壽命周期費用分析在藍波灣建筑采暖方案選擇中的應用

劉曉勤

(湖州職業技術學院,浙江313000)

目前的一些建筑項目因為種種原因,在建設方案的選擇上往往為了減少投資而漠視建筑物建成后的運行和維護成本,特別是與建筑用能有關的圍護結構和空調采暖系統設計不合理,造成業主日常支出的增加,而且也不利于建筑節能工作的開展。全壽命周期成本是指一個建設項目在其全壽命周期內采用折現方法計算的所有支出費用貨幣成本,支出費用包括項目投資、投運后的運行和維護支出等。采用全壽命周期成本分析評價項目的方案可以為降低系統的成本、提高系統的經濟性提供依據。本文將采用全壽命周期成本分析法,對新疆烏魯木齊市藍波灣建筑項目的幾種采暖方案進行比較,這些方案包括采用低溫熱水地板輻射采暖和采用雙立管水平串聯散熱器采暖兩種采暖方式的熱源都來自城市熱網,每一種方法進一步又分為室內安裝和不安裝熱量表和溫控閥。本文將對各方案的投資和年運行費用為基礎背景的綜合性經濟性進行分析比較,根據比較結果得到最優采暖方案。

1 工程概況

烏魯木齊市冬季十分寒冷,每年冬季采暖消耗大量能源,煤碳、天然氣、電力一到冬季就非常緊張。以煤為主能源還導致烏魯木齊市空氣的嚴重污染,盡管烏魯木齊市政府也非常重視環境保護,近年來將“藍天工程”作為一項重要工作來抓,拆并了小鍋爐房,推廣應用清潔能源,但截止到今日,烏魯木齊市的大氣環境并沒有得到實質性的改善。幾年的能耗跟蹤分析表明,烏魯木齊市的建筑物能耗高的主要原因是建筑物的圍護結構保溫不良、熱系統效率不高、各輸配環節熱量損失嚴重,因此改進烏魯木齊市的采暖技術非常迫切。

藍波灣工程位于新疆烏魯木齊市,是烏魯木齊市較早采用地板采暖的民用建筑之一,建筑物的外墻采用空心磚外加60～80 mm厚聚苯板,外窗為單框雙玻塑鋼窗,屋頂為空心板+膠粉聚苯顆?；虮桨?水泥砂漿。烏魯木齊冬季采暖季室外計算溫度為-22℃,冬季采暖期的平均溫度為-8.5℃,采暖天數長達180天,小區換熱站對應的采暖建筑面積為12.65萬m2,共17棟多層住宅樓。項目的采暖以燃煤供熱為熱源,可供比較的采暖方式有比較先進的低溫地板輻射采暖和傳統的散熱器,因此有必要對兩者作一個比較;另一方面為了搞好建筑節能政府鼓勵居民在采暖系統中安裝熱量表和溫控閥,安裝或者不安裝熱計量的經濟效益和社會效益也是值得深入分析的課題。因此冬季室外建筑物供暖采用以下幾種方案。

方案一:室內系統采用低溫熱水地板輻射采暖,增設換熱站,利用換熱機組把集中供熱熱網中95/70℃的熱水換熱到60/50℃熱水;室內不安裝熱量表及溫控閥。

方案二:室內系統采用低溫熱水地板輻射采暖,增設換熱站,利用換熱機組把集中供熱熱網中95/70℃的熱水換熱到60/50℃熱水;但是室內安裝熱量表及溫控閥。

方案三:室內系統采用雙立管水平串聯式散熱器采暖,熱源為集中供熱熱網中95/70℃的熱水;室內不安裝熱量表及溫控閥。

方案四:室內系統采用雙立管水平串聯式散熱器采暖,熱源為集中供熱熱網中95/70℃的熱水;室內安裝熱量表及溫控閥。

2 各方案投資和運用成本

各方案的投資和年運行費用計算結果見表1。

表1 各方案的投資和年運行費用 元/m2

各方案的成本計算以方案一為例。

(1) 燃料費

式中:F為采暖燃料費,元/m2;h為系統年運行時間;Qd為燃料的低熱值,k J/kg;B為燃料價格,根據烏魯木齊市2007年價格指數來看,煤炭的價格為0.19元/kg(標準煤);η1為集中供熱燃煤鍋爐效率,取85%[1];η2為管網熱損失取15%。Qc為采暖負荷,建筑冬季耗熱量地板采暖和散熱器采暖均按55 W/m2。

