116 户式中央空调系统的经济性评价

1、户式中央空调系系统的经济性性评价杨华翼，魏兵（华北电力力大学能源与与动力工程学学院，河北 保定 0771003）摘要：目前，户户式中央空调调在我国得到到了广泛的应应用，并且其其系统具有多多种类型。不不同的系统形形式其初投资资和运行费用用差别很大，因因此，对于设设计人员来说说，确定一个个经济的空调调系统方式是是及其重要的的。本文以北北京某户式建建筑为例，应应用动态费用用年值法，对对空气源热泵泵系统、户式式燃气空调系系统、风冷冷冷水机组+燃燃气锅炉系统统、水环热泵泵系统、土壤壤源热泵系统统和太阳能热热泵系统六种方案的动态态费用年值进进行了计算和和比较，并选选用天然气价价格和电价作作为敏感性因因素，

2、对各方方案的费用年年值进行了敏敏感性分析。结结果表明，在所选选择的六种方方案中，水环环热泵系统的的费用年值最最小，是一种种最为经济的的户式中央空空调系统形式式；电价和天然然气价格的波波动对各方案案的经济性有有所影响。关键词：户式中中央空调系统统；初投资；运行费用；动态费用年年值；经济性性Economiic evaaluatiion off resiidentiial ceentrall air condiitioniing syystemssBy Yangg Huayyi, Weei Binng(Schooll of Ennergy and PPower Enginneerinng, Noor

3、th Chinaa Electtric Powerr Univeersityy, Baodding, Hebeii, 0711003)Abstracct: Nowaddays tthe reesidenntial centrral aiir connditiooning systeems arre beiing wiidely used in Chhina, and tthere are sseveraal diffferennt sysstem ooptionns in the aactuall appllicatiions. Differrent rresideentiall centtr

4、al aair coonditiioningg systtems wwill hhave ddifferrent iinitiaal cossts annd opeeratinng cossts. IIt is quitee impoortantt for the ddecisiion-maakers to chhoose an ecconomiical aair coonditiioningg systtem. IIn thiis papper siix ressidenttial ccentraal airr condditionning ssystemms aree intrroduce

5、ed, whhich aare thhe airr-sourrce heeat puump syystem, housseholdd gas-firedd air condiitioniing syystem, air-cooleed chiiller unit/gas-ffired boileer sysstem, waterr loopp heatt pumpp systtem, ggroundd-sourrce heeat puump syystem and ssolar heat pump systeem. Byy usinng thee methhod off dynaamic tt

6、otal annuaal cosst witth an exampple off resiidentiial buuildinng in Beijiing, tthe tootal aannuall costts of choseen sixx air condiitioniing syystemss are calcuulatedd and compaared, and tthe seensitiivity of tootal aannuall costt are aanalyzzed wiith thhe rattes off elecctriciity annd nattural gas

7、 beingg usedd as tthe seensitiive faactorss. The reesultss showw thatt the totall annuual coost off wateer looop heaat pummp sysstem iis thee miniimum aamong the ssix syystemss, whiich iss the optimmal opption underr the givenn condditionns. The raates oof eleectriccity aand naaturall gas will influ

8、uence the rranking of syystemss. Keywordds: reesidenntial centrral aiir-connditiooning systeem; innitiall costt; opeeratinng cosst; dynaamic ttotal annuaal cosst; ecconomyy0 引言随着人民生活质质量和住房条条件的改善，户户式中央空调调已经被公认认为未来住宅宅空调的主流流产品。与大大型中央空调调系统相比，户户式中央空调调具备了初投投资小、运行行费用低等特特点；与家用用空调器相比比，又具备了了节能、舒适适、美观、噪噪声低等特点点

