蒸氣壓縮循環蒸發冷卻式冷水熱泵機組用于商業建筑的經濟性研究

程嘉穎　陳剛

摘 要：作蒸發式冷凝機組應用于商業建筑的前景分析。基于某工程實例，介紹了該機組在夏季制冷工況下的設計思路，并根據當前市場上生產廠家提供的數據，分析了初投資、運行費用和維護費用，以計算投資回收期。結果表明，蒸發式冷凝機組能有效節省運行能耗，并且相對于常規水冷機組，其投資回收期分別為3.9年（含螺桿式壓縮機）和5.4年（含磁懸浮離心式壓縮機）。

關鍵詞：蒸發式冷凝機組；商業建筑；性能系數；運行能耗；空調；制冷

中圖分類號：TB65 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0055-03

Abstract： The application prospect of evaporative condensing unit in commercial buildings is analyzed. Based on an engineering example， the design idea of the unit under summer refrigeration condition is introduced， and the initial investment， operation cost and maintenance cost are analyzed according to the data provided by the manufacturers in the market at present， in order to calculate the payback period of the investment. The results show that the evaporative condensing unit can effectively save energy consumption， and the investment recovery period is 3.9 years （including screw compressor） and 5.4 years （including magnetic suspension centrifugal compressor）， respectively， compared with the conventional water cooling unit.

Keywords： evaporative condensing unit； commercial building； coefficient of performance； operational energy consumption； air conditioning； refrigeration

引言

近年來我國建筑面積持續增長[1]，建筑的運行能耗巨大[2]，因此解決建筑節能已成為我國節能減排的一項重大問題[3，4]。蒸氣壓縮循環蒸發冷卻式冷水（熱泵）機組（以下簡稱“蒸發式冷凝機組”），是將空調系統中的常規空調水冷機組的冷凝器和冷卻塔集成，具有傳熱系數高、冷凝溫度低，可以節省系統能耗的特點。以某一工程為例，本文對該機組作經濟性分析，并計算其投資回收期，以探討其應用于商業建筑的前景。

1 工程概況

該商業項目位于南京，地處夏熱冬冷地區，總建筑面積約14萬m2，其中商業建筑面積為90316m2。

該地區不考慮峰谷電價。

2 技術分析

2.1 冷負荷計算與冷源選型

根據商業建筑面積（90316m2），估算系統冷負荷為2750 RT（合9670kW）。

筆者收集了當前市場上生產蒸發式冷凝機組的9家廠家的資料，發現當前市場上的蒸發式冷凝機組，可根據換熱器類型分為板管式換熱器和降膜式換熱器，其系統SCOP分別為4.8和5。在工程上可認為沒有明顯的差距，因此本文重點分析降膜式換熱器構成的蒸發式冷凝器；另外，當前多數廠家生產由螺桿式壓縮機構成的蒸發式冷凝機組，少數會生產由磁懸浮離心式壓縮機構成的機組，其SCOP為8。

總之，考慮其冷源：（1）采用4臺700 RT的常規水冷式機組；（2）采用8臺350 RT的螺桿式蒸發冷凝機組；（3）采用8臺350 RT的磁懸浮蒸發冷凝機組。

2.2 部分負荷小時數

筆者收集了南京某一實際商業項目在2017年全年的運行數據（如表1所示），從中篩選出在制冷季節（5月1日至10月15日），該項目的部分負荷運行情況；再將部分負荷分為10項，分別為10%，20%，30%……100%等十種情況，得到每一種部分負荷，在全年出現的小時數。

根據部分負荷的運行情況，70%負荷情況（1925 RT）的出現次數最高，為437小時，而100%滿負荷的情況（2750 RT）的出現次數最少，僅為2小時。

值得注意的是，10%-40%的部分負荷小時數占整個制冷季節的71%。這提醒我們，系統選型過大是常見的問題，實際運行時部分負荷可能會過小。

3 經濟分析

3.1 初投資

三種形式冷源的初投資匯總如表2所示。

首先，常規水冷式機組由離心式水冷機組、冷卻塔、水泵及附件組成，此處主要分為離心式水冷機組和冷卻塔等水系統附件兩項，前者設備單價為1600元/RT，后者為500元/kg水量。根據該系統的冷負荷為2750RT，因此離心式水冷機組的設備總價為440萬元，而計算冷卻塔水量時因為考慮余量，故將冷卻塔水量所帶的冷負荷乘以1.3的系數。再根據其設備單價，計算得出冷卻塔的設備總價為108萬元。兩者的安裝費均考慮為設備總價的20%；BA控制器均為設備總價的10%。水、水泵及附件總價為水冷機組和冷卻塔設備總價和安裝費總和的50%。因此，常規水冷式機組的初投資總價為1041萬元。

