江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)?成本分析

王本棟 張華玲 劉洪磊

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江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)?成本分析

王本棟1張華玲2劉洪磊3

（1.中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610081;2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；3.中國建筑科學(xué)研究院 北京 100013）

目前對(duì)區(qū)域供能的研究基本上是著眼于建筑能量消耗的多少而忽略了所消耗能源的品質(zhì)，實(shí)際建筑的耗能與能量的品質(zhì)關(guān)系密切，基于熱力學(xué)第二定律的?分析方法能更好地反映區(qū)域系統(tǒng)的耗能狀況。在對(duì)?分析和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的基礎(chǔ)上，利用?成本分析方法，建立江水源熱泵區(qū)域功能系統(tǒng)?成本分析模型。以實(shí)際的區(qū)域供能項(xiàng)目為背景，對(duì)江水源熱泵熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)和常規(guī)水冷機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行?成本對(duì)比分析，對(duì)江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)的應(yīng)用起到了指導(dǎo)意義。

江水源熱泵；常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)；年度化分析；?成本

0 引言

江水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)充分利用了水域溫度比較穩(wěn)定的特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)具有更高的效率，對(duì)于臨近水域的商業(yè)及辦公建筑更是一種具有吸引力的空調(diào)形式。目前對(duì)于江水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的研究都是從“能”的角度展開[1,2]，這種方法只是建立在“量”的守恒上，不能判斷出能量品質(zhì)的變化，所以常對(duì)能量系統(tǒng)的優(yōu)化和節(jié)能造成誤導(dǎo)，實(shí)際建筑的耗能與能量的品質(zhì)關(guān)系密切。?分析方法基于熱力學(xué)第二定律的?分析方法能更好地反映區(qū)域系統(tǒng)的耗能狀況，同時(shí)考慮了能源的數(shù)量和內(nèi)在品質(zhì)[3]。石惠嫻等人利用?分析方提出了太陽能熱泵沼氣工程供能系統(tǒng)優(yōu)化方法[4]。朱培根等人對(duì)熱泵空調(diào)器系統(tǒng)整體進(jìn)行?計(jì)算、分析和優(yōu)化，提出相應(yīng)的改進(jìn)部位和應(yīng)采取的措施[5]。然而，只考慮熱力學(xué)方面的?損和?效率分析而忽略經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際工程中沒有現(xiàn)實(shí)意義，因此，在熱力學(xué)分析的同時(shí)必須結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析[6]，這就是熱經(jīng)濟(jì)學(xué)，其在?分析方法和經(jīng)濟(jì)學(xué)分析的統(tǒng)一即為?成本分析方法。Lee和Sherif將單位產(chǎn)品的?成本作為一個(gè)重要的來分析吸收式熱泵系統(tǒng)[7,8]。龔光彩和曾巍等簡歷了水冷式熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)的?成本分析模型，并指出產(chǎn)品?成本是評(píng)價(jià)熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[9,10]。

本文基于?分析方法，建立江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源系統(tǒng)?分析模型，求得?成本計(jì)算式，以實(shí)際的區(qū)域供能項(xiàng)目為背景，對(duì)江水源熱泵熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)和常規(guī)水冷機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行?成本對(duì)比分析，對(duì)江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)的應(yīng)用起到了指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域供能及常規(guī)冷熱源系統(tǒng)成本分析計(jì)算模型

1.1 江水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)分析模型

應(yīng)用Algebraic?經(jīng)濟(jì)性分析模型，將整個(gè)江水源熱泵系統(tǒng)作為一個(gè)灰箱模型，包括江水取退水系統(tǒng)、熱泵機(jī)組及循環(huán)水泵、管網(wǎng)輸配系統(tǒng)。江水源區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)供冷系統(tǒng)在末端裝置差別不大，?分析模型未考慮末端用戶?；蚁浞治瞿Ｐ瓦吔缟蟽H有?輸入、冷（熱）量?輸出及整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的?損失。?流與資金流如圖1，括號(hào)外的是供冷工況下的?流及資金流參數(shù)，括號(hào)內(nèi)的是供熱工況下的?流及資金流參數(shù)。

圖1 江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析模型

可得供冷工況下的?成本方程：

式中：Ex為江水源取水系統(tǒng)獲得的冷?流，kJ；C為江水源取水系統(tǒng)獲得的冷?流的單價(jià)，元/kJ；C為電能單價(jià)，元/kJ；Ex1為供冷季取水泵耗電量的?值，kJ；Ex為熱泵機(jī)組供冷季耗電量的?值，kJ；Ex2為區(qū)域供冷系統(tǒng)外網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)耗電量的?值，kJ；1c為供冷系統(tǒng)的初投資，元；2c為供冷系統(tǒng)的維護(hù)成本，元；Ex為用戶側(cè)獲得冷?流，kJ；C為用戶側(cè)冷?流的單價(jià)，元/kJ；Ex1為取水系統(tǒng)損失的冷?流，kJ；C1為取水系統(tǒng)損失冷?流的單價(jià)，元/kJ；Ex2為輸配系統(tǒng)損失的冷?流，kJ；C2為輸配系統(tǒng)損失冷?流的單價(jià)，元/kJ。