9、，它正以其其巨大的潜力力和应用优势势取得突破性性的发展112。户式中央空空调系统具有有多种类型，不不同的系统形形式其性能特特点、系统运运行特性、初初投资、运行费用以及及能源价格等等也有很大差差别，所以在在建设节约型型社会的背景景下，对户式中央空空调系统的经经济性进行探探讨，从中找找到一个最为为经济的方案案是十分必要要的。本文将将以一户式建筑筑为例，运用动动态费用年值值法对户式中中央空调系统统的经济性进行比较和分析。1 经济评价方方法及主要经经济指标1.1 动态费费用年值法动态费用年值不不仅把投资和和年经营成本本统一起来，而而且还结合时时间因素进行行评价，从而而对寿命期不不同的方案进进行评价时，

10、不不需在相同的的年数间进行行比较，就可可得出正确的的结论。其具具体方法是：求出各方案案的投资额、年年经营费用和和残值的等价价年费用之和和，选其最小小的方案为最最优方案。动动态费用年值值的计算公式式3为： （1）式中 K0为为初投资，元元；KL为经济寿命期期后的残值，元元；C为年运行费用，元元；i为基准折现率率，一般取110%；n为使用寿命。1.2 主要经经济指标初投资：指供暖暖、空调系统统各部分投资资之和，包括括有：土建费费、设备购置置费、安装费费及其它费用用（包括设计计费、监理费费和不可预见见费等）年运行费用：指指系统各部分分每年发生的的费用，如水水费、电费、燃燃料费、管理理人员工资、管管理

11、费，设备备折旧费和设设备维修费等等。2 算例以下将针对北京京一个具体工工程，综合考考虑系统的初初投资和运行行费用，运用用动态费用年年值法对六种种户式中央空空调系统方案案进行经济性评评价。2.1 方案选选择本工程实例为北北京市某别墅墅，建筑面积积为292.1m2，空调面积积为178.26m2，层数为三层层，层高3.3m。北京市冬季季空调室外计计算温度为-12，夏季空调调室外计算温温度为33.2。建筑物室室内温度冬季季设定为200，夏季设定定为26。夏季空调调冷负荷为226.36kWW，冬季空调调热负荷为113.34kWW。空调全年累累计热负荷为为129044.39kWWh，全年累累计冷负荷为为1

12、08533.68kWWh。以下是6种备选方案案：方案1：空气源源热泵系统用于户式中央空空调系统的风风冷热泵型冷冷热水机组，其其室外机一般般由压缩机、冷冷凝器、蒸发发器、循环水水泵组成。冷冷热水系统以以水为输送介介质，主机产产生空调冷/热水，由循循环水泵将冷冷水或热水送送至空调房间间的末端装置置；在末端装装置处冷/热水与室内内空气进行热热量交换，产产生冷/热风，从而而实现空调房房间的夏季制制冷和冬季供供暖。该系统统简图见图11所示。图1 空气源热热泵系统简图图方案2：户式燃燃气空调系统统户式燃气空调由由室外机和室室内机两大部部分组成。室室外机即该空空调系统中的的冷（热）源源设备部分，它它采用直燃

13、型型溴化锂吸收收式制冷（热热）循环原理理，向住宅或或建筑内提供供空调冷水、供供暖热水和卫卫生热水，通通过管线系统统与室内机（各各种空调末端端装置）相连连，抵达需要要的房间。该该系统简图见见图2所示。图2 户式燃气气空调系统简简图方案3：风冷冷冷水机组+燃气锅炉系系统该系统中供冷系系统主机为风风冷冷水机组组，供暖系统统热源为燃气气锅炉，供冷冷系统与供暖暖系统共用空空调末端系统统。系统简图图见图3所示。图3 风冷冷水水机组+燃气锅炉系系统简图方案4：水环热热泵系统水环热泵空调系系统由许多并并联的水源热热泵机组的双双管环路组成成，其主要部部件有：单元元式水源热泵泵机组、冷却却设备（通常常用开式冷却却

