熱源塔熱泵辦公樓改造全壽命周期經(jīng)濟分析

艾愛 桂樹強 顏俊 楊艷

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司

近年來，熱源塔熱泵開始逐漸為人們所熟知，熱源塔（也叫能源塔）是在冷卻塔的原理基礎(chǔ)上加以改造，利用抗凍劑溶液低溫不結(jié)冰的特性吸收了水蒸氣的能量。當水蒸氣進入塔中，遇到冰冷的抗凍劑溶液，便由氣態(tài)變成液態(tài)，能量就被釋放出來[1]。由于充分利用了南方氣候、氣象條件的特殊因素，潮濕陰冷，濕球溫度高儲藏的巨大能量的特點，能源塔提取低品位能性能相對比風(fēng)冷熱泵穩(wěn)定[2]。目前國內(nèi)塔體及其配套的熱泵機組仍以小體量為主，在應(yīng)用上不能實現(xiàn)大規(guī)模使用，因此多見于小型樓宇建筑或是改造項目等。本項目以武漢某辦公樓改造項目為例，分析了改造條件和包括熱源塔在內(nèi)的幾種不同方案的適用性，以滿負荷當量時間法估算了系統(tǒng)的全年運行能耗，同時采用了全壽命周期投資成本凈現(xiàn)值法及差額投資內(nèi)部收益率法進行了幾種方案的經(jīng)濟分析，得出熱源塔熱泵在該項目的經(jīng)濟適用性結(jié)論，供業(yè)內(nèi)人士在同類型項目中參考。

1 工程概況

本項目位于武漢市江岸區(qū)，項目主樓28000 m2，附樓6000 m2，總計建筑面積約3.4 萬 m2，主要業(yè)態(tài)為辦公。該項目采用了直燃機溴化鋰系統(tǒng)，熱源為天然氣，夏季制冷，冬季供熱。目前該項目已經(jīng)投入運營13 年，設(shè)備老舊較嚴重，整體運營成本較高。同時由于2016 年前后的天然氣限供政策（武漢市實施天然氣“保限?！贝胧瑝合薰I(yè)、商業(yè)用天然氣），導(dǎo)致冬季供熱相對不穩(wěn)定。通過現(xiàn)場考察有以下幾點需要改造的內(nèi)容：①采用了3 臺直燃溴化鋰冷溫水機，主機衰減率較高。②冷卻塔設(shè)置了3 組，位于附樓屋面，填料老化較嚴重，對系統(tǒng)換熱效果影響較大。③系統(tǒng)未考慮加藥等措施，管道內(nèi)淤泥及銹蝕物較多，年維護成本較高。

該項目位于武漢市江岸區(qū)核心市區(qū)范圍，不具備利用地表水資源、中水資源條件，同時項目周邊未規(guī)劃市政蒸汽供應(yīng)管道，加之天然氣限供因素等，可供改造采用的熱源主要為：電、太陽能、空氣源、淺層地?zé)崮艿取?/p>

2 改造方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)項目原系統(tǒng)設(shè)計，夏季冷水設(shè)計供回水溫度為7/12℃，冬季供回水設(shè)計供回水溫度為60/50℃?？紤]改造的熱源形式有限，即僅能考慮電鍋爐、風(fēng)冷熱泵、風(fēng)冷能源塔三種方式，結(jié)合武漢市氣象條件及同類型辦公建筑項目，建議采暖設(shè)計溫差調(diào)整為8℃，可滿足建筑采暖供應(yīng)需求，夏季保持5℃溫差不變。綜合前述，本項目改造夏季冷水設(shè)計供回水溫度為7/12℃，冬季供回水設(shè)計供回水溫度為46/38℃。

2.2 負荷設(shè)計

項目原設(shè)計夏季設(shè)計冷負荷4300 kW，冬季設(shè)計熱負荷3000 kW，考慮大樓建筑有大面積玻璃幕墻，同時，末端空調(diào)設(shè)備運行年限時間較長，為充分保障冷熱供應(yīng)效果，項目冷、熱負荷擬仍按原設(shè)計進行考慮，通過設(shè)計日逐時負荷分析[4]可知，夏季設(shè)計日累計負荷約為41194 kWh，冬季設(shè)計日累計負荷約為19110 kWh。

2.3 改造方案簡述

根據(jù)考察情況，擬仍充分采用原系統(tǒng)空調(diào)機房、水泵房、蓄水池等，且結(jié)合現(xiàn)有條件初步考慮了三種改造方案，參見表1 所示：