江水源熱泵用戶側(cè)獲得的冷量?成本表示為：

為了更好的反映供冷工況與供熱工況的成本，同時(shí)讓兩者具有可比性，本文在分配供冷與供熱季的年度化初投資費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用時(shí)，采用按供冷季耗電量與供熱季耗電量的比例分配的方法，則供冷工況的初投資與維護(hù)費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中：1為系統(tǒng)初投資，元；2為系統(tǒng)維護(hù)成本，元；W為供冷季耗電量，kWh；W為供熱季耗電量，kWh。

供熱工況下水源熱泵系統(tǒng)的?成本平衡方程為：

式中：Ex為江水源取水系統(tǒng)獲得的熱?流，kJ；C為江水源取水系統(tǒng)獲得的熱?流的單價(jià)，元/kJ；C為電能單價(jià)，元/kJ；Ex1為取水泵供熱季耗電量的?值，kJ；Ex為熱泵機(jī)組供熱季耗電量的?值，kJ；Ex2為外網(wǎng)循環(huán)泵供熱季耗電量的?值，kJ；1h為供熱系統(tǒng)的初投資，元；2h為供熱系統(tǒng)的維護(hù)成本，元；Ex為用戶側(cè)獲得的熱?流，kJ；C為用戶側(cè)獲得的熱?流的單價(jià)，元/kJ；Ex1為取水系統(tǒng)損失的熱?流，kJ；C1為取水系統(tǒng)損失熱?流的單價(jià)，元/kJ；Ex2為輸配系統(tǒng)損失的熱?流，kJ；C2為輸配系統(tǒng)損失熱?流的單價(jià)，元/kJ。

則用戶側(cè)單位熱量?成本為：

依據(jù)（2）與（5）可計(jì)算江水源空調(diào)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的冷量和熱量?成本。

1.2 常規(guī)水冷機(jī)組+鍋爐系統(tǒng)?分析模型

常規(guī)冷熱源系統(tǒng)本文選擇最為常見的水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t為例進(jìn)行分析。其在供冷與供熱工況下的系統(tǒng)?流與資金流如下圖所示。

則可得供冷工況下的?成本方程如下：

式中：Ex為與室外大氣換熱排出的熱量?流，kJ；C為與室外大氣換熱排出熱量?流的單位成本，元/kJ；為系統(tǒng)供冷季耗電量的?值，kJ；（包括制冷機(jī)組，冷卻塔與冷卻水泵的能耗）；為供冷季供冷量的?值，kJ；為單位冷量?成本，元/kJ；1c為系統(tǒng)初投資，元；2c為系統(tǒng)維護(hù)成本，元。

則水冷機(jī)組單位冷量的?成本為：

認(rèn)為從環(huán)境中輸入的?值為0，即：

上式中其它參數(shù)的計(jì)算方法與江水源熱泵系統(tǒng)相同。

燃?xì)忮仩t具有效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在很多中央空調(diào)系統(tǒng)中作為熱源用于冬季供熱。其熱力學(xué)?成本分析模型如下。

鍋爐供熱的?成本方程為：

式中：Ex為燃?xì)馊紵尫艧崃康?值，kJ；C為燃?xì)馊紵尫艧崃?值的單位成本，元/kJ；Ex為供熱季供熱量的?值，kJ；C為單位熱量?成本，元/kJ；1gh為系統(tǒng)初投資，元；2gh為系統(tǒng)維護(hù)管理成本，元。

則鍋爐供熱系統(tǒng)單位熱量的?成本為：

1.3 年度化費(fèi)用計(jì)算

按照1.1和1.2節(jié)介紹算法求得能源系統(tǒng)的初投資、能耗費(fèi)用。維護(hù)管理費(fèi)用包括設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用和管理費(fèi)用，設(shè)備維護(hù)的年費(fèi)用可按系統(tǒng)投資的百分率計(jì)算。能源系統(tǒng)使用年限通常按照20年考慮，設(shè)備的維修費(fèi)用一般按照折舊費(fèi)的10%計(jì)算[12]。系統(tǒng)的管理費(fèi)用可根據(jù)具體的系統(tǒng)狀況確定管理維修人員，參照當(dāng)?shù)毓べY水平確定。殘值按照系統(tǒng)造價(jià)的百分比計(jì)算，本文取4%。

