南京地鐵冷水機組選擇與全壽命周期費用分析論文
摘要： 本文結合南京地鐵南北線一期工程冷水機組的選擇辦法，進行冷水機組的全壽命周期費用分析。重點就冷水機組在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的能耗費用與其初投資進行了比較，闡述了重視冷水機組COP值、IPLV值的必要性。力求做到合理的功能配置、經(jīng)濟的全壽命周期費用下價值的提升，同時也為選用和進一步開發(fā)類似設備提供了一點借鑒和參考。 關鍵詞：冷水機組，全壽命周期費用，功能，成本，能耗費用，COP值，IPLV值
一、 項目背景
南京地鐵南北線一期工程項目南起小行，北至邁皋橋，是南京市快速軌道交通路網(wǎng)的骨干線路。線路全長16.90公里，設有13座車站，其中地下車站8座、高架及地面車站5座。
本工程8座地下車站均設有空調(diào)通風系統(tǒng)。車站冷凍機房一般布置在車站地下一層或地下二層。冷凍機房內(nèi)設有水冷螺桿式冷水機組、清水泵等設備，為車站公共區(qū)及設備管理用房提供空調(diào)冷源。
本工程每座地下車站設一至兩個冷凍機房，每個冷凍機房內(nèi)設有兩至三臺水冷螺桿式冷水機組。按照有關規(guī)定，對8座地下車站內(nèi)的34臺水冷螺桿式冷水機組采用國內(nèi)公開招標的方式進行采購。
從地鐵工程運營角度考慮，在冷水機組選型參數(shù)基本確定的情況下，進行設備全壽命周期費用分析是選擇冷水機組的關鍵所在。
二、 全壽命周期費用分析
設備的壽命周期包含物理壽命、折舊壽命、技術壽命、經(jīng)濟壽命等，本文討論的全壽命周期，更多地是考慮設備的經(jīng)濟壽命，即指設備從開始使用到再繼續(xù)使用在經(jīng)濟上已不合理為止的全部時間。
冷水機組的全壽命周期費用由冷水機組設備投資及其使用費用組成。設備投資包括冷水機組供貨價格、安裝費等；設備使用費包括冷水機組能耗費、維修保養(yǎng)費、人員工資等。
我們用價值工程為主的方法研究冷水機組選擇與全壽命周期費用的關系。價值工程是著重功能分析，力求以最低的全壽命周期費用，可靠地實現(xiàn)對象的必要功能的有組織的創(chuàng)造性活動。
價值工程的基本表達式為V=F/C，其中V代表價值，F(xiàn)代表功能，C代表成本，即全壽命周期費用。冷水機組選擇的價值取向應是合理的功能配置、經(jīng)濟的全壽命周期費用下價值的提升。考慮到設備投資是通過市場公平競爭確定，冷水機組選擇的價值工程分析的主要思路放在確定合理功能，追求冷水機組使用費的降低上，特別是其能耗費用。
三、 冷水機組能耗費用分析
1． 根據(jù)南京地鐵南北線一期工程空調(diào)通風初步設計文件可知：
（1）、遠期高峰全線總設計計算冷量為20478kW；
（2）、空調(diào)最小新風工況的室外空氣焓：h≥70kJ/kg；空調(diào)全新風工況的室外空氣焓：54kJ/kg≤h≤70kJ/kg；
（3）、遠期、中期、近期最小新風工況全線日平均單位小時冷負荷分別為：12287kW、8191Kw、6143Kw;
（4）、遠期、中期、近期全新風工況全線日平均單位小時冷負荷分別為：5369kW、3580kW、2685 kW；
（5）、冷水機組遠期、中期、近期運行工況分別為：7年、10年、8年。
2、冷水機組的電耗及電費
查閱《南京氣象統(tǒng)計資料》可知：在每日5：00-23：00（列車通行時間）內(nèi)，全年最小新風工況為997小時、全新風工況為1209小時，則冷水機組年運行時間為2206小時且大部分時間冷水機組在部分負荷工況下運行。若參照ARI550-98關于"冷水機組在部分負荷工況條件下的制冷性能系數(shù)綜合指標IPLV值（kW/kW）"即IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D，其中A、B、C、D分別為冷水機組在100%、75%、50%、25%負荷運行時的COP值（kW/kW)，并假設冷水機組的IPLV值為5.844（本項目投標文件所提供的IPLV值的算術平均值）、經(jīng)濟壽命為25年、電價為0.6元/kW.h，則冷水機組在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的電耗為：
[（12287×997+5369×1209）×7+（8191×997+3580×1209）×10+（6143×997+2685×1209）×8]÷5.844=331101178÷5.844=56656601(Kw.h)
冷水機組在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的運行電費為：56656601×0.6=33993960(元)。
3、蒸發(fā)器、冷凝器水阻電耗及電費