14、塔+水/水换热器或或用闭式蒸发发冷却塔）、供供热设备（通通常用各种加加热器或锅炉炉）、膨胀水水箱、循环水水泵等。水环热泵机组供供热供冷工况况的转换是通通过四通换向向阀改变制冷冷剂的流向来来实现的。系系统向建筑物物供冷时，水水源热泵机组组按制冷方式式运行，制冷冷剂在制冷剂剂/空气热交换换器中吸收空空调房间的热热量，再在制制冷剂/水热交换器器中将热量传传给水环路中中的循环水，循循环水通过冷冷却塔将热量量排向大气。供供暖时，水源源热泵机组按按供热方式运运行，循环水水在水环路中中吸收加热器器或锅炉放出出的热量，通通过水源热泵泵机组的制冷冷剂/水热交换器器将热量传给给制冷剂，制制冷剂在制冷冷剂/空气热交

15、换换器中向空调调房间散热，从从而实现空调调房间的供冷冷和供热。该该系统简图见见图4所示。图4 水环热泵泵系统简图方案5：土壤源源热泵系统地源热泵是一种种利用地下浅浅层地热资源源（也称地能能，包括地下下水、土壤或或地表水等），通通过输入少量量的高品位能能源（如电能能），经过逆逆向热力循环环，将低品位位热能提升为为高品位热能能的热泵系统统。其工作原原理就是在冬冬季水源热泵泵机组作制热热运行，水或或防冻水溶液液通过地下埋埋管换热器从从土壤中吸收收热量，经过过热泵提升后后，将热量供供给热用户，同同时在土壤中中储存冷量，以以备夏季空调调用。夏季时时，水源热泵泵机组作制冷冷运行，蒸发发器变为冷凝凝器，冷凝

16、器器变为蒸发器器，从而埋管管换热器与热热泵机组冷凝凝器相接，室室内冷冻水管管与蒸发器相相接，通过制制冷剂循环，将将室内的余热热经过热泵转转移后通过地地下埋管换热热器释放到土土壤中，同时时储存热量，以以备冬季采暖暖用。该系统统简图见图55所示。图5 土壤源热热泵系统简图图方案6：太阳能能热泵系统太阳能热泵是指指将太阳能作作为蒸发器热热源的热泵系系统，它把太太阳能热利用用技术和热泵泵技术有机的的结合起来，可可同时提高太太阳能集热器器效率和热泵泵系统的性能能。太阳能热热泵系统由集集热器、热泵泵、蓄热器等等组成，该系系统利用集热热器进行太阳阳能低温集热热（1020），然后通通过热泵将低低温热提升到到供

17、暖供热水水所需要的温温度（3050）。要求供供应60以上的热水水时，可增设设电热水器或或锅炉进行补补充加热。其其原理如图66所示。图6 太阳能热热泵系统简图图六种方案的主要要设备及参数数见表1和表2所示。表1 各方案案的主要设备备主机数量辅助设备方案1空气/水热泵机机组1辅助电加热器方案2户式燃气空调机机组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、冷却水水泵、冷冻水泵、辅助电加热热器方案5水/水热泵机组组1冷冻水泵方案6水/水热泵机组组1冷却塔、冷却水水泵、冷冻水泵表2 各方案案的主要设备备参数设备性能参数空气/水热泵机机组制冷/热量155/16.55kW，制冷冷/热

18、功率5.66/6kW户式燃气空调机机组制冷/热量166/16kWW，制冷/热耗电量1/0.54kkW，制冷/热燃料耗量量1.5/11.8m3/h风冷冷水机组制冷量15kWW，制冷功率率5.6kWW燃气锅炉制热量20kWW，天然气耗耗气量2.773 m3/h水环热泵机组SSHZ40制冷/热量4.0/4.33kW，制冷冷/热功率0.886/0.884kW水环热泵机组SSHZ27制冷/热量2.7/3.00kW，制冷冷/热功率0.559/0.557kW水/水热泵机组组制冷/热量155.3/166kW，制冷冷/热功率3.11/4.1kkW辅助电加热器额定功率6kWW冷却塔流量8.3m33/h，风机功功率

