董長進(jìn) 魏展雄

中國建筑科學(xué)研究院深圳分院

1 水蓄冷空調(diào)節(jié)能經(jīng)濟(jì)評價(jià)理論基礎(chǔ)

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)，一般對方案全壽命周期[1]的增量成本進(jìn)行核算，采用回收期、投資收益率、凈現(xiàn)值、將來值、凈年值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算分析和評價(jià)方法，對互斥型項(xiàng)目方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)。

1.1 水蓄冷節(jié)能項(xiàng)目增量成本

水蓄冷空調(diào)項(xiàng)目的全壽命周期增量成本LCC計(jì)算，包括土建投資增量成本C土建，機(jī)房設(shè)備增量成本C機(jī)房，水池（水槽或水罐）增量成本C水池，電力及自控增量成本C電力和運(yùn)營管理增量成本，則有：

1.2 互斥型項(xiàng)目方案評價(jià)方法

對多個(gè)互斥型項(xiàng)目方案采用互斥型方案的靜態(tài)指標(biāo)優(yōu)選方法中的增量投資分析法進(jìn)行評價(jià)。假定常規(guī)空調(diào)方案1的投資成本為I1，各年使用成本為C1。蓄冷空調(diào)方案2的投資成本為I2，各年使用成本為C2，項(xiàng)目全壽命周期假設(shè)為n年。

1）空調(diào)方案增量投資回收期

蓄冷方案增量投資回收期計(jì)算公式為：

2）蓄冷增量投資收益率

3）增量投資凈現(xiàn)值、將來值、凈年值

a、增量投資凈現(xiàn)值（△NPV）是指用在空調(diào)行業(yè)設(shè)定的折現(xiàn)率ic，將蓄冷空調(diào)方案在整個(gè)計(jì)算期間內(nèi)各年所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量之差，皆折現(xiàn)到蓄冷空調(diào)投資方案開始實(shí)施的現(xiàn)值之和，其計(jì)算見以式（4）：

式中：△NPV為凈現(xiàn)值；(CI-C0)為第t年的凈現(xiàn)金流量；ic為基準(zhǔn)收益率；n為方案計(jì)算期。

b、增量投資凈將來值（△NFV）是將每年的凈收益與等額資金系列終值系數(shù)相乘，初期投資額與一次支付值系數(shù)相乘，兩者再相減進(jìn)行差額比較。

c、增量投資凈年值（△NAV）是將初投資額資金回收系數(shù)，再將其折算成等額年值。

故當(dāng)△NPV2-1、△NFV2-1、△NAV2-1≥0 時(shí)，則選擇蓄冷空調(diào)方案投資大的節(jié)能空調(diào)方案，反正，則選擇常規(guī)空調(diào)投資較小的空調(diào)方案。

2 水蓄冷方案的增量成本與效益測算

2.1 增容費(fèi)政策

合肥市對用電用戶收取增容費(fèi)，雙回路每kVA收取2000～3000元。用電增容費(fèi)計(jì)算公式：

式中：Sz為用電增容費(fèi)，元；Pz為每kVA用電增容費(fèi)，元/kVA；Qz為變壓器增加容量，kVA。

2.2 蓄冷項(xiàng)目空調(diào)節(jié)電增量效益參數(shù)

2.2.1 增量效益

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的全生命周期增量效益分為增量經(jīng)濟(jì)效益，增量環(huán)境效益和增量社會(huì)效益，其中經(jīng)濟(jì)效益為直接效益，環(huán)境效益和社會(huì)效益為間接效益[1]。

2.2.2 水蓄冷項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益

水蓄冷對用電可進(jìn)行削峰填谷，平衡電網(wǎng)，減少峰值負(fù)荷電力電站投資，而且優(yōu)化資源配置，帶來社會(huì)效益。

1）水蓄冷項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益

各用電時(shí)段電量及電費(fèi)為：

式中：E 為項(xiàng)目全壽命周期電費(fèi)，元；Ph、Pd、PL分別為第t年高峰、平峰及低谷時(shí)電價(jià)，元 /kWh；Dh、Dd、DL分別為第 t年高峰、平峰、低谷天數(shù)；Qh、Qd、QL第 t年高峰、平峰、低谷節(jié)約電量，kWh；Q為年高峰、平峰、低谷節(jié)約總電量，kWh。

