户式中央空调系统的经济性评价

一、方案选择

本工程实例为北京市某别墅，建筑面积为292.1m2，空调面积为178.26m2，层数为三层，层高3.3m。北京市冬季空调室外计算温度为-12℃，夏季空调室外计算温度为33.2℃。建筑物室内温度冬季设定为20℃，夏季设定为26℃。夏季空调冷负荷为26.36kW·h，冬季空调热负荷为13.34kW·h。空调全年累计热负荷为12904.39kW·h，全年累计冷负荷为10853.68kW·h。以下是6种备选方案：

方案1：空气源热泵系统

用于户式中央空调系统的风冷热泵型冷热水机组，其室外机一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、循环水泵组成。冷热水系统以水为输送介质，主机产生空调冷/热水，由循环水泵将冷水或热水送至空调房间的末端装置；在末端装置处冷/热水与室内空气进行热量交换，产生冷/热风，从而实现空调房间的夏季制冷和冬季供暖。

方案2：户式燃气空调系统

户式燃气空调由室外机和室内机两大部分组成。室外机即该空调系统中的冷(热)源设备部分，它采用直燃型溴化锂吸收式制冷(热)循环原理，向住宅或建筑内提供空调冷水、供暖热水和卫生热水，通过管线系统与室内机(各种空调末端装置)相连，抵达需要的房间。

方案3：风冷冷水机组+燃气锅炉系统

该系统中供冷系统主机为风冷冷水机组，供暖系统热源为燃气锅炉，供冷系统与供暖系统共用空调末端系统。

方案4：水环热泵系统

水环热泵空调系统由许多并联的水源热泵机组的双管环路组成，其主要部件有：单元式水源热泵机组、冷却设备(通常用开式冷却塔+水/水换热器或用闭式蒸发冷却塔)、供热设备(通常用各种加热器或锅炉)、膨胀水箱、循环水泵等。

水环热泵机组供热供冷工况的转换是通过四通换向阀改变制冷剂的流向来实现的。系统向建筑物供冷时，水源热泵机组按制冷方式运行，制冷剂在制冷剂/空气热交换器中吸收空调房间的热量，再在制冷剂/水热交换器中将热量传给水环路中的循环水，循环水通过冷却塔将热量排向大气。供暖时，水源热泵机组按供热方式运行，循环水在水环路中吸收加热器或锅炉放出的热量，通过水源热泵机组的制冷剂/水热交换器将热量传给制冷剂，制冷剂在制冷剂/空气热交换器中向空调房间散热，从而实现空调房间的供冷和供热。

方案5：土壤源热泵系统

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)，通过输入少量的高品位能源(如电能)，经过逆向热力循环，将低品位热能提升为高品位热能的热泵系统。其工作原理就是在冬季水源热泵机组作制热运行，水或防冻水溶液通过地下埋管换热器从土壤中吸收热量，经过热泵提升后，将热量供给热用户，同时在土壤中储存冷量，以备夏季空调用。夏季时，水源热泵机组作制冷运行，蒸发器变为冷凝器，冷凝器变为蒸发器，从而埋管换热器与热泵机组冷凝器相接，室内冷冻水管与蒸发器相接，通过制冷剂循环，将室内的余热经过热泵转移后通过地下埋管换热器释放到土壤中，同时储存热量，以备冬季采暖用。

方案6：太阳能热泵系统

太阳能热泵是指将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，它把太阳能热利用技术和热泵技术有机的结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统的性能。太阳能热泵系统由集热器、热泵、蓄热器等组成，该系统利用集热器进行太阳能低温集热(10-20℃)，然后通过热泵将低温热提升到供暖供热水所需要的温度(30-50℃)。要求供应60℃以上的热水时，可增设电热水器或锅炉进行补充加热。

二、全年能耗计算

(1)空调设备全年累计运行时间

根据我国居民的生活作息习惯，住宅空调一般有几个使用高峰，工作日中午12:00-14:00，晚上18:00-次日7:00，节假日0:00-24:00。夏季制冷机组运行3.5个月，冬季制热机组运行4个月，空调系统每月运行30天(节假日8天，工作日22天)，节假日每天运行24个小时，工作日每天运行15个小时。因此，空调系统夏季的累计运行时间为：22×15×3.5+8×24×3.5=1827h；冬季的累计运行时间为：22×15×4+8×24×4=2088h。