19、0.377kW冷冻水泵流量7.4m33/h，扬程9m，功率0.337 kW冷却水泵流量8.3m33/h，扬程11.3m，功率率0.55 kW注：方案1、方方案2、方案3、方案5和方案6的末端设备备均为风机盘盘管，FP-7.1（2台）电机功功率55W；FP-6.3（2台）电机功功率32W；FP-5（4台）电机功功率29W；FP-3.5（2台）电机功功率25W；FP-2.5（2台）电机功功率23W。2.2 全年能能耗计算空调设备全年累累计运行时间间根据我国居民的的生活作息习习惯，住宅空空调一般有几几个使用高峰峰45，工作日中午12:00014:00，晚上18:00次日7:000，节假日0:0024

20、:00。夏季制冷机机组运行3.5个月，冬冬季制热机组组运行4个月，空调调系统每月运运行30天（节假假日8天，工作日日22天），节节假日每天运运行24个小时，工工作日每天运运行15个小时。因因此，空调系系统夏季的累累计运行时间间为：22153.5+8243.55=18277h；冬季的累累计运行时间间为：22154+8244=20888h。空调机组的当量量满负荷运行行时间当量满负荷运行行时间：全年年空调冷负荷荷（或热负荷荷）的总和与与制冷机(或锅炉)最大出力的的比值，称为为当量满负荷荷运行时间，即即： （2） （3）式中 ER、EB为夏、冬季当当量满负荷运运行时间，hh；qc、qh为全年空调冷冷、

21、热负荷，kJ/a；qR、qB为冷机、锅炉的最大出力，kJ/h。将空调全年累计计冷负荷（或热负荷）以及表2中所选机组组的制冷量和和制热量带入入公式（2）和公式（33）中，计算算得空调机组组的夏季当量量满负荷运行行时间为7224h，冬季季当量满负荷荷运行时间为为807h。空调末端设备运运行时间户式中央空调系系统在同一时时间对所有房房间都供冷和和供暖时，将将其称为全室室空调；当在在同一使用时时间某一些房房间的空调开开启，而其它它房间不需空空调时称其为为分室空调。本本文按分室空空调的作息模模式计算，即即工作日：客厅厅空调每天运运行7个小时，卧室室空调运行8个小时；节节假日：客厅厅空调每天运运行15个小

22、时，卧室室空调运行244个小时。所以，空调调末端设备夏夏季的运行时时间为：客厅厅空调运行9959小时，卧卧室空调运行行1288小时时；空调末端端设备冬季的的运行时间为为：客厅空调调运行10996小时，卧卧室空调运行行1472小时时。各方案一次能耗耗计算空调系统的一次次能耗量： （4）式中 P为各各设备的耗电电量，kWhh；1为电厂的发发电效率，取取35%；2为电网的输输电效率，取取90%；N为燃气消耗耗量，m3；10为天然气气的热值，kkWh/m33；3.6为单位位换算系数，1kWh=3.6MJ。将以上计算的空空调设备的运运行时间以及及表2中各设备的参参数代入公式式（4）中，计算各各方案夏、冬

23、冬季以及全年年的耗电量、耗耗气量、耗水水量和一次能能耗量如表33所示。表3 各方案全全年能耗量方案1方案2方案3方案4方案5方案6供冷季耗电量kWh5563.2551834.6555563.2554561.9773625.4445306.288耗气量m31086一次能耗MJ63579.99857981.00163579.99852136.8841433.66560643.225供热季耗电量kWh6837.6111705.0991401.6663677.7664879.3114879.311耗气量m32178.91614一次能耗MJ78144.11494332.4470528.22142031.