綜上所述，節(jié)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益為節(jié)約的設(shè)施費(fèi)和節(jié)電效益總和。

2）水蓄冷系統(tǒng)節(jié)省設(shè)備費(fèi)用

水蓄能空調(diào)主機(jī)和變壓器設(shè)備的初始投資設(shè)備費(fèi)，直接計(jì)算其節(jié)約的電量。其中，節(jié)省的空調(diào)和變壓器設(shè)施費(fèi)為：

式中：P表示價(jià)格，Q表示數(shù)量。

3）空調(diào)節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益

本論文的水蓄冷技術(shù)項(xiàng)目給冬季空調(diào)節(jié)電增量效益有：蒸汽換熱后凝結(jié)水回收帶來的效益，此部分蓄冷水池兼作冬季蒸汽冷凝熱回收利用供空調(diào)采暖，達(dá)到節(jié)水和節(jié)能目的，同時(shí)帶來一定經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)水項(xiàng)目增量經(jīng)濟(jì)效益為：

式中：E節(jié)水為節(jié)水增量效益，元；P水價(jià)為第t年的水價(jià)，元 /m3；Q 節(jié)水為年節(jié)水量，m3。

3 水蓄冷方案經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為安徽廣播電影電視局新中心，位于合肥政務(wù)新區(qū)。建設(shè)總用地面積163013.25 m2，新中心占地273畝，建筑最高44層，主樓高301 m，水平長約600 m，總建設(shè)規(guī)模約40萬m2，為合肥市最高最長建筑。

3.2 項(xiàng)目空調(diào)設(shè)計(jì)方案與內(nèi)容

3.2.1 項(xiàng)目空調(diào)設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目冬季采用蒸汽換熱空調(diào)采暖形式。夏季可采用水蓄能+常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)、冰蓄冷+常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)或完全常規(guī)電制冷中央空調(diào)系統(tǒng)。由于用戶使用的空調(diào)末端一樣，本項(xiàng)目只對能源中心的冷熱源進(jìn)行分析。

經(jīng)清華斯維爾負(fù)荷計(jì)算軟件對該項(xiàng)目進(jìn)行逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，根據(jù)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算，最大冷負(fù)荷約46000 kW，最大冷負(fù)荷日總負(fù)荷約395000 kWh。

3.2.2 項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)冬夏冷熱源方案

空調(diào)系統(tǒng)能耗由系統(tǒng)管路，冷熱源設(shè)備，過濾設(shè)備，末端設(shè)備以及循環(huán)設(shè)備等能耗組成。本項(xiàng)目空調(diào)冷源可選擇三種方式，即常規(guī)電制冷方式、水蓄冷+電制冷方式和冰蓄冷+電制冷方式。成本分析時(shí)不考慮安裝成本，三種空調(diào)方案計(jì)算投資時(shí)其它設(shè)備及系統(tǒng)安裝費(fèi)基本相同，本文對其它安裝費(fèi)不涉及增量成本，省略安裝費(fèi)項(xiàng)目。

1）常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)逐時(shí)冷熱負(fù)荷分析，常規(guī)空調(diào)采用電制冷冷水機(jī)組、汽水換熱機(jī)組、水泵、水處理設(shè)備、膨脹水箱、冷凝器清洗設(shè)備等，其設(shè)備選型略。其常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備及價(jià)格匯總約2263.63萬元。

2）水蓄冷+常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)逐時(shí)冷熱負(fù)荷分析，水蓄冷系統(tǒng)仍采用常規(guī)空調(diào)采用電制冷冷水機(jī)組、汽水換熱機(jī)組、水泵、水處理設(shè)備、膨脹水箱、換熱器、冷凝器清洗設(shè)備等。設(shè)計(jì)選型根據(jù)最大冷負(fù)荷約46000 kW及熱負(fù)荷，最大冷負(fù)荷日總負(fù)荷約395000 kWh，按經(jīng)濟(jì)蓄冷率0.3考慮，需蓄冷約118500 kWh，系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)供回水溫：6/13℃，蓄冷側(cè)供回水溫：4/11℃，蓄冷槽的最低蓄冷溫度設(shè)計(jì)為4℃，夏季冷凍水的最大蓄冷溫差、△T=11-4=7℃，系統(tǒng)設(shè)備選型略。該系統(tǒng)主要設(shè)備及價(jià)格匯總約2690.5萬元（電力增容費(fèi)按合肥供電局規(guī)定，本項(xiàng)目按2000元/kVA測算，減少電力投資160萬元）。