(2)空调机组的当量满负荷运行时间

当量满负荷运行时间：全年空调冷负荷(或热负荷)的总和与制冷机(或锅炉)最大出力的比值，称为当量满负荷运行时间，即：

式中τE·R、τE·B为夏、冬季当量满负荷运行时间，h；qc、qh为全年空调冷、热负荷，kJ/a；qR、qB为冷机、锅炉的最大出力，kJ/h。

空调全年累计冷负荷(或热负荷)以及表2中所选机组的制冷量和制热量带入公式(2)和公式(3)中，计算得空调机组的夏季当量满负荷运行时间为724h，冬季当量满负荷运行时间为807h。

(3)空调末端设备运行时间

户式中央空调系统在同一时间对所有房间都供冷和供暖时，将其称为全室空调；当在同一使用时间某一些房间的空调开启，而其它房间不需空调时称其为分室空调。本文按分室空调的作息模式计算，即工作日：客厅空调每天运行7个小时，卧室空调运行8个小时；节假日：客厅空调每天运行15个小时，卧室空调运行24个小时。所以，空调末端设备夏季的运行时间为：客厅空调运行959小时，卧室空调运行1288小时；空调末端设备冬季的运行时间为：客厅空调运行1096小时，卧室空调运行1472小时。

(4)各方案一次能耗计算

式中P为各设备的耗电量，kWh；η1为电厂的发电效率，取35%；η2为电网的输电效率，取90%；N为燃气消耗量，m3；10为天然气的热值，kWh/m3；3.6为单位换算系数，1kWh=3.6MJ。

将以上计算的空调设备的运行时间以及表2中各设备的参数代入公式(4)中，计算各方案夏、冬季以及全年的耗电量、耗气量、耗水量和一次能耗量如表3所示。

三、 各方案的经济性分析

本文通过计算各方案的初投资和年运行费用，用动态费用年值法对各方案的经济性进行评价。

3.1 初投资的计算

初投资是空调方案选择的主要因素之一。本文中，各系统方案的初投资主要从以下几项费用考虑。

(1)设备费：

指系统主要设备的投资，各方案的设备费见表4。据调查，太阳能集热器的价格为600-800元/m2。空调机组、循环水泵、冷却塔、风机盘管等通过咨询各设备厂家得到。

(2)安装费及材料费：

安装费按占设备费的百分比计算。其中热泵系统按15%计算，锅炉系统按25%计算。对于材料费，风机盘管系统中，管道系统和保温材料费用分别取设备总投资的5.7%和7.3%；而水环热泵空调系统由于无需保温，并且其管道系统也相对简单，故其管道系统材料费用取设备总投资的5.7%，保温材料费用忽略不计。

(3)钻孔费：

对于土壤源热泵空调系统，钻孔费用跟地质状况有很大关系，不同的地质条件对应不同的施工工艺，每米钻孔的价钱也是不一样的，本文按平均价格60元/m井深进行计算。钻孔费=孔深×钻孔数×每米孔深价格

六种方案的初投资费用见表5。

3.2 年运行费用的计算

年运行费用主要包括电费、水费、燃料费、维修费用、设备折旧费以及人工费用等。

电费、水费以及燃料费用可以通过各种冷热源系统年耗电量、耗水量和燃料消耗量，以及调查的各个地区的电价、水价以及燃料价格来计算。年维护管理费用取初投资费用的3%。人工费用按人数×时间×月工资来计算，热泵系统需要2人，燃气空调系统和燃气锅炉系统均需要3人，月工资按1000元计。据调查，北京地区峰时段为6：00-22：00，电价标准为0.4883元/kWh；谷时段为22：00-6：00，电价标准为0.30元/kWh。根据空调冷热源运行时间的比例，电价取为0.469元/kWh；燃气锅炉采用的燃料为天然气，其低位发热值为8600kcal/Nm3，采暖用天然气的价格为1.95元/Nm3；水价为3.7元/吨。计算出各方案的年运行费用汇总于表6中。