維護(hù)管理費(fèi)用及殘值后，即可求取系統(tǒng)壽命周期成本。為使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)狀況，不可簡單地根據(jù)能源系統(tǒng)使用年限將上述計(jì)算結(jié)果疊加。計(jì)算系統(tǒng)壽命周期成本需要考慮資金的時(shí)間價(jià)值，本文采用年度化費(fèi)用對(duì)上述計(jì)算結(jié)果整合。將項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)的各種費(fèi)用按時(shí)間價(jià)值折合到每一年中，即把所有考慮了資金的時(shí)間價(jià)值的費(fèi)用按照項(xiàng)目的生命周期進(jìn)行每年均攤，這種計(jì)算費(fèi)用稱之為年度化費(fèi)用。能源系統(tǒng)的年度化費(fèi)用（EUAC）按下式計(jì)算[13,14]：

式中：D為年度化費(fèi)用（EUAC），元；為資本回收系數(shù)；為初投資，元；為設(shè)備殘值，按初投資費(fèi)用的4%計(jì)算，元；F為年的價(jià)格換算系數(shù)；C為第年能源系統(tǒng)能耗費(fèi)用，元；C為第年能源系統(tǒng)維護(hù)管理費(fèi)用，元；為年利率，通常取8%；為能源系統(tǒng)使用年限。

本文在進(jìn)行有關(guān)經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)均是采用年度化費(fèi)用法。

2 能量成本分析模型

以系統(tǒng)輸出的冷（熱）量作為成本分析的基礎(chǔ)，將年度化初投資及運(yùn)營費(fèi)之和進(jìn)行能量單位化，其模型與?成本相似，不同的是將?流換成供冷（熱）量。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 冷熱量計(jì)算

在得出各種能源方案的計(jì)算方法和計(jì)算式之后，要對(duì)各方案進(jìn)行壽命周期成本分析。本次計(jì)算中以某中央商務(wù)區(qū)為例[11]，該中央商務(wù)區(qū)區(qū)域占地面積226.03公頃，總計(jì)建筑面積為652.60萬平方米，其中地上建筑面積542.60萬平方米，地下建筑面積110.00萬平方米。方案1為江水源區(qū)域供能系統(tǒng)，方案2為常規(guī)水冷機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)。計(jì)算內(nèi)容包括各種方案的初投資、能耗費(fèi)用、維護(hù)管理費(fèi)用和殘值的計(jì)算。由于江水源區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)末端裝置差別不大，因而未將末端裝置的初投資及年度運(yùn)行費(fèi)用算入。分別統(tǒng)計(jì)兩種方案費(fèi)用，如下：方案一中，初投資包括：土建費(fèi)用、能源站房設(shè)備及安裝費(fèi)用、管網(wǎng)費(fèi)用、自控費(fèi)用及工程建設(shè)其他費(fèi)用；運(yùn)行費(fèi)用由取水系統(tǒng)、能源站、管網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成。方案二中，初投資包括各機(jī)房設(shè)備及安裝費(fèi)用、土建費(fèi)用、機(jī)房土地費(fèi)、自控費(fèi)用及工程建設(shè)其他費(fèi)用；運(yùn)行費(fèi)包含供冷季冷水機(jī)組電耗、冷卻塔電耗、冷卻水泵電耗、補(bǔ)水費(fèi)；供熱季運(yùn)行費(fèi)用包括鍋爐燃?xì)赓M(fèi)用。

統(tǒng)計(jì)江水源區(qū)域供冷系統(tǒng)和常規(guī)能源系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行能耗、維護(hù)管理費(fèi)用、折舊費(fèi)用等如下所示。

表1 區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)及全年均值費(fèi)用

計(jì)算?值時(shí)供冷/供熱時(shí)的冷凍水/熱水溫度按供回水溫度的平均值計(jì)算。設(shè)計(jì)的供冷時(shí)的供回水溫度為7/12℃，供熱時(shí)的供回水溫度為55/50℃。計(jì)算供冷供熱?值時(shí)以大氣環(huán)境溫度作為基準(zhǔn)溫度。為了提高計(jì)算精度，更貼近實(shí)際的?值狀況，本文采用對(duì)不同BIN氣象溫度下的供冷供熱量進(jìn)行單獨(dú)的?值計(jì)算，可有效減小供冷供熱季采用室外平均溫度計(jì)算帶來的誤差。夏季供冷季從5月15日到9月15日，共124天，時(shí)間為8:00-22:00；供熱季從12月15日到2月28日，時(shí)間為8:00-22:00。采用BIN溫度計(jì)算的供冷量供熱量和冷熱量?值如下表5.36和表5.75所示。