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)不同工況時(shí)節(jié)能運(yùn)行需采用運(yùn)行策略(略)。

3）冰蓄冷+常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)選型根據(jù)最大冷負(fù)荷約46000 kW及熱負(fù)荷，最大冷負(fù)荷日總負(fù)荷約395000 kWh，按經(jīng)濟(jì)蓄冷率0.3考慮，需蓄冷約118500 kWh，選擇合資制冷、蓄冰設(shè)備。采用制冷機(jī)組和蓄冰裝置并聯(lián)的流程。載冷劑是質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為25%的乙烯乙二醇溶液?？照{(diào)夏季供冷工況參數(shù)為：冷凍液溫度6℃/11℃，空調(diào)供、回水溫度為6℃/12℃，雙工況機(jī)組蓄冰工況參數(shù)為：冷凍液-4℃/-0.5℃。蓄冰裝置選擇蓄冰盤管及混凝土冰槽等。運(yùn)行策略參照水蓄冷運(yùn)行策略。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備及價(jià)格約3041.01萬元。

3.3 項(xiàng)目空調(diào)方案增量成本測算

通過對安徽廣播電視新中心項(xiàng)目節(jié)能空調(diào)方案分析，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)方案相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)約變壓器容量約2662 kVA，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)約變壓器容量約2668 kVA，合肥地區(qū)電力增容費(fèi)為2000元/kW，變壓器150～180元/kVA，由式（1）～（6）計(jì)算出設(shè)備增量成本、減少的電力增容費(fèi)及電力減少的投資成本。

①與常規(guī)空調(diào)相比水蓄冷系統(tǒng)增量成本

△I1=3382.65-2263.63=1108萬元

節(jié)省電力增容費(fèi)和電力系統(tǒng)投資成本E節(jié)能設(shè)施 =2662×2000+2662×150=572 萬元

初投資增量成本△I=1108-572=536萬元

②與常規(guī)空調(diào)相比冰蓄冷系統(tǒng)增量成本

△I1=3694.61-2263.63=1431萬元

節(jié)省電力增容費(fèi)和電力系統(tǒng)投資成本E節(jié)能設(shè)施=2668×2000+2668×150=574萬元

初投資增量成本△I=1431-574=857萬元

3.4 項(xiàng)目空調(diào)方案經(jīng)濟(jì)效益測算

3.4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

合肥市蓄能后峰谷分時(shí)電價(jià)相關(guān)政策，分時(shí)電價(jià)表（表1）如下：

空調(diào)夏季運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算，通過分析蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算可得出常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)和蓄冷空調(diào)系統(tǒng)兩部分運(yùn)行電費(fèi)。夏季需要空調(diào)按每年180天計(jì)算供冷期對系統(tǒng)進(jìn)行分析。100%空調(diào)負(fù)荷約24天，75%空調(diào)負(fù)荷約60天，50%空調(diào)負(fù)荷約60天，25%空調(diào)負(fù)荷約36天。

3.4.2 空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)方案節(jié)能效益測算

1）空調(diào)運(yùn)行年運(yùn)行電量測算

三種方案夏季空調(diào)運(yùn)行根據(jù)不同運(yùn)行策略100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷、25%負(fù)荷率全年分別為24、60、60、36天，高峰每天運(yùn)行3小時(shí)，平峰每天7小時(shí)計(jì)算，由式（8）～（11）。

①夏季常規(guī)空調(diào)每小時(shí)總用電量12133 kW，高峰時(shí)段每天用電3 h，平峰每天用電7 h，100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷、25%負(fù)荷率時(shí)小時(shí)用電量分別為12133 kW、9099 kW、6066 kW、3033 kW，年運(yùn)行電量：

