蒸氣壓縮循環(huán)蒸發(fā)冷卻式冷水熱泵機(jī)組用于商業(yè)建筑的經(jīng)濟(jì)性研究

程嘉穎　陳剛

摘 要：作蒸發(fā)式冷凝機(jī)組應(yīng)用于商業(yè)建筑的前景分析?；谀彻こ虒?shí)例，介紹了該機(jī)組在夏季制冷工況下的設(shè)計(jì)思路，并根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)上生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，分析了初投資、運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，以計(jì)算投資回收期。結(jié)果表明，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組能有效節(jié)省運(yùn)行能耗，并且相對(duì)于常規(guī)水冷機(jī)組，其投資回收期分別為3.9年（含螺桿式壓縮機(jī)）和5.4年（含磁懸浮離心式壓縮機(jī)）。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)式冷凝機(jī)組；商業(yè)建筑；性能系數(shù)；運(yùn)行能耗；空調(diào)；制冷

中圖分類號(hào)：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0055-03

Abstract： The application prospect of evaporative condensing unit in commercial buildings is analyzed. Based on an engineering example， the design idea of the unit under summer refrigeration condition is introduced， and the initial investment， operation cost and maintenance cost are analyzed according to the data provided by the manufacturers in the market at present， in order to calculate the payback period of the investment. The results show that the evaporative condensing unit can effectively save energy consumption， and the investment recovery period is 3.9 years （including screw compressor） and 5.4 years （including magnetic suspension centrifugal compressor）， respectively， compared with the conventional water cooling unit.

Keywords： evaporative condensing unit； commercial building； coefficient of performance； operational energy consumption； air conditioning； refrigeration

引言

近年來我國(guó)建筑面積持續(xù)增長(zhǎng)[1]，建筑的運(yùn)行能耗巨大[2]，因此解決建筑節(jié)能已成為我國(guó)節(jié)能減排的一項(xiàng)重大問題[3，4]。蒸氣壓縮循環(huán)蒸發(fā)冷卻式冷水（熱泵）機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“蒸發(fā)式冷凝機(jī)組”），是將空調(diào)系統(tǒng)中的常規(guī)空調(diào)水冷機(jī)組的冷凝器和冷卻塔集成，具有傳熱系數(shù)高、冷凝溫度低，可以節(jié)省系統(tǒng)能耗的特點(diǎn)。以某一工程為例，本文對(duì)該機(jī)組作經(jīng)濟(jì)性分析，并計(jì)算其投資回收期，以探討其應(yīng)用于商業(yè)建筑的前景。

1 工程概況

該商業(yè)項(xiàng)目位于南京，地處夏熱冬冷地區(qū)，總建筑面積約14萬m2，其中商業(yè)建筑面積為90316m2。

該地區(qū)不考慮峰谷電價(jià)。

2 技術(shù)分析

2.1 冷負(fù)荷計(jì)算與冷源選型

根據(jù)商業(yè)建筑面積（90316m2），估算系統(tǒng)冷負(fù)荷為2750 RT（合9670kW）。

筆者收集了當(dāng)前市場(chǎng)上生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝機(jī)組的9家廠家的資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前市場(chǎng)上的蒸發(fā)式冷凝機(jī)組，可根據(jù)換熱器類型分為板管式換熱器和降膜式換熱器，其系統(tǒng)SCOP分別為4.8和5。在工程上可認(rèn)為沒有明顯的差距，因此本文重點(diǎn)分析降膜式換熱器構(gòu)成的蒸發(fā)式冷凝器；另外，當(dāng)前多數(shù)廠家生產(chǎn)由螺桿式壓縮機(jī)構(gòu)成的蒸發(fā)式冷凝機(jī)組，少數(shù)會(huì)生產(chǎn)由磁懸浮離心式壓縮機(jī)構(gòu)成的機(jī)組，其SCOP為8。

總之，考慮其冷源：（1）采用4臺(tái)700 RT的常規(guī)水冷式機(jī)組；（2）采用8臺(tái)350 RT的螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組；（3）采用8臺(tái)350 RT的磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組。