24、55455763.55555763.555全年耗电量kWh12400.8863539.7446964.9118239.7338504.75510185.559耗气量m33264.91614耗水量m314.72139.2139.2一次能耗MJ141724.1152313.4134108.294168.33497197.119116406.83 各方案的经经济性分析本文通过计算各各方案的初投投资和年运行费用用，用动态费用用年值法对各方案的经经济性进行评评价。3.1 初投资资的计算初投资是空调方方案选择的主主要因素之一一。本文中，各系统方案的初投资主要从以下几项费用考虑。设备费：指系统统主要设备的的

25、投资，各方方案的设备费费见表4。据调查，太太阳能集热器器的价格为66008000元/m2。空调机组组、循环水泵泵、冷却塔、风风机盘管等通通过咨询各设设备厂家得到到。安装费及材料费费：安装费按按占设备费的的百分比计算算。其中热泵泵系统按155%计算，锅锅炉系统按225%计算6。对于材料料费，风机盘盘管系统中，管管道系统和保保温材料费用用分别取设备备总投资的55.7%和7.3%7；而水环热热泵空调系统统由于无需保保温，并且其其管道系统也也相对简单，故故其管道系统统材料费用取取设备总投资资的5.7%，保温材料料费用忽略不不计。钻孔费：对于土土壤源热泵空空调系统，钻钻孔费用跟地地质状况有很很大关系，不

26、不同的地质条条件对应不同同的施工工艺艺，每米钻孔孔的价钱也是是不一样的，本本文按平均价价格60元/m井深进行行计算8。钻孔费=孔深钻孔数每米孔深价价格六种方案的初投投资费用见表表5。表4 各方案案的设备费（单单位：万元）设备方案1方案2方案3方案4方案5方案6空调主机3.95584.93.34783.62842.30382.3038燃气锅炉0.76冷却塔00.350.35冷却水泵00.41450.4145冷冻水泵0.4650.4650.4650.930.93热水循环泵0.465辅助电加热器0.10.10.1集热器3.36蓄热水箱0.075风机盘管0.660.660.660.660.66方形散流

27、器0.072合计5.185.565.75.033.898.19表5 各方案的的初投资（单单位：万元）方案1方案2方案3方案4方案5方案6设备费5.185.565.75.033.898.19安装费0.790.840.870.750.591.24材料费0.680.730.750.290.521.07钻孔费2.4初投资6.677.410.5年度化初投资0.780.940.860.710.871.23注：年度化初投投资。3.2 年运行行费用的计算算年运行费用主要要包括电费、水水费、燃料费费、维修费用用、设备折旧旧费以及人工工费用等。电电费、水费以以及燃料费用用可以通过各各种冷热源系系统年耗电量量、耗水

28、量和和燃料消耗量量，以及调查查的各个地区区的电价、水水价以及燃料料价格来计算算。年维护管管理费用取初初投资费用的的3%9。人工费用按按人数时间月工资来计计算，热泵系系统需要2人，燃气空空调系统和燃气锅炉系系统均需要3人，月工资资按10000元计。据调查查，北京地区区峰时段为66：0022：00，电价标标准为0.44883元/kWh；谷谷时段为222：006：00，电价标标准为0.330元/kWh。根根据空调冷热热源运行时间间的比例，电电价取为0.469元/kWh；燃燃气锅炉采用用的燃料为天天然气，其低低位发热值为为8600kkcal/NNm3，采暖用天天然气的价格格为1.955元/Nm3；水价

29、为3.7元/吨。计算出出各方案的年年运行费用汇汇总于表6中。表6 各方案案的年运行费费用方案1方案2方案3方案4方案5方案6耗电量（kWh）12400.8863539.7446964.9118239.7338504.75510185.559电费（万元）0.580.170.330.390.40.48耗水量（m3）28.96182.7182.7水费（万元）0.010.0680.068燃料量（m3）3264.91614燃料费（万元）0.640.31人工费（万元）设备折旧费（万万元）0.30.430.330.270.340.48维护管理费（万万元）2年运行费用（万万元）2.683.863.592.51

