壽命周期費用分析在藍(lán)波灣建筑采暖方案選擇中的應(yīng)用

劉曉勤

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江313000)

目前的一些建筑項目因為種種原因,在建設(shè)方案的選擇上往往為了減少投資而漠視建筑物建成后的運行和維護(hù)成本,特別是與建筑用能有關(guān)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計不合理,造成業(yè)主日常支出的增加,而且也不利于建筑節(jié)能工作的開展。全壽命周期成本是指一個建設(shè)項目在其全壽命周期內(nèi)采用折現(xiàn)方法計算的所有支出費用貨幣成本,支出費用包括項目投資、投運后的運行和維護(hù)支出等。采用全壽命周期成本分析評價項目的方案可以為降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)。本文將采用全壽命周期成本分析法,對新疆烏魯木齊市藍(lán)波灣建筑項目的幾種采暖方案進(jìn)行比較,這些方案包括采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳筒捎秒p立管水平串聯(lián)散熱器采暖兩種采暖方式的熱源都來自城市熱網(wǎng),每一種方法進(jìn)一步又分為室內(nèi)安裝和不安裝熱量表和溫控閥。本文將對各方案的投資和年運行費用為基礎(chǔ)背景的綜合性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比較,根據(jù)比較結(jié)果得到最優(yōu)采暖方案。

1 工程概況

烏魯木齊市冬季十分寒冷,每年冬季采暖消耗大量能源,煤碳、天然氣、電力一到冬季就非常緊張。以煤為主能源還導(dǎo)致烏魯木齊市空氣的嚴(yán)重污染,盡管烏魯木齊市政府也非常重視環(huán)境保護(hù),近年來將“藍(lán)天工程”作為一項重要工作來抓,拆并了小鍋爐房,推廣應(yīng)用清潔能源,但截止到今日,烏魯木齊市的大氣環(huán)境并沒有得到實質(zhì)性的改善。幾年的能耗跟蹤分析表明,烏魯木齊市的建筑物能耗高的主要原因是建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫不良、熱系統(tǒng)效率不高、各輸配環(huán)節(jié)熱量損失嚴(yán)重,因此改進(jìn)烏魯木齊市的采暖技術(shù)非常迫切。

藍(lán)波灣工程位于新疆烏魯木齊市,是烏魯木齊市較早采用地板采暖的民用建筑之一,建筑物的外墻采用空心磚外加60～80 mm厚聚苯板,外窗為單框雙玻塑鋼窗,屋頂為空心板+膠粉聚苯顆?；虮桨?水泥砂漿。烏魯木齊冬季采暖季室外計算溫度為-22℃,冬季采暖期的平均溫度為-8.5℃,采暖天數(shù)長達(dá)180天,小區(qū)換熱站對應(yīng)的采暖建筑面積為12.65萬m2,共17棟多層住宅樓。項目的采暖以燃煤供熱為熱源,可供比較的采暖方式有比較先進(jìn)的低溫地板輻射采暖和傳統(tǒng)的散熱器,因此有必要對兩者作一個比較;另一方面為了搞好建筑節(jié)能政府鼓勵居民在采暖系統(tǒng)中安裝熱量表和溫控閥,安裝或者不安裝熱計量的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益也是值得深入分析的課題。因此冬季室外建筑物供暖采用以下幾種方案。

方案一:室內(nèi)系統(tǒng)采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?增設(shè)換熱站,利用換熱機(jī)組把集中供熱熱網(wǎng)中95/70℃的熱水換熱到60/50℃熱水;室內(nèi)不安裝熱量表及溫控閥。

方案二:室內(nèi)系統(tǒng)采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?增設(shè)換熱站,利用換熱機(jī)組把集中供熱熱網(wǎng)中95/70℃的熱水換熱到60/50℃熱水;但是室內(nèi)安裝熱量表及溫控閥。

方案三:室內(nèi)系統(tǒng)采用雙立管水平串聯(lián)式散熱器采暖,熱源為集中供熱熱網(wǎng)中95/70℃的熱水;室內(nèi)不安裝熱量表及溫控閥。

方案四:室內(nèi)系統(tǒng)采用雙立管水平串聯(lián)式散熱器采暖,熱源為集中供熱熱網(wǎng)中95/70℃的熱水;室內(nèi)安裝熱量表及溫控閥。

2 各方案投資和運用成本

各方案的投資和年運行費用計算結(jié)果見表1。

表1 各方案的投資和年運行費用 元/m2

各方案的成本計算以方案一為例。

(1) 燃料費

式中:F為采暖燃料費,元/m2;h為系統(tǒng)年運行時間;Qd為燃料的低熱值,k J/kg;B為燃料價格,根據(jù)烏魯木齊市2007年價格指數(shù)來看,煤炭的價格為0.19元/kg(標(biāo)準(zhǔn)煤);η1為集中供熱燃煤鍋爐效率,取85%[1];η2為管網(wǎng)熱損失取15%。Qc為采暖負(fù)荷,建筑冬季耗熱量地板采暖和散熱器采暖均按55 W/m2。

