116 户式中央空调系统的经济性评价

户式中央空调系统的经济性评价杨华翼，魏兵☆（华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003）摘要：目前，户式中央空调在我国得到了广泛的应用，并且其系统具有多种类型。不同的系统形式其初投资和运行费用差别很大，因此，对于设计人员来说，确定一个经济的空调系统方式是及其重要的。本文以北京某户式建筑为例，应用动态费用年值法，对空气源热泵系统、户式燃气空调系统、风冷冷水机组+燃气锅炉系统、水环热泵系统、土壤源热泵系统和太阳能热泵系统六种方案的动态费用年值进行了计算和比较，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。结果表明，在所选择的六种方案中，水环热泵系统的费用年值最小，是一种最为经济的户式中央空调系统形式；电价和天然气价格的波动对各方案的经济性有所影响。关键词：户式中央空调系统；初投资；运行费用；动态费用年值；经济性EconomicevaluationofresidentialcentralairconditioningsystemsByYangHuayi,WeiBing☆(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,Hebei,071003)Abstract:NowadaystheresidentialcentralairconditioningsystemsarebeingwidelyusedinChina,andthereareseveraldifferentsystemoptionsintheactualapplications.Differentresidentialcentralairconditioningsystemswillhavedifferentinitialcostsandoperatingcosts.Itisquiteimportantforthedecision-makerstochooseaneconomicalairconditioningsystem.Inthispapersixresidentialcentralairconditioningsystemsareintroduced,whicharetheair-sourceheatpumpsystem,householdgas-firedairconditioningsystem,air-cooledchillerunit/gas-firedboilersystem,waterloopheatpumpsystem,ground-sourceheatpumpsystemandsolarheatpumpsystem.ByusingthemethodofdynamictotalannualcostwithanexampleofresidentialbuildinginBeijing,thetotalannualcostsofchosensixairconditioningsystemsarecalculatedandcompared,andthesensitivityoftotalannualcostareanalyzedwiththeratesofelectricityandnaturalgasbeingusedasthesensitivefactors.Theresultsshowthatthetotalannualcostofwaterloopheatpumpsystemistheminimumamongthesixsystems,whichistheoptimaloptionunderthegivenconditions.Theratesofelectricityandnaturalgaswillinfluencetherankingofsystems.Keywords:residentialcentralair-conditioningsystem;initialcost;operatingcost;dynamictotalannualcost;economy0引言随着人民生活质量和住房条件的改善，户式中央空调已经被公认为未来住宅空调的主流产品。与大型中央空调系统相比，户式中央空调具备了初投资小、运行费用低等特点；与家用空调器相比，又具备了节能、舒适、美观、噪声低等特点，它正以其巨大的潜力和应用优势取得突破性的发展[1~2]。户式中央空调系统具有多种类型，不同的系统形式其性能特点、系统运行特性、初投资、运行费用以及能源价格等也有很大差别，所以在建设节约型社会的背景下，对户式中央空调系统的经济性进行探讨，从中找到一个最为经济的方案是十分必要的。本文将以一户式建筑为例，运用动态费用年值法对户式中央空调系统的经济性进行比较和分析。1经济评价方法及主要经济指标1.1动态费用年值法动态费用年值不仅把投资和年经营成本统一起来，而且还结合时间因素进行评价，从而对寿命期不同的方案进行评价时，不需在相同的年数间进行比较，就可得出正确的结论。其具体方法是：求出各方案的投资额、年经营费用和残值的等价年费用之和，选其最小的方案为最优方案。动态费用年值的计算公式[3]为：0111nLLniiACKKCKii（1）式中K0为初投资，元；KL为经济寿命期后的残值，元；C为年运行费用，元；i为基准折现率，一般取10%；n为使用寿命。1.2主要经济指标（1）初投资：指供暖、空调系统各部分投资之和，包括有：土建费、设备购置费、安装费及其它费用（包括设计费、监理费和不可预见费等）（2）年运行费用：指系统各部分每年发生的费用，如水费、电费、燃料费、管理人员工资、管理费，设备折旧费和设备维修费等。2算例以下将针对北京一个具体工程，综合考虑系统的初投资和运行费用，运用动态费用年值法对六种户式中央空调系统方案进行经济性评价。2.1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，冬季空调热负荷为13.34kW。空调全年累计热负荷为12904.39kWh，全年累计冷负荷为10853.68kWh。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。该系统简图见图1所示。图1空气源热泵系统简图方案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。该系统简图见图2所示。图2户式燃气空调系统简图方案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。系统简图见图3所示。图3风冷冷水机组+燃气锅炉系统简图方案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。该系统简图见图4所示。图4水环热泵系统简图方案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。该系统简图见图5所示。图5土壤源热泵系统简图方案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。其原理如图6所示。图6太阳能热泵系统简图六种方案的主要设备及参数见表1和表2所示。表1各方案的主要设备主机数量辅助设备方案1空气/水热泵机组1辅助电加热器方案2户式燃气空调机组1—方案3风冷冷水机组、燃气锅炉1冷冻水泵方案4水环热泵机组5冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、辅助电加热器方案5水/水热泵机组1冷冻水泵方案6水/水热泵机组1冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵表2各方案的主要设备参数设备性能参数空气/水热泵机组制冷/热量15/16.5kW，制冷/热功率5.6/6kW户式燃气空调机组制冷/热量16/16kW，制冷/热耗电量1/0.54kW，制冷/热燃料耗量1.5/1.8m3/h风冷冷水机组制冷量15kW，制冷功率5.6kW燃气锅炉制热量20kW，天然气耗气量2.73m3/h水环热泵机组SHZ40制冷/热量4.0/4.3kW，制冷/热功率0.86/0.84kW水环热泵机组SHZ27制冷/热量2.7/3.0kW，制冷/热功率0.59/0.57kW水/水热泵机组制冷/热量15.3/16kW，制冷/热功率3.1/4.1kW辅助电加热器额定功率6kW冷却塔流量8.3m3/h，风机功率0.37kW冷冻水泵流量7.4m3/h，扬程9m，功率0.37kW冷却水泵流量8.3m3/h，扬程11.3m，功率0.55kW注：方案1、方案2、方案3、方案5和方案6的末端设备均为风机盘管，FP-7.1（2台）电机功率55W；FP-6.3（2台）电机功率32W；FP-5（4台）电机功率29W；FP-3.5（2台）电机功率25W；FP-2.5（2台）电机功率23W。2.2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[4~5]，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：cERRqq（2）hEBBqq（3）式中τE·R、