2.2 部分負(fù)荷小時(shí)數(shù)

筆者收集了南京某一實(shí)際商業(yè)項(xiàng)目在2017年全年的運(yùn)行數(shù)據(jù)（如表1所示），從中篩選出在制冷季節(jié)（5月1日至10月15日），該項(xiàng)目的部分負(fù)荷運(yùn)行情況；再將部分負(fù)荷分為10項(xiàng)，分別為10%，20%，30%……100%等十種情況，得到每一種部分負(fù)荷，在全年出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。

根據(jù)部分負(fù)荷的運(yùn)行情況，70%負(fù)荷情況（1925 RT）的出現(xiàn)次數(shù)最高，為437小時(shí)，而100%滿負(fù)荷的情況（2750 RT）的出現(xiàn)次數(shù)最少，僅為2小時(shí)。

值得注意的是，10%-40%的部分負(fù)荷小時(shí)數(shù)占整個(gè)制冷季節(jié)的71%。這提醒我們，系統(tǒng)選型過大是常見的問題，實(shí)際運(yùn)行時(shí)部分負(fù)荷可能會(huì)過小。

3 經(jīng)濟(jì)分析

3.1 初投資

三種形式冷源的初投資匯總?cè)绫?所示。

首先，常規(guī)水冷式機(jī)組由離心式水冷機(jī)組、冷卻塔、水泵及附件組成，此處主要分為離心式水冷機(jī)組和冷卻塔等水系統(tǒng)附件兩項(xiàng)，前者設(shè)備單價(jià)為1600元/RT，后者為500元/kg水量。根據(jù)該系統(tǒng)的冷負(fù)荷為2750RT，因此離心式水冷機(jī)組的設(shè)備總價(jià)為440萬元，而計(jì)算冷卻塔水量時(shí)因?yàn)榭紤]余量，故將冷卻塔水量所帶的冷負(fù)荷乘以1.3的系數(shù)。再根據(jù)其設(shè)備單價(jià)，計(jì)算得出冷卻塔的設(shè)備總價(jià)為108萬元。兩者的安裝費(fèi)均考慮為設(shè)備總價(jià)的20%；BA控制器均為設(shè)備總價(jià)的10%。水、水泵及附件總價(jià)為水冷機(jī)組和冷卻塔設(shè)備總價(jià)和安裝費(fèi)總和的50%。因此，常規(guī)水冷式機(jī)組的初投資總價(jià)為1041萬元。

其次，螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組的設(shè)備單價(jià)為4000元/RT，按照冷負(fù)荷2750 RT計(jì)算可得設(shè)備總價(jià)為1100萬元，其安裝費(fèi)為設(shè)備總價(jià)的10%，BA控制費(fèi)暫以20萬元計(jì)算。所以，螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組的初投資總價(jià)為1230萬元，比常規(guī)機(jī)組增加了20%。

類似地，磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組的設(shè)備單價(jià)為5500元/RT，按照冷負(fù)荷2750 RT計(jì)算可得設(shè)備總價(jià)為1512萬元，其安裝費(fèi)定為110萬元，BA控制費(fèi)暫以20萬元計(jì)算。因此，螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組的初投資總價(jià)為1642萬元，比常規(guī)機(jī)組增加了60%。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)部分負(fù)荷運(yùn)行情況，以及電費(fèi)0.8033元/kWh，和三種機(jī)組的系統(tǒng)性能系數(shù)SCOP（離心式水冷機(jī)組為4.6，螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組和磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組分別為5和8），可計(jì)算得到它們的年運(yùn)行能耗（如表3和圖1所示，分別為計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果）。

蒸發(fā)式冷凝機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用顯著小于常規(guī)離心式水冷機(jī)組。螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組為186萬元，磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組為123萬元，常規(guī)水冷機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用為213萬元，因此蒸發(fā)式冷凝機(jī)組分別是常規(guī)水冷機(jī)組的87%和58%。