表2 供冷時(shí)間頻率及負(fù)荷

由上可以看出，年供冷量為49532×10-3kWh，年供冷量?值為3861×10-3kWh。

由上可以看出，年供熱量為22021××10-3kWh，年供熱量?值為2943×10-3kWh。

表3 供熱時(shí)間頻率

3.2 冷熱量成本計(jì)算

計(jì)算冷量成本和熱量成本需要對(duì)初投資及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分配。按式3對(duì)制冷工況和制熱工況進(jìn)行初投資、能耗費(fèi)用、維護(hù)管理費(fèi)用、殘值的分配，分配結(jié)果如下。

表4 區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷與制熱工況費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

區(qū)域供能系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷工況與制熱工況的全年均值費(fèi)用如下。

表5 區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷與制熱工況費(fèi)用年值

3.3 能成本及?成本

根據(jù)表5得到的兩種能源方案的全年均值費(fèi)用及在第四章介紹的單位冷熱量的?成本和能量成本的計(jì)算模型可以得到兩種能源方案的供冷和供熱工況下單位冷量和熱量的能量成本和?成本，計(jì)算結(jié)果見下表。

表6 區(qū)域供冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能成本及?成本對(duì)比

對(duì)比上表兩種能源方案的計(jì)算結(jié)果可知，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)單位冷量成本比區(qū)域供冷系統(tǒng)單位冷量成本高出28.7%，冷量?成本常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)比區(qū)域供冷系統(tǒng)高出29.0%；常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)單位熱量成本比區(qū)域供能系統(tǒng)單位熱量成本低25.0%，單位熱量?成本常規(guī)燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)比區(qū)域供能系統(tǒng)低23.9%。通過比較可見，能分析方法和?分析方法在節(jié)能量上得到的結(jié)果基本一致，即區(qū)域供能系統(tǒng)單位冷量成本和單位冷量?成本均明顯低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，區(qū)域供能系統(tǒng)單位熱量成本和單位熱量?成本略高于燃?xì)忮仩t系統(tǒng)?？紤]制冷工況所占比例明顯大于制熱工況，且江水源區(qū)域供能系統(tǒng)單位冷量成本和單位冷量?成本顯著大于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，推薦采用區(qū)域供能系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文建立了江水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)及常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的?分析及單位冷量、熱量?成本，闡述了計(jì)算公式中未知參數(shù)的確定方法。研究了區(qū)域供能系統(tǒng)初投資、運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算，并運(yùn)用考慮了資金時(shí)間價(jià)值的年度化費(fèi)用方法對(duì)初投資、能耗費(fèi)用、維護(hù)管理費(fèi)用和殘值整合。兩種能源方案下的冷量?成本分別為19.22元/kWh，24.80元/kWh；熱量?成本分別為7.11元/kWh和5.74元/kWh；結(jié)合所在項(xiàng)目具體冷熱需求，采用江水源熱泵系統(tǒng)更加節(jié)能。

[1] 程麗莉,盧軍,單洪浩,等.區(qū)域供能系統(tǒng)中江水源熱泵制冷系統(tǒng)能效分析[J].煤氣與熱力,2014,35(9): A01- A04.

[2] 白雪蓮,劉寧毅,林真國.水源熱泵綜合節(jié)能技術(shù)的工程應(yīng)用分析[J].制冷與空調(diào),2012,26(1):12-17.

[3] 郭進(jìn)軍,何雅玲,陶文銓.空氣源制冷/熱泵系統(tǒng)的分析[J].制冷與空調(diào), 2002,2(5):17-22．

[4] 石惠嫻,呂濤,朱洪光,等.太陽能熱泵沼氣工程供能系統(tǒng)?分析與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(1):143- 149.

[5] 朱培根.風(fēng)冷熱泵空調(diào)器節(jié)能?分析與優(yōu)化[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2001,2(1):66-69.

[6] 楊東華.熱經(jīng)濟(jì)學(xué)（第一版）[M].上海：華東化工學(xué)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] 龔光彩,曾巍.基于?方法的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化決策[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27:942-950.

[10] 龔光彩,馮啟輝,蘇歡,等.土壤源熱泵系統(tǒng)的?成本分析[J].制冷技術(shù),2011,39(12):53-56.

[11] 王本棟,張華玲.重慶江北城CBD區(qū)域2號(hào)能源站運(yùn)行現(xiàn)狀及分析[J].重慶建筑,2014,13(6):63-65.

[12] 石建中,劉堂文.暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的LCC概念[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2002,28(7):27-28.

[13] 壽青云,陳汝東.壽命周期成本分析在區(qū)域供冷供熱評(píng)價(jià)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力,2006,26(4):51-54.

[14] 董士波.全生命周期工程造價(jià)管理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),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

王本棟（1990-），男，碩士，工程師，E-mail：wangbendong2008@163.com

2016-10-20