煤炭的低熱值取5.81 kWh/kg,根據計算可以得到年采暖燃料費4.76元/m2。

(2)供暖年耗熱量 藍波灣工程供暖年耗熱量為:

式中:Q h,a供暖年耗熱量,k J;Q′為建筑物供暖設計熱負荷 ,取55 W/m2;A為采暖面積,12.65萬m2;N為供暖期天數,180天;t w為供暖室外計算溫度,取-22℃;t n為供暖室內計算溫度,一般取18℃;tpj為供暖期室外平均溫度,取-8.5℃。代入數據可以得到供暖年耗熱量Q h,a為71 414 k J。

(3)水費 方案一采用低溫熱水地板輻射采暖需要耗費水資源,按下式計算。

式中:T為每小時補水量按循環水量G的1%考慮;t g-t h為地板輻射采暖供回水溫度差,按10℃考慮;Q為地板輻射采暖熱負荷,W。

代入數據可以得到補水量為5.98 t/h,采暖期補水量25 833 t,按水價3.8元/t計算因此水費為98165元。

(3)電費 四種方案中一次管網、二次管網中循環水泵均需用電來帶動。電量如下。

循環水泵功率:

式中:N d為循環水泵功率,kW;G為管段流量,598 345 kg/h;H為循環水泵揚程,15 m;ρ為水在水泵工作溫度下的密度985.56 m3/kg;ηb為水泵效率,取 0.65。

代入數據可以得到,循環水泵功率 N d為3.90 kW;同樣可以得到補水泵的功率為2.21 kW,則水泵全年的耗電量為 26 395 kWh,電價按1.18元/kWh計算,采暖期運行電費為31146元。藍波灣工程運行消耗的水電費合計1.02元/m2。

(4)折舊費 普通采暖系統按15年壽命估算,地面輻射采暖系統按30年壽命估算。

其他費用包括環?；?元/m2(地面輻射采暖系統不考慮環保基金)、工資福利、管理費等。

其他方案的計算省略,方案二和方案四采用分戶計量,采暖燃料費用都按節約30%計。

3 各方案壽命周期成本現金折現

對于供暖系統而言,壽命周期費用包括系統的購置費用(設計、設備購置、系統建設等)、在壽命周期中運行費用殘值的總和。常用的壽命周期費用計算方法是將系統在壽命周期內所有發生的費用折算成系統設置時的價值。在一個系統中,各設備或子系統的壽命周期可能不同,為便于分析,需要將不同壽命周期的各設備和子系統折算成統一壽命周期費用。統一壽命周期采用各設備和子系統壽命周期的最小公倍數,每個設備或子系統的多次設置用貼現法折算成第一次設置時的現值。日后系統經常費用也采用貼現法折算成初次設置時的現值。計算公式如下:

式中:p a為現金總額;A為日后每年的等額支付金額;i為扣除通貨膨脹等因素影響的凈利率;N為生產時間(年數)。

費用周期內部明貼現值p z為:

式中:p c為系統初投資現值。

考慮到各子系統使用壽命不一致,需要引入各子系統壽命周期的最小公倍數為系統統一的使用壽命。在此壽命時間中,若某子系統或設備需要投資j次,由各系統總設置費用貼現值:

利用上式可對不同壽命周期的各系統進行比較。因燃煤鍋爐效率隨使用年限變化不大,以燃料價為基礎的運行費用在使用壽命內也基本穩定,故可用鍋爐使用壽命代替鍋爐壽命周期。

根據表1,將各方案的現金總額P a為120元,148元,110元和141元,代入公式,可以得到各方案的總貼現值見表2。

表2 各方案綜合經濟比較 萬元

一般供熱管網的使用壽命為15年,鍋爐使用壽命10年,低溫地板輻射采暖室內系統的壽命為30年,普通散熱器采暖系統室內部分使用壽命也按15年估算,按最小公倍數30年計,普通采暖系統在第15年年末更新一次,故可將表2中各系統的統一壽命周期定為30年,計算中系統設置費用為各次設置折算到初次設置時的費用。供暖系統的廢置費用主要包括系統的拆除費用,拆除后的廢舊材料回收視作系統殘值,根據實際上情況,可以近似認為兩者相抵,在計算中不再考慮。各方案燃煤價格均為0.19元/kg(標準煤),采用相同的燃料價格比較各方案的經濟性。

由于表2是在選定利率為10%以及預計了系統使用壽命和投資期限的基礎上進行的綜合經濟比較,為了分析壽命周期費用評價計算結果的敏感度,利率分別選定為10%,8%和5%;計算結果如表3所示。

表3 各利率下總貼現值比較 萬元

4 各方案的比較

方案一和方案三是不采用分戶熱計量的,方案二和方案四采用分戶熱計量系統,以燃煤耗量計量代替熱計量。方案二和方案四有兩種形式,其一是在雙管水平串聯采暖系統中每個房間的散熱器上安裝溫控閥裝置,一般100 m2左右房間需要5～6個裝置;其二是在地面輻射采暖分集水器上安裝熱量表,在每個環路上安裝溫控閥,一般100 m2左右房間需要4個裝置。兩種形式的室內采暖系統造價的差別主要在于熱計量以及溫控設備裝置的購置上。一般認為分戶計量可節能20%～30%[2],因此,各方案的初投資和運行費用都有變化。

5 結論

(1)每種方案在利率由10%,8%至5%整個范圍內,四個方案的總貼現值都隨利率減少而增加,且同一利率的兩個系統間,總現值的差額也隨之增加。可見,當貼現率最高時,兩種系統總現值之差額最小。這主要是因為在高利率下,日后每年所發生的等額費用相對于現值的貶值的程度較高,高利率可以有效地縮短可考慮投資的期限。

(2)表2和表3的結果表明,利率有效地制約著可考慮投資的最長期限。無論在有無分戶熱計量的情況下地板采暖都優于散熱采暖,方案一的經濟性都優于方案三,方案二的經濟性都優于方案四。在無分戶熱計量時,方案一的地板采暖優勢在于年折舊費、維護費明顯低于方案三的散熱器采暖,并且具有各戶獨立調節功能,而產生節能效果的作用;在有分戶熱計量時,方案二的地板采暖優勢在于可以省去部分水電費,但由于熱量表以及溫控閥設備本生的價格較高,年總貼現的優勢不是很明顯。隨著熱計量裝置的投資的降低,節能的經濟性將會逐漸凸現出來。在近期,使用熱計量裝置,目的還是激發起用戶的節能行為,這一裝置的直接結果是燃料使用量的降低,對于烏魯木齊這個冬季重污染城市而言,節能帶來的藍天效應可立竿見影,環境成本可大大降低。

(3)采用燃煤為燃料時,燃料費用在總經濟指標中所占權重比較大。在供暖系統設計方案選擇中應充分重視鍋爐效率,系統可調節性等影響運行費用的指標,不可單一追求降低初投資而造成日后運行費用增加。

(4)本文只就燃煤熱源供暖方式的經濟性進行分析。供暖燃煤熱源的選擇還涉及諸如安全、污染排放控制等各方面的問題,應綜合考慮。在工程壽命周期成本中,不僅包括資金意義上的成本,還包括環境成本、社會成本。

[1]孫德興等.低溫熱水供暖技術推廣中尚需研究解決的問題[J].暖通空調,2001,32(3):99-102.

[2]王榮光,沈天行,鄭維民.太陽能、地熱利用與地板輻射供暖[J].建筑節能,2002,37:54-61.