由此說明，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組在運(yùn)行過程中有助于節(jié)省能耗，也論證了上文所述的性能系數(shù)SCOP高。這是因?yàn)椋舭l(fā)式冷凝機(jī)組在結(jié)構(gòu)上將冷凝器和冷卻塔集成為一體，由此可以節(jié)省水量和水泵能耗，且節(jié)省幅度很大。

3.3 維護(hù)費(fèi)用

蒸發(fā)冷凝機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用約為常規(guī)水冷式機(jī)組的50%。如表4所示：常規(guī)水冷式機(jī)組每年維護(hù)費(fèi)用為41萬元，而蒸發(fā)式冷凝機(jī)組無論是螺桿式壓縮機(jī)構(gòu)成還是磁懸浮離心式壓縮機(jī)構(gòu)成，其維護(hù)費(fèi)用都為20萬元/年，是常規(guī)水冷機(jī)組的約50%。

3.4 投資回收期

將維護(hù)費(fèi)和運(yùn)行能耗的和作為每年的運(yùn)行費(fèi)用，得到螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組和磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組分別對(duì)于常規(guī)離心式水冷機(jī)組的差值；類似地，得到初投資的差值后，將初投資的差值除以運(yùn)行費(fèi)用的差值，計(jì)算得到投資回收期。

考慮到供貨膨脹，實(shí)際的回收期可能會(huì)久于當(dāng)前計(jì)算所得的投資回收期。由于具體的增長(zhǎng)系數(shù)無法確定，因此以靜態(tài)回收期作為計(jì)算和評(píng)價(jià)依據(jù)，作為后續(xù)系統(tǒng)選型的參考依據(jù)。

根據(jù)計(jì)算過程和結(jié)果（如表5所示），螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組與常規(guī)離心式水冷機(jī)組的投資回收期為3.9年，磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組為5.4年。由于投資回收期都在6年以內(nèi)，我們認(rèn)為可接受。

結(jié)果表明，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組在運(yùn)行3-5年后，由于其在年運(yùn)行費(fèi)用上具有顯著優(yōu)勢(shì)，會(huì)比常規(guī)離心式水冷機(jī)組節(jié)省費(fèi)用。這意味著，該機(jī)組前期的高投入會(huì)在3-5年后與常規(guī)冷水式機(jī)組持平，并在之后更為節(jié)能節(jié)電。不過，實(shí)際回收期由于通貨膨脹，會(huì)比當(dāng)前計(jì)算所得的3-5年更久。

4 結(jié)束語

本文對(duì)蒸發(fā)式冷凝機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以作其應(yīng)用于商業(yè)建筑的前景分析。以南京的某一具體商業(yè)項(xiàng)目為例，分別將兩種類型的蒸發(fā)式冷凝機(jī)組，和常規(guī)水冷式制冷機(jī)組作為討論對(duì)象，計(jì)算投資成本和運(yùn)行能耗，并得到它們的投資回收期。

蒸發(fā)式冷凝機(jī)組的初投資較高，但維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行能耗低于常規(guī)水冷機(jī)組。兩種壓縮機(jī)形式的蒸發(fā)式冷凝機(jī)組（螺桿機(jī)和磁懸浮離心機(jī)），初投資分別比常規(guī)機(jī)組增加了20%和60%，維護(hù)費(fèi)用則相當(dāng)于常規(guī)水冷機(jī)組的約50%。蒸發(fā)式冷凝機(jī)組（螺桿機(jī)和磁懸浮離心機(jī)）的運(yùn)行能耗分別是常規(guī)水冷機(jī)組的87%和58%。

螺桿式蒸發(fā)冷凝機(jī)組與常規(guī)離心式水冷機(jī)組的靜態(tài)回收期為3.9年，磁懸浮蒸發(fā)冷凝機(jī)組為5.4年。投資回收期低于6年，我們認(rèn)為在可接受范圍內(nèi)。不過，由于通貨膨脹，實(shí)際回收期會(huì)比3-5年更久。

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