煤炭的低熱值取5.81 kWh/kg,根據(jù)計算可以得到年采暖燃料費4.76元/m2。

(2)供暖年耗熱量 藍(lán)波灣工程供暖年耗熱量為:

式中:Q h,a供暖年耗熱量,k J;Q′為建筑物供暖設(shè)計熱負(fù)荷 ,取55 W/m2;A為采暖面積,12.65萬m2;N為供暖期天數(shù),180天;t w為供暖室外計算溫度,取-22℃;t n為供暖室內(nèi)計算溫度,一般取18℃;tpj為供暖期室外平均溫度,取-8.5℃。代入數(shù)據(jù)可以得到供暖年耗熱量Q h,a為71 414 k J。

(3)水費 方案一采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳枰馁M水資源,按下式計算。

式中:T為每小時補水量按循環(huán)水量G的1%考慮;t g-t h為地板輻射采暖供回水溫度差,按10℃考慮;Q為地板輻射采暖熱負(fù)荷,W。

代入數(shù)據(jù)可以得到補水量為5.98 t/h,采暖期補水量25 833 t,按水價3.8元/t計算因此水費為98165元。

(3)電費 四種方案中一次管網(wǎng)、二次管網(wǎng)中循環(huán)水泵均需用電來帶動。電量如下。

循環(huán)水泵功率:

式中:N d為循環(huán)水泵功率,kW;G為管段流量,598 345 kg/h;H為循環(huán)水泵揚程,15 m;ρ為水在水泵工作溫度下的密度985.56 m3/kg;ηb為水泵效率,取 0.65。

代入數(shù)據(jù)可以得到,循環(huán)水泵功率 N d為3.90 kW;同樣可以得到補水泵的功率為2.21 kW,則水泵全年的耗電量為 26 395 kWh,電價按1.18元/kWh計算,采暖期運行電費為31146元。藍(lán)波灣工程運行消耗的水電費合計1.02元/m2。

(4)折舊費 普通采暖系統(tǒng)按15年壽命估算,地面輻射采暖系統(tǒng)按30年壽命估算。

其他費用包括環(huán)?；?元/m2(地面輻射采暖系統(tǒng)不考慮環(huán)保基金)、工資福利、管理費等。

其他方案的計算省略,方案二和方案四采用分戶計量,采暖燃料費用都按節(jié)約30%計。

3 各方案壽命周期成本現(xiàn)金折現(xiàn)

對于供暖系統(tǒng)而言,壽命周期費用包括系統(tǒng)的購置費用(設(shè)計、設(shè)備購置、系統(tǒng)建設(shè)等)、在壽命周期中運行費用殘值的總和。常用的壽命周期費用計算方法是將系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)所有發(fā)生的費用折算成系統(tǒng)設(shè)置時的價值。在一個系統(tǒng)中,各設(shè)備或子系統(tǒng)的壽命周期可能不同,為便于分析,需要將不同壽命周期的各設(shè)備和子系統(tǒng)折算成統(tǒng)一壽命周期費用。統(tǒng)一壽命周期采用各設(shè)備和子系統(tǒng)壽命周期的最小公倍數(shù),每個設(shè)備或子系統(tǒng)的多次設(shè)置用貼現(xiàn)法折算成第一次設(shè)置時的現(xiàn)值。日后系統(tǒng)經(jīng)常費用也采用貼現(xiàn)法折算成初次設(shè)置時的現(xiàn)值。計算公式如下:

式中:p a為現(xiàn)金總額;A為日后每年的等額支付金額;i為扣除通貨膨脹等因素影響的凈利率;N為生產(chǎn)時間(年數(shù))。

費用周期內(nèi)部明貼現(xiàn)值p z為:

式中:p c為系統(tǒng)初投資現(xiàn)值。

考慮到各子系統(tǒng)使用壽命不一致,需要引入各子系統(tǒng)壽命周期的最小公倍數(shù)為系統(tǒng)統(tǒng)一的使用壽命。在此壽命時間中,若某子系統(tǒng)或設(shè)備需要投資j次,由各系統(tǒng)總設(shè)置費用貼現(xiàn)值:

利用上式可對不同壽命周期的各系統(tǒng)進(jìn)行比較。因燃煤鍋爐效率隨使用年限變化不大,以燃料價為基礎(chǔ)的運行費用在使用壽命內(nèi)也基本穩(wěn)定,故可用鍋爐使用壽命代替鍋爐壽命周期。