②夏季水蓄冷+常規(guī)空調(diào)每小時(shí)總用電量：根據(jù)運(yùn)行策略，空調(diào)系統(tǒng)100%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為9471 kW、9111 kW、3416 kW；75%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為2235 kW、8299.9 kW、3416kW。50%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為1490 kW、3746 kW、3416 kW。25%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為745 kW、745 kW、3416 kW。高峰時(shí)段每天用電3h，平峰每天用電7h，低谷空調(diào)末端不耗電，只計(jì)算蓄冷設(shè)備電量3416 kW，蓄冷設(shè)備每晚運(yùn)行50%以上負(fù)荷率運(yùn)行8 h，25%負(fù)荷率時(shí)蓄冷運(yùn)行 7.5 h，由公式（8）～（11）年運(yùn)行電量：

與常規(guī)空調(diào)相比，總電量△Q=13103640-13000118=103522 kWh

節(jié)省電量比例 i=△Q/Q常=103522/13103640=0.79%。

③夏季冰蓄冷+常規(guī)空調(diào)每小時(shí)總用電量：根據(jù)運(yùn)行策略，空調(diào)系統(tǒng)100%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為9465 kW、9465 kW、4850 kW。75%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為2967 kW、8199.9 kW、4850 kW。50%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為1978 kW、4333 kW、4850 kW。25%負(fù)荷率時(shí)高峰平峰每小時(shí)用電量分別為989 kW、989 kW、4850 kW；高峰時(shí)段每天用電3h，平峰每天用電7 h，低谷空調(diào)末端不耗電，只計(jì)算蓄冷設(shè)備電量4850 kW，蓄冷設(shè)備每晚運(yùn)行50%以上負(fù)荷率運(yùn)行8 h，25%負(fù)荷率時(shí)蓄冷運(yùn)行 7.5 h，由式（8）～（11）年運(yùn)行電量：

與常規(guī)空調(diào)相比，總電量△Q×13103640-15678324=-2574684 kWh

節(jié)省電量比例i=△Q/Q常=2574684/13103640=19.6%。

④夏季水蓄冷、冰蓄冷電量與常規(guī)空調(diào)年運(yùn)行電量相比年轉(zhuǎn)移高峰時(shí)段、平峰時(shí)段電量及開發(fā)低谷電量為：

水蓄冷：年轉(zhuǎn)移高峰時(shí)段電量Qh1=Qh0-Qh水=2524014 kWh

年轉(zhuǎn)移平峰時(shí)段電量Qd1=Qd0-Qd水=2437060 kWh

年開發(fā)低谷時(shí)段電量QL=4857552 kWh

冰蓄冷：年轉(zhuǎn)移高峰時(shí)段電量Qh2=Qh0-Qh冰=2252700 kWh

年轉(zhuǎn)移平峰時(shí)段電量Qd2=Qd0-Qd=2069316 kWh

年開發(fā)低谷時(shí)段電量QL=6896700 kWh

2）空調(diào)方案經(jīng)濟(jì)效益測算

三種方案夏季空調(diào)根據(jù)不同運(yùn)行策略運(yùn)行費(fèi)用根據(jù)式（12）及合肥峰谷分時(shí)電價(jià)表1：

①夏季常規(guī)空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用E常=3931092×1.1928+9172548×0.7975=1200萬元

②水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用E=1407078×1.1928+6735488×0.7975+4857552×0.3104=855萬元

③冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用E冰=1678392×1.1928+7103232×0.7975+6896700×0.3104=980萬元

④空調(diào)節(jié)水節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益測算

本論文僅分析蒸汽冷凝水回收帶來的效益。蒸汽冷凝回收余熱儲(chǔ)存在水池里，通過換熱后供給冬季空調(diào)采暖系統(tǒng)，通過換熱后的溢水用于其它澆灌。蒸汽冷凝水回收熱水每天10 h，流量40 m3/h，5.75kW/(h·m3)。根據(jù)式（14）：

E節(jié)水=40×2.8×75×10=8.4 萬元

水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年增量效益：E水總=E常-E水+E節(jié)水+E水=1200-855+8.4+20.8=374.2萬元

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年增量效益：E冰總=E常-E冰=1200-980=220萬元