3.3 动态费用年值的计算

初投资和运行费用是两个不同性质的经济指标，只能反映出各方案经济性的一个方面，要对各方案进行综合经济比较就需要一个综合的经济指标——费用年值。

根据公式(1)计算各方案的动态费用年值，结果见表7。

四、 经济性比较

由以上的计算结果可得各方案在初投资、年运行费用和费用年值三方面的经济性对比。

4.1 初投资的比较

各方案初投资的比较见图1所示：

由图7可知，方案6太阳能热泵系统的初投资最大，其次是方案5土壤源热泵系统，方案4水环热泵系统的初投资最小。以初投资最小的方案4为基准，方案1、方案2、方案3、方案5和方案6分别是它的1.1、1.17、1.2、1.22和1.73倍。造成太阳能热泵系统和土壤源热泵系统的初投资高于其它系统的主要原因是太阳能集热器和钻孔费占系统比例较大，约占系统初投资的1/3。由此可见，太阳能集热器的价格对太阳能热泵系统的初投资影响较大；要降低土壤源热泵系统的初投资主要是要降低系统的钻孔费用。

4.2 年运行费用的比较

各方案年运行费用的比较见图2所示：

由图8可知，各方案全年运行费用从低到高分别为方案4＜方案5＜方案1＜方案6＜方案3＜方案2。虽然方案5和方案6的初投资较其他方案的高，但其运行费用较低，多出的系统造价将会通过节省的年运行费用在几年内收回。户式燃气空调系统和风冷冷水机组+燃气锅炉系统的运行费用明显高于其它方案；其主要原因是由于我国现在能源利用不合理，对折合成相同一次能耗的不同能源价格相差很大。例如对电和天然气来说，1kW·h的电折算成一次能耗大约为11428.6kJ，北京地区平均电价为0.469元/kW·h，产生11428.6kJ一次能耗需要0.32m3天然气，天然气价格为1.95元/m3，需花费0.624元。因此，折算成相同一次能耗，天然气的价格约是电价的1.33倍。

4.3 费用年值的比较

各方案费用年值的比较见图3所示：

从图9中可以看出，方案4水环热泵系统的费用年值最小，是最经济的方案。各方案的费用年值从低到高依次为方案4＜方案5＜方案1＜方案6＜方案3＜方案2。方案4的初投资及残值均最小，其年运行费用最低，综合考虑其费用年值最小；对于方案5和方案6，由于太阳能集热器的价格偏高，对产生相同热量的太阳能集热器和土壤源热泵而言，前者所需的初投资约为后者的1.7倍。因此方案6的初投资和残值偏大，导致方案6的费用年值大于方案5；方案2的初投资较小，但由于其年运行费用最大，因此其费用年值最大，为最不利方案。

五、 敏感性分析

敏感性分析就是假定某一因素变化，而其它因素固定不变，分析其对研究问题的影响程度。天然气价格和电价发生变化时，各系统的费用年值将受到影响。下面将从天然气价格和电价方面对各方案的费用年值进行敏感性分析。

5.1 天然气价格的影响

从图10中可以看出，由于方案1、4、5和6不消耗天然气，所以其费用年值不随天然气价格而变化；方案2的费用年值随天然气价格的波动幅度略大于方案3，并且在相同的天然气价格下，方案2的费用年值始终大于方案3。

5.2 电价的影响

由图11可知，电价对六种方案的费用年值均有影响。方案2随电价的波动幅度最小，而方案1随电价的波动幅度最大。当电价低于0.38元/kWh时，费用年值方案4＜方案1＜方案5＜方案6＜方案3＜方案2；电价在0.38-1.39元/kWh时，费用年值方案4＜方案5＜方案1＜方案6＜方案3＜方案2；当电价高于1.39元/kWh时，费用年值方案4＜方案5＜方案1＜方案2＜方案3＜方案6。在相同的电价下，方案4的费用年值始终都是最小的，为最优方案。

六、 结论

本文以北京某户式建筑为例，应用动态费用年值法，对所选择的六种户式中央空调系统方案的经济性进行了评价，并选用天然气价格和电价作为敏感性因素，对各方案的费用年值进行了敏感性分析，得出如下结论：

1、通过动态费用年值法的比较可以看出，水环热泵系统的费用年值最小，系统最经济；太阳能热泵系统和土壤源热泵系统的主要特点是初投资高，但运行费用较低，因此其投资可以在系统投入运行后几年内收回。

2、户式燃气空调系统的经济性不及其它方案，但其污染物排放量少，环境效益显著，应辩证地对待户式燃气空调的发展问题。

3、天然气价格和电价对费用年值均有影响，各方案的经济性在其波动范围内是不同的。