蒸發(fā)器、冷凝器水阻電耗N=（L1×H1+L1×H2）÷(3600×ηs)(kW)。其中L1、L2分別為蒸發(fā)器、冷凝器的水流量，單位為m3/h；H1、H2分別為蒸發(fā)器、冷凝器的水阻力，單位為Kpa；ηs為水泵機組的效率。經(jīng)計算，本項目投標文件所提供的蒸發(fā)器、冷凝器水阻電耗的綜合算術平均值約為175kW。因本工程空調(diào)冷凍水、冷卻水系統(tǒng)均為定流量，則蒸發(fā)器、冷凝器水阻在冷水機組經(jīng)濟壽命期內(nèi)的電耗為：175×2206×25=9651250(kW.h) 運行電費為：9651250×0.6=5790750（元）。
4、冷水機組能耗費用與其初投資比較
通過上述計算，冷水機組在其經(jīng)濟壽命期內(nèi)的能耗費用為：33993960+5790750=39784710（元）。本項目冷水機組的投標報價算術平均值為1658萬元，則冷水機組在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的運行電費約為其初投資的2.4倍（39784710÷16580000=2.4）。
由此可見，冷水機組選擇應充分重視冷水機組在其經(jīng)濟壽命期內(nèi)的能耗費用，尤其是與能耗費用緊密相關的機組IPLV值。若機組IPLV數(shù)值提高0.1，則其節(jié)約的能耗費用約為其初投資的3.45%[（33993960-33993960×5.844/5.944）÷16580000=0.0345]。
四、 南京地鐵冷水機組的選擇辦法
南京地鐵南北線一期工程冷水機組的選擇兼顧了功能與成本相關的諸多因素，遵循"公平、公正、科學、擇優(yōu)"的原則，采用綜合評估法，選擇能夠最大限度滿足招標要求、并能圓滿地履行合同、對買方最為有利的投標人。力求做到合理的功能配置、經(jīng)濟的全壽命周期費用下價值的提升。
在冷水機組的功能方面，評價的主要因素有：
1、 設計合理、機組可靠性高。"安全可靠、功能合理、技術先進、經(jīng)濟實用"是南京城市快速軌道交通干線的總體目標，作為地鐵環(huán)控系統(tǒng)的主要設備--冷水機組的選擇必須服從這一總體目標。
2、 合格的制冷量。本項目招標文件要求：機組在名義工況的實測制冷量不小于投標人提供的機組在名義工況制冷量，并對機組制冷量測試辦法及測試不合格所采取的措施作了詳細規(guī)定。
3、 配置優(yōu)良、結構緊湊。性能可靠的冷水機組必須有優(yōu)良的配置保障，本項目招標文件對冷水機組主要零部件配置，尤其對冷水機組的核心部件--壓縮機總成配置均有比較明確的要求。由于冷水機組均設于車站地下一層或地下二層，空間小，搬運困難，故要求所選冷水機組必須結構緊湊、可維護性好。
4、 良好的部分負荷調(diào)節(jié)性能。鑒于地鐵車站客流量不斷變化，冷水機組大多數(shù)時間為部分負荷運行，要求冷水機組具有較寬廣的冷量調(diào)節(jié)范圍，且應采取一定的技術措施，以有利于部分負荷運行COP值的提高和有利于壓縮機之間的互為備用。
5、 先進的控制系統(tǒng)。從地鐵工程運營業(yè)員管理的角度出發(fā)，控制系統(tǒng)除保障冷水機組自身安全、高效運行外，還必須操作簡便并能與智能化管理系統(tǒng)兼容，以便對機組進行遠距離監(jiān)視和控制。
6、 機組噪聲低、使用壽命長。
在冷水機組的成本方面，評價的主要因素有：
1、 投標報價及其合理性分析。最適合的報價應符合"價格=成本+合理偏低利潤"的原則。
2、 較高的機組COP值、IPLV值。通過冷水機組的能耗費用分析與比較，對機組COP值、IPLV值引起足夠重視是非常必要的。
3、 較小的蒸發(fā)器、冷凝器水阻。過大的蒸發(fā)器、冷凝器水阻不僅會增加環(huán)控系統(tǒng)的運行費用，也會使與冷水機組配套的清水泵選型參數(shù)增大，導致清水泵投資增加。
4、 較低的設備維修保養(yǎng)費用。這就要求冷水機組特別是其主要零部件，如壓縮機等必須性能穩(wěn)定、可靠性高、使用壽命長、維修方便且費用低。
在本項目整個招標過程中，值得研究和探討的問題如下：
1、 由于國內(nèi)尚無權威機構對地鐵環(huán)境中冷水機組制冷性能系數(shù)綜合指標IPLV值的計算方法作出規(guī)定，本項目冷水機組能耗分析采用了美國ARI550-98標準中IPLV值的計算方法，其中機組在部分負荷的運行時間占機組全年運行時間的百分比數(shù)值還有待進一步調(diào)研和驗證。
2、 由于本項目投標人的心態(tài)不同，在其投標文件中提供的重要參數(shù)，如機組COP值、IPLV值、蒸發(fā)器、冷凝器水阻等數(shù)據(jù)的真實性、權威性均需進一步研究確診。
五、 結語
上述分析是本人的工作心得，但愿能對現(xiàn)在或將來選用類似設備的業(yè)主提供一點借鑒和參考，也提請廣大空調(diào)制冷設備商能加強技術投入，在設備性能、可靠性上多下功夫，開發(fā)出更多、更好的功能配置合理、全壽命周期費用經(jīng)濟的空調(diào)制冷設備。
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