其次，螺桿式蒸發冷凝機組的設備單價為4000元/RT，按照冷負荷2750 RT計算可得設備總價為1100萬元，其安裝費為設備總價的10%，BA控制費暫以20萬元計算。所以，螺桿式蒸發冷凝機組的初投資總價為1230萬元，比常規機組增加了20%。

類似地，磁懸浮蒸發冷凝機組的設備單價為5500元/RT，按照冷負荷2750 RT計算可得設備總價為1512萬元，其安裝費定為110萬元，BA控制費暫以20萬元計算。因此，螺桿式蒸發冷凝機組的初投資總價為1642萬元，比常規機組增加了60%。

3.2 運行費用

根據部分負荷運行情況，以及電費0.8033元/kWh，和三種機組的系統性能系數SCOP（離心式水冷機組為4.6，螺桿式蒸發冷凝機組和磁懸浮蒸發冷凝機組分別為5和8），可計算得到它們的年運行能耗（如表3和圖1所示，分別為計算過程和計算結果）。

蒸發式冷凝機組的年運行費用顯著小于常規離心式水冷機組。螺桿式蒸發冷凝機組為186萬元，磁懸浮蒸發冷凝機組為123萬元，常規水冷機組的年運行費用為213萬元，因此蒸發式冷凝機組分別是常規水冷機組的87%和58%。

由此說明，蒸發式冷凝機組在運行過程中有助于節省能耗，也論證了上文所述的性能系數SCOP高。這是因為，蒸發式冷凝機組在結構上將冷凝器和冷卻塔集成為一體，由此可以節省水量和水泵能耗，且節省幅度很大。

3.3 維護費用

蒸發冷凝機組的維護費用約為常規水冷式機組的50%。如表4所示：常規水冷式機組每年維護費用為41萬元，而蒸發式冷凝機組無論是螺桿式壓縮機構成還是磁懸浮離心式壓縮機構成，其維護費用都為20萬元/年，是常規水冷機組的約50%。

3.4 投資回收期

將維護費和運行能耗的和作為每年的運行費用，得到螺桿式蒸發冷凝機組和磁懸浮蒸發冷凝機組分別對于常規離心式水冷機組的差值；類似地，得到初投資的差值后，將初投資的差值除以運行費用的差值，計算得到投資回收期。

考慮到供貨膨脹，實際的回收期可能會久于當前計算所得的投資回收期。由于具體的增長系數無法確定，因此以靜態回收期作為計算和評價依據，作為后續系統選型的參考依據。

根據計算過程和結果（如表5所示），螺桿式蒸發冷凝機組與常規離心式水冷機組的投資回收期為3.9年，磁懸浮蒸發冷凝機組為5.4年。由于投資回收期都在6年以內，我們認為可接受。

結果表明，蒸發式冷凝機組在運行3-5年后，由于其在年運行費用上具有顯著優勢，會比常規離心式水冷機組節省費用。這意味著，該機組前期的高投入會在3-5年后與常規冷水式機組持平，并在之后更為節能節電。不過，實際回收期由于通貨膨脹，會比當前計算所得的3-5年更久。

4 結束語

本文對蒸發式冷凝機組進行經濟性分析，以作其應用于商業建筑的前景分析。以南京的某一具體商業項目為例，分別將兩種類型的蒸發式冷凝機組，和常規水冷式制冷機組作為討論對象，計算投資成本和運行能耗，并得到它們的投資回收期。

蒸發式冷凝機組的初投資較高，但維護費用和運行能耗低于常規水冷機組。兩種壓縮機形式的蒸發式冷凝機組（螺桿機和磁懸浮離心機），初投資分別比常規機組增加了20%和60%，維護費用則相當于常規水冷機組的約50%。蒸發式冷凝機組（螺桿機和磁懸浮離心機）的運行能耗分別是常規水冷機組的87%和58%。

螺桿式蒸發冷凝機組與常規離心式水冷機組的靜態回收期為3.9年，磁懸浮蒸發冷凝機組為5.4年。投資回收期低于6年，我們認為在可接受范圍內。不過，由于通貨膨脹，實際回收期會比3-5年更久。

參考文獻：

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