3.5 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

3.5.1 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

通過對安徽廣播電視中心項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)測算，空調(diào)用電節(jié)省對節(jié)能效益進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)，計(jì)算其投資回收期和內(nèi)部收益率。

1）按空調(diào)行業(yè)項(xiàng)目15年為計(jì)算期，蓄冷現(xiàn)金流量見表2。

②蓄冷增量投資收益率根據(jù)式（2）計(jì)算如下：

水蓄冷增量投資收益率：R=374.2/536×100%=69.8%

冰蓄冷增量投資收益率：R=220/857×100%=22.45%

3.5.2 互斥型項(xiàng)目方案選優(yōu)

針對該項(xiàng)目的分析，考慮資金時(shí)間價(jià)值，取行業(yè)基準(zhǔn)折現(xiàn)率i=12%，空調(diào)壽命按T=15年，計(jì)算項(xiàng)目的增量效益現(xiàn)值和年值，對項(xiàng)目進(jìn)行成本效益分析，利用凈現(xiàn)值法進(jìn)行節(jié)能空調(diào)方案選優(yōu)。

各方案現(xiàn)金流量見表2，等額資金現(xiàn)值系數(shù)(P/A,I,15)=6.8109。

1）采用凈現(xiàn)值法進(jìn)行方案選優(yōu)

由式（3）計(jì)算如下：

△NPV水=374.2×(P/A,12%,15)-536=2012.64萬元

△NPV冰=220×(P/A,12%,15)-857=641.40萬元

因此，根據(jù)投資收益率和凈現(xiàn)值法方案比較，水蓄冷+常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)為最優(yōu)方案，即相當(dāng)于現(xiàn)時(shí)點(diǎn)產(chǎn)生的超額利潤值為2012.64萬元。該方案凈現(xiàn)值較冰蓄冷方案多1371.24萬元。

2）選用凈將來值法進(jìn)行方案選優(yōu)

由式（4）計(jì)算如下：

△NFV水=374.2×(F/A,12%,15)-536×(F/P,12%,15)=11016.21萬元

△NFV冰=220×(F/A,12%,15)-857×(F/P,12%,15)=2765.07萬元

通過凈將來值法計(jì)算，水蓄冷空調(diào)節(jié)能方案為最優(yōu)方案，該方案將來值比冰蓄冷多8251.15萬元。

3）選用凈年值法進(jìn)行方案選優(yōu)

由式（5）計(jì)算如下：

△NAV水=374.2-536×(A/P,12%,15)=295.52萬元

△NAV冰=220-857×(A/P,12%,15)=74.19萬元

通過凈現(xiàn)值法，凈將來值法和凈年值法選優(yōu)比較，水蓄冷空調(diào)節(jié)能方案為最優(yōu)方案。

3.5.3 空調(diào)節(jié)能方案評價(jià)結(jié)果分析

通過對水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)測算比較，冰蓄冷、水蓄冷初投資高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

采用冰蓄冷的年運(yùn)行電量比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高19.6%，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省18.3%，投資收益率22.45%，轉(zhuǎn)移峰段負(fù)荷5509 kW。開發(fā)低谷電量6896700 kWh。達(dá)到節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用目的，但是不節(jié)能。

采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行電量比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)低0.79%，基本持平，但是轉(zhuǎn)移了峰段負(fù)荷，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省28.8%，投資收益率69.8%。轉(zhuǎn)移峰段負(fù)荷6491 kW。開發(fā)低谷電量4857552 kWh。采用此系統(tǒng)既能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果，產(chǎn)生了好的社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

通過對水蓄冷方案的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析，對該項(xiàng)目空調(diào)節(jié)能方案選優(yōu)計(jì)算分析，水蓄冷和冰蓄冷皆可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，開發(fā)低谷電量，轉(zhuǎn)移了高峰負(fù)荷，冰蓄冷雖節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，但是耗能較高，水蓄冷空調(diào)節(jié)能方案為最優(yōu)方案。在整個(gè)壽命周期內(nèi)，水蓄冷在經(jīng)濟(jì)性方面有很大優(yōu)勢。

通過通過對安徽廣電中心項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分析評價(jià)，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在帶來節(jié)能效益的同時(shí)，還能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這為水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用推廣提供評價(jià)依據(jù)和參考。