根據(jù)表1,將各方案的現(xiàn)金總額P a為120元,148元,110元和141元,代入公式,可以得到各方案的總貼現(xiàn)值見表2。

表2 各方案綜合經(jīng)濟(jì)比較 萬元

一般供熱管網(wǎng)的使用壽命為15年,鍋爐使用壽命10年,低溫地板輻射采暖室內(nèi)系統(tǒng)的壽命為30年,普通散熱器采暖系統(tǒng)室內(nèi)部分使用壽命也按15年估算,按最小公倍數(shù)30年計,普通采暖系統(tǒng)在第15年年末更新一次,故可將表2中各系統(tǒng)的統(tǒng)一壽命周期定為30年,計算中系統(tǒng)設(shè)置費用為各次設(shè)置折算到初次設(shè)置時的費用。供暖系統(tǒng)的廢置費用主要包括系統(tǒng)的拆除費用,拆除后的廢舊材料回收視作系統(tǒng)殘值,根據(jù)實際上情況,可以近似認(rèn)為兩者相抵,在計算中不再考慮。各方案燃煤價格均為0.19元/kg(標(biāo)準(zhǔn)煤),采用相同的燃料價格比較各方案的經(jīng)濟(jì)性。

由于表2是在選定利率為10%以及預(yù)計了系統(tǒng)使用壽命和投資期限的基礎(chǔ)上進(jìn)行的綜合經(jīng)濟(jì)比較,為了分析壽命周期費用評價計算結(jié)果的敏感度,利率分別選定為10%,8%和5%;計算結(jié)果如表3所示。

表3 各利率下總貼現(xiàn)值比較 萬元

4 各方案的比較

方案一和方案三是不采用分戶熱計量的,方案二和方案四采用分戶熱計量系統(tǒng),以燃煤耗量計量代替熱計量。方案二和方案四有兩種形式,其一是在雙管水平串聯(lián)采暖系統(tǒng)中每個房間的散熱器上安裝溫控閥裝置,一般100 m2左右房間需要5～6個裝置;其二是在地面輻射采暖分集水器上安裝熱量表,在每個環(huán)路上安裝溫控閥,一般100 m2左右房間需要4個裝置。兩種形式的室內(nèi)采暖系統(tǒng)造價的差別主要在于熱計量以及溫控設(shè)備裝置的購置上。一般認(rèn)為分戶計量可節(jié)能20%～30%[2],因此,各方案的初投資和運行費用都有變化。

5 結(jié)論

(1)每種方案在利率由10%,8%至5%整個范圍內(nèi),四個方案的總貼現(xiàn)值都隨利率減少而增加,且同一利率的兩個系統(tǒng)間,總現(xiàn)值的差額也隨之增加?？梢?當(dāng)貼現(xiàn)率最高時,兩種系統(tǒng)總現(xiàn)值之差額最小。這主要是因為在高利率下,日后每年所發(fā)生的等額費用相對于現(xiàn)值的貶值的程度較高,高利率可以有效地縮短可考慮投資的期限。

(2)表2和表3的結(jié)果表明,利率有效地制約著可考慮投資的最長期限。無論在有無分戶熱計量的情況下地板采暖都優(yōu)于散熱采暖,方案一的經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于方案三,方案二的經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于方案四。在無分戶熱計量時,方案一的地板采暖優(yōu)勢在于年折舊費、維護(hù)費明顯低于方案三的散熱器采暖,并且具有各戶獨立調(diào)節(jié)功能,而產(chǎn)生節(jié)能效果的作用;在有分戶熱計量時,方案二的地板采暖優(yōu)勢在于可以省去部分水電費,但由于熱量表以及溫控閥設(shè)備本生的價格較高,年總貼現(xiàn)的優(yōu)勢不是很明顯。隨著熱計量裝置的投資的降低,節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性將會逐漸凸現(xiàn)出來。在近期,使用熱計量裝置,目的還是激發(fā)起用戶的節(jié)能行為,這一裝置的直接結(jié)果是燃料使用量的降低,對于烏魯木齊這個冬季重污染城市而言,節(jié)能帶來的藍(lán)天效應(yīng)可立竿見影,環(huán)境成本可大大降低。

(3)采用燃煤為燃料時,燃料費用在總經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中所占權(quán)重比較大。在供暖系統(tǒng)設(shè)計方案選擇中應(yīng)充分重視鍋爐效率,系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性等影響運行費用的指標(biāo),不可單一追求降低初投資而造成日后運行費用增加。

(4)本文只就燃煤熱源供暖方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。供暖燃煤熱源的選擇還涉及諸如安全、污染排放控制等各方面的問題,應(yīng)綜合考慮。在工程壽命周期成本中,不僅包括資金意義上的成本,還包括環(huán)境成本、社會成本。

[1]孫德興等.低溫?zé)崴┡夹g(shù)推廣中尚需研究解決的問題[J].暖通空調(diào),2001,32(3):99-102.

[2]王榮光,沈天行,鄭維民.太陽能、地?zé)崂门c地板輻射供暖[J].建筑節(jié)能,2002,37:54-61.