表1 辦公樓不同改造方案簡述

2.4 方案設(shè)計

2.4.1 電鍋爐+離心冷水機組方案

主要改造內(nèi)容有：①熱源改造：原系統(tǒng)中直燃溴化鋰冷溫水機需拆除，更換為電熱水鍋爐（制熱量：1620 kW，功率1700 kW 的鍋爐2 臺，設(shè)置于空調(diào)機房內(nèi)）。②增加電制冷冷水離心機組（制冷量：2285 kW，功率401 kW，夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃，供回水流量為390 m3/h 的機組2 臺，設(shè)置于空調(diào)機房內(nèi)）。③原系統(tǒng)中的冷卻塔進行更新改造（位于附樓屋頂）；其他例如蓄熱水池、循環(huán)泵組等可部分利舊，設(shè)置于現(xiàn)水泵用房；另外考慮配電增容5200 kVA。

2.4.2 風(fēng)冷熱泵方案

主要改造內(nèi)容有：①熱源改造：原系統(tǒng)中直燃溴化鋰冷溫水機需拆除，更換為風(fēng)冷熱泵機組（制冷量：1364 kW，功率：388.6 kW；制熱量：1302 kW，功率：370 kW 的機組3 臺，設(shè)置于附樓屋頂）。② 原系統(tǒng)中的冷卻塔進行拆除（位于附樓屋頂）；其他例如蓄熱水池、循環(huán)泵組等可部分利舊設(shè)置于現(xiàn)水泵用房；另外考慮配電增容1800 kVA。

2.4.3 熱源塔方案

該方案考慮的主要改造內(nèi)容有：

①熱源塔改造：原系統(tǒng)中的冷卻塔更換為熱源塔（冬季換熱：960 kW；夏季最大散熱量：2250 kW；功率：22 kW 的塔體4 臺，設(shè)置于附樓樓頂），此時熱源塔內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)將更換為能夠從冬季室外低溫大氣環(huán)境中吸取熱量的防凍液。②熱泵機組改造：原系統(tǒng)中直燃溴化鋰冷溫水機更換為可與熱源塔配套使用的熱泵機組（制冷量：2503 kW，功率：480 kW；制熱量：2067 kW，功率：546 kW 的機組2 臺，設(shè)置于空調(diào)機房內(nèi)）。③配套設(shè)備改造：在空調(diào)機房內(nèi)需增加配套的防凍液的收集池以及濃度控制裝置等[1]，設(shè)置于空調(diào)機房內(nèi)；其他例如蓄熱水池、循環(huán)泵組等可部分利舊，設(shè)置于現(xiàn)水泵用房；另外考慮配電增容1800 kVA。

2.5 投資與能耗成本計算

2.5.1 方案投資

本項目涉及項目的設(shè)備安裝費用、改造拆除費用等，其中建筑、安裝工程依據(jù)近期同類工程造價指標，近期《湖北工程造價管理》和項目當?shù)厥袌鰞r格水平為依據(jù)概算，工程費用具體包括站房內(nèi)設(shè)備、管道工藝系統(tǒng)，熱源側(cè)工藝系統(tǒng)，站房內(nèi)供配電系統(tǒng)（含增容費），自控系統(tǒng)及其它輔助設(shè)施等部分費用，不含用戶末端費用，但包含了原熱源系統(tǒng)拆除費用，可分別得到不同方案的造價成本約：方案一約283 元/m2，方案二274 元/m2，方案三299/m2。

2.5.2 能耗成本

采用滿負荷當量時間法估算全年運行能耗[6]，當量滿負荷的運行時間為全年空調(diào)冷負荷（熱負荷）的總和與制冷機（或鍋爐）最大出力的比值，其表達式如下所示：

式中：τ為夏（冬）季當量滿負荷運行時間，h；q 為夏（冬）季的逐時冷（熱）負荷，kW；T為夏（冬）季的冷（熱）負荷的運行時間，h；Q為夏（冬）季的設(shè)備最大出力冷（熱）負荷，kW。

參考以上以及武漢市本地同類型項目數(shù)據(jù)可知本項目夏季當量滿負荷時間約為690 h，冬季當量滿負荷時間約為344 h，項目夏季能耗約為2965968 kWh，冬季能耗約為1031940 kWh。