30、2.572.94注：（1）设备备折旧费110； （2）方方案2的使用寿命命取15年，其它它方案的使用用寿命取200年。3.3 动态费费用年值的计计算初投资和运行费费用是两个不不同性质的经经济指标，只只能反映出各各方案经济性性的一个方面面，要对各方方案进行综合合经济比较就就需要一个综综合的经济指指标费用年值值。根据公式（1）计计算各方案的的动态费用年年值，结果见见表7。表7 各方案案的费用年值值（单位：万万元）方案1方案2方案3方案4方案5方案6初投资6.677.410.5残值0.670.710.730.610.741.05年运行费用2.683.863.592.512.572.94费用年值3.4

31、54.774.433.213.414.15注：设备残值取取初投资的110%11。4 经济性比较较由以上的计算结结果可得各方方案在初投资资、年运行费费用和费用年年值三方面的的经济性对比比。4.1 初投资资的比较各方案初投资的的比较见图77所示：图7 各方案案初投资比较较由图7可知，方方案6太阳能热泵泵系统的初投投资最大，其其次是方案55土壤源热泵泵系统，方案案4水环热泵系统统的初投资最最小。以初投投资最小的方方案4为基准，方方案1、方案2、方案3、方案5和方案6分别是它的的1.1、1.17、1.2、1.22和1.73倍。造成太阳阳能热泵系统统和土壤源热热泵系统的初初投资高于其其它系统的主主要原因

32、是太太阳能集热器器和钻孔费占占系统比例较较大，约占系系统初投资的的1/3。由此此可见，太阳阳能集热器的的价格对太阳阳能热泵系统统的初投资影影响较大；要要降低土壤源源热泵系统的的初投资主要要是要降低系系统的钻孔费用。4.2 年运行行费用的比较较各方案年运行费费用的比较见见图8所示：图8 各方案案年运行费用用比较由图8可知，各各方案全年运运行费用从低低到高分别为为方案4方案5方案1方案6方案3方案2。虽然方案案5和方案6的初投资较较其他方案的的高，但其运运行费用较低低，多出的系系统造价将会会通过节省的的年运行费用用在几年内收收回。户式燃燃气空调系统统和风冷冷水水机组+燃气锅炉系系统的运行费费用明显

33、高于于其它方案；其主要要原因是由于于我国现在能能源利用不合合理，对折合合成相同一次次能耗的不同同能源价格相相差很大。例例如对电和天天然气来说，1kWh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/kWh，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 费用年年值的比较各方案费用年值值的比较见图图9所示：图9 各方案案费用年值比较较从图9中可以看看出，方案4水环热泵系系统的费用年年值最小，是是最经济的方方案。各方案案的费用年值值从低到高依依次为

34、方案44方案5方案1方案6方案3方案2。方案4的初投资及及残值均最小，其年运运行费用最低低，综合考虑虑其费用年值值最小；对于于方案5和方案6，由于太阳阳能集热器的的价格偏高，对对产生相同热热量的太阳能能集热器和土土壤源热泵而而言，前者所所需的初投资资约为后者的的1.7倍8。因此方案6的初投资和和残值偏大，导导致方案6的费用年值值大于方案55；方案2的初投资较较小，但由于于其年运行费费用最大，因因此其费用年年值最大，为为最不利方案案。5 敏感性分析析敏感性分析就是是假定某一因因素变化，而而其它因素固固定不变，分分析其对研究究问题的影响响程度。天然然气价格和电电价发生变化化时，各系统统的费用年值值将受到影响响。下面将从从天然气价格格和电价方面面对各方案的的费用年值进进行敏感性分分析。5.1 天然气气价格的影响响图10 天然然气价格对各各方案费用年年值的影响从图10中可以以看出，由于于方案1、4、5和6不消耗天然然气，所以其其费用年值不不随天然气价价格而变化；方案2的费用年值值随天然气价价格的波动幅度略大大于方案3，并且在相同同的天然气价价格下，方案2的费用年值值始终大于方案3。5.2 电价的的影响图11 电价价对各方案费费用年值的影影响由图11可知，电电价对六种方方案的费用年年值均有影