25%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为745 kW、745 kW、3416 kW。高峰时段每天用电3h，平峰每天用电7h，低谷空调末端不耗电，只计算蓄冷设备电量3416 kW，蓄冷设备每晚运行50%以上负荷率运行8 h，25%负荷率时蓄冷运行 7.5 h，由公式（8）～（11）年运行电量：

与常规空调相比，总电量△Q=13103640-13000118=103522 kWh

节省电量比例 i=△Q/Q常=103522/13103640=0.79%。

③夏季冰蓄冷+常规空调每小时总用电量：根据运行策略，空调系统100%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为9465 kW、9465 kW、4850 kW。75%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为2967 kW、8199.9 kW、4850 kW。50%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为1978 kW、4333 kW、4850 kW。25%负荷率时高峰平峰每小时用电量分别为989 kW、989 kW、4850 kW；高峰时段每天用电3h，平峰每天用电7 h，低谷空调末端不耗电，只计算蓄冷设备电量4850 kW，蓄冷设备每晚运行50%以上负荷率运行8 h，25%负荷率时蓄冷运行 7.5 h，由式（8）～（11）年运行电量：

与常规空调相比，总电量△Q×13103640-15678324=-2574684 kWh

节省电量比例i=△Q/Q常=2574684/13103640=19.6%。

④夏季水蓄冷、冰蓄冷电量与常规空调年运行电量相比年转移高峰时段、平峰时段电量及开发低谷电量为：

水蓄冷：年转移高峰时段电量Qh1=Qh0-Qh水=2524014 kWh

年转移平峰时段电量Qd1=Qd0-Qd水=2437060 kWh

年开发低谷时段电量QL=4857552 kWh

冰蓄冷：年转移高峰时段电量Qh2=Qh0-Qh冰=2252700 kWh

年转移平峰时段电量Qd2=Qd0-Qd=2069316 kWh

年开发低谷时段电量QL=6896700 kWh

2）空调方案经济效益测算

三种方案夏季空调根据不同运行策略运行费用根据式（12）及合肥峰谷分时电价表1：

①夏季常规空调年运行费用E常=3931092×1.1928+9172548×0.7975=1200万元

②水蓄冷空调系统年运行费用E=1407078×1.1928+6735488×0.7975+4857552×0.3104=855万元

③冰蓄冷空调系统年运行费用E冰=1678392×1.1928+7103232×0.7975+6896700×0.3104=980万元

④空调节水节能经济效益测算

本论文仅分析蒸汽冷凝水回收带来的效益。蒸汽冷凝回收余热储存在水池里，通过换热后供给冬季空调采暖系统，通过换热后的溢水用于其它浇灌。蒸汽冷凝水回收热水每天10 h，流量40 m3/h，5.75kW/(h·m3)。根据式（14）：

E节水=40×2.8×75×10=8.4 万元

水蓄冷空调系统年增量效益：E水总=E常-E水+E节水+E水=1200-855+8.4+20.8=374.2万元

冰蓄冷空调系统年增量效益：E冰总=E常-E冰=1200-980=220万元

3.5 项目经济效益评价

3.5.1 项目经济效益评价

通过对安徽广播电视中心项目经济测算，空调用电节省对节能效益进行经济评价，计算其投资回收期和内部收益率。

1）按空调行业项目15年为计算期，蓄冷现金流量见表2。

②蓄冷增量投资收益率根据式（2）计算如下：

水蓄冷增量投资收益率：R=374.2/536×100%=69.8%

冰蓄冷增量投资收益率：R=220/857×100%=22.45%

3.5.2 互斥型项目方案选优

针对该项目的分析，考虑资金时间价值，取行业基准折现率i=12%，空调寿命按T=15年，计算项目的增量效益现值和年值，对项目进行成本效益分析，利用净现值法进行节能空调方案选优。

各方案现金流量见表2，等额资金现值系数(P/A,I,15)=6.8109。

1）采用净现值法进行方案选优

由式（3）计算如下：

△NPV水=374.2×(P/A,12%,15)-536=2012.64万元

△NPV冰=220×(P/A,12%,15)-857=641.40万元

因此，根据投资收益率和净现值法方案比较，水蓄冷+常规空调系统为最优方案，即相当于现时点产生的超额利润值为2012.64万元。该方案净现值较冰蓄冷方案多1371.24万元。

2）选用净将来值法进行方案选优

由式（4）计算如下：

△NFV水=374.2×(F/A,12%,15)-536×(F/P,12%,15)=11016.21万元

△NFV冰=220×(F/A,12%,15)-857×(F/P,12%,15)=2765.07万元

通过净将来值法计算，水蓄冷空调节能方案为最优方案，该方案将来值比冰蓄冷多8251.15万元。

3）选用净年值法进行方案选优

由式（5）计算如下：

△NAV水=374.2-536×(A/P,12%,15)=295.52万元

△NAV冰=220-857×(A/P,12%,15)=74.19万元

通过净现值法，净将来值法和净年值法选优比较，水蓄冷空调节能方案为最优方案。

3.5.3 空调节能方案评价结果分析

通过对水蓄冷空调系统，冰蓄冷空调系统与常规空调系统测算比较，冰蓄冷、水蓄冷初投资高于常规空调系统。

采用冰蓄冷的年运行电量比常规空调系统高19.6%，运行费用节省18.3%，投资收益率22.45%，转移峰段负荷5509 kW。开发低谷电量6896700 kWh。达到节省运行费用目的，但是不节能。

采用水蓄冷空调系统年运行电量比常规空调系统低0.79%，基本持平，但是转移了峰段负荷，运行费用节省28.8%，投资收益率69.8%。转移峰段负荷6491 kW。开发低谷电量4857552 kWh。采用此系统既能节省运行费用，同时达到节能效果，产生了好的社会效益。

4 结束语

通过对水蓄冷方案的经济性计算分析，对该项目空调节能方案选优计算分析，水蓄冷和冰蓄冷皆可节省运行费用，开发低谷电量，转移了高峰负荷，冰蓄冷虽节省了运行费用，但是耗能较高，水蓄冷空调节能方案为最优方案。在整个寿命周期内，水蓄冷在经济性方面有很大优势。

通过通过对安徽广电中心项目经济效益分析评价，水蓄冷空调系统在带来节能效益的同时，还能产生巨大的经济效益和社会效益。这为水蓄冷空调系统应用推广提供评价依据和参考。