系統(tǒng)的費用為滿負荷裝機耗電量×全年折算滿負荷運行時間×能源價格，具體計算包含有：

式中：PR為冷機/熱泵機的滿負荷裝機耗電量，kW；Prn為冷機/熱泵機的額定功率，kW；Pp為循環(huán)水泵的滿負荷裝機耗電量，kW；Ppn為水泵的額定功率，kW；Pct為冷卻塔/熱源塔的滿負荷裝機耗電量，kW；Pctn為冷卻塔/熱源塔的額定功率，kW；TP為循環(huán)水泵的累計運行時間，h；εr為夏/冬季負荷率；Tr為冷機/熱泵機的累計運行時間，h；Tct為冷卻塔/熱源塔的累計運行時間，h；n為設(shè)備臺數(shù)。

根據(jù)上述計算內(nèi)容可計算三種方案的全年運行費用如表2 所示：

表2 辦公樓不同改造方案運行費用計算

3 全壽命周期經(jīng)濟分析

從前文可知，在三種方案技術(shù)實施條件均可行的條件下，投資方案三＞方案一＞方案二，能耗成本方案一＞方案二＞方案三，單從投資與能耗成本上來看，方案二要優(yōu)于方案一，可考慮僅比較方案二與方案三的優(yōu)劣，本項目考慮采用全壽命周期投資成本凈現(xiàn)值法和差額投資內(nèi)部收益率法進行經(jīng)濟分析[7]。

3.1 全壽命周期投資成本分析

本項目以常規(guī)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的15 年作為全壽命周期經(jīng)濟比選的計算期限，包括了項目改造建設(shè)期以及運營期，建設(shè)期考慮為1 年，項目折現(xiàn)率為8%，且按照折舊年限14 年，殘值率3%來進行計算，初步分析項目的投資成本內(nèi)容如表3 所示：

表3 辦公樓不同改造方案投資成本

3.2 全壽命周期投資成本凈現(xiàn)值

根據(jù)投資成本分析內(nèi)容，在系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi)考慮資金投入的時間價值影響，即貨幣市場具有動態(tài)特性，在不同時期貨幣的購買力是有所不同的，不同年份的投入成本凈現(xiàn)值計算公式如下所示：

式中：Q為當年累計投資成本凈現(xiàn)值，萬元；V為運營期首年年初投資成本凈現(xiàn)值，萬元；Zt為第t年累計投資成本，萬元；i為項目投資折現(xiàn)率；n為項目全壽命周期年份。

根據(jù)上述計算公式，計算三種方案的全壽命周期投資成本逐年累計凈現(xiàn)值，可繪制圖如圖1 所示：

圖1 全壽命周期內(nèi)投資成本凈現(xiàn)值比較

根據(jù)圖1 可知，方案三相比方案一大約1～2 年可收回增加的投資成本，相比方案二大約4 年左右可收回增加的投資成本。

3.3 差額投資內(nèi)部收益率

差額投資內(nèi)部收益率為相比較的二個方案的各年凈流量差額的現(xiàn)值之和等于0 時的折現(xiàn)率[7]，其計算公式為：

式中：（CI-CO）2為投資大的方案年凈現(xiàn)金流量，萬元；（CI-CO）1為投資小的方案年凈現(xiàn)金流量，萬元；ΔFIRR為差額投資財務(wù)內(nèi)部收益率。

根據(jù)式（8）可繪制方案三與方案二全壽命周期內(nèi)各年凈流量的差額投資凈現(xiàn)值的內(nèi)部收益率函數(shù)圖如圖2 所示：

圖2 方案三與方案二差額投資凈現(xiàn)值的內(nèi)部收益率函數(shù)

由圖2，可計算方案三與方案二的差額投資財務(wù)內(nèi)部收益率約為27.6%，大于財務(wù)基準收益率12%，此時以投資大的方案為優(yōu)，即采用方案三熱源塔的方案更優(yōu)。

4 結(jié)論

本文以武漢某辦公樓改造項目為例，分析了改造條件和三種不同方案的適用性特點，并對投資及能耗成本進行了計算，電鍋爐+離心機的方式由于投資及運行成本較高因此首先進行了排除，從改造內(nèi)容上來看采用風(fēng)冷熱泵具有投資少、施工便捷的特點。熱源塔雖然改造上實施并不復(fù)雜，但由于塔體采用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合熱泵主機的更換整體投資成本相對較高。通過全壽命周期投資成本凈現(xiàn)值法和差額投資內(nèi)部收益率法對風(fēng)冷熱泵和熱源塔方案進行了經(jīng)濟比選，結(jié)果顯示，熱源塔方案雖然投資較高，但全壽命周期內(nèi)整體經(jīng)濟性仍然較好，相比較風(fēng)冷熱泵方案可在4 年左右收回增加的投入成本，其差額投資收益率約27.6%。