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(xiàn)一期工程冷水機組的選擇辦法，進(jìn)行冷水機組的全壽命周期費用分析。重點(diǎn)就冷水機組在經(jīng)濟壽命期內的能耗費用與其初投資進(jìn)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(jià)值的提升，同時(shí)也為選用和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)類(lèi)似設備提供了一點(diǎn)借鑒和參考。 關(guān)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(xiàn)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(xiàn)路。線(xiàn)路全長(cháng)16.90公里，設有13座車(chē)站，其中地下車(chē)站8座、高架及地面車(chē)站5座。
本工程8座地下車(chē)站均設有空調通風(fēng)系統。車(chē)站冷凍機房一般布置在車(chē)站地下一層或地下二層。冷凍機房?jì)仍O有水冷螺桿式冷水機組、清水泵等設備，為車(chē)站公共區及設備管理用房提供空調冷源。
本工程每座地下車(chē)站設一至兩個(gè)冷凍機房，每個(gè)冷凍機房?jì)仍O有兩至三臺水冷螺桿式冷水機組。按照有關(guān)規定，對8座地下車(chē)站內的34臺水冷螺桿式冷水機組采用國內公開(kāi)招標的方式進(jìn)行采購。
從地鐵工程運營(yíng)角度考慮，在冷水機組選型參數基本確定的情況下，進(jìn)行設備全壽命周期費用分析是選擇冷水機組的關(guān)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(shù)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(kāi)始使用到再繼續使用在經(jīng)濟上已不合理為止的全部時(shí)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(jià)格、安裝費等；設備使用費包括冷水機組能耗費、維修保養費、人員工資等。
我們用價(jià)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(guān)系。價(jià)值工程是著(zhù)重功能分析，力求以最低的全壽命周期費用，可靠地實(shí)現對象的必要功能的有組織的創(chuàng )造性活動(dòng)。
價(jià)值工程的基本表達式為V=F/C，其中V代表價(jià)值，F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(jià)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(jià)值的提升�？紤]到設備投資是通過(guò)市場(chǎng)公平競爭確定，冷水機組選擇的價(jià)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． 根據南京地鐵南北線(xiàn)一期工程空調通風(fēng)初步設計文件可知：
�。�1）、遠期高峰全線(xiàn)總設計計算冷量為20478kW；
�。�2）、空調最小新風(fēng)工況的室外空氣焓：h≥70kJ/kg；空調全新風(fēng)工況的室外空氣焓：54kJ/kg≤h≤70kJ/kg；
�。�3）、遠期、中期、近期最小新風(fēng)工況全線(xiàn)日平均單位小時(shí)冷負荷分別為：12287kW、8191Kw、6143Kw;
�。�4）、遠期、中期、近期全新風(fēng)工況全線(xiàn)日平均單位小時(shí)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《南京氣象統計資料》可知：在每日5：00-23：00（列車(chē)通行時(shí)間）內，全年最小新風(fēng)工況為997小時(shí)、全新風(fēng)工況為1209小時(shí)，則冷水機組年運行時(shí)間為2206小時(shí)且大部分時(shí)間冷水機組在部分負荷工況下運行。若參照ARI550-98關(guān)于"冷水機組在部分負荷工況條件下的制冷性能系數綜合指標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(shí)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(shù)平均值）、經(jīng)濟壽命為25年、電價(jià)為0.6元/kW.h，則冷水機組在經(jīng)濟壽命期內的電耗為：
[（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(shù)平均值約為175kW。因本工程空調冷凍水、冷卻水系統均為定流量，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(guò)上述計算，冷水機組在其經(jīng)濟壽命期內的能耗費用為：33993960+5790750=39784710（元）。本項目冷水機組的投標報價(jià)算術(shù)平均值為1658萬(wàn)元，則冷水機組在經(jīng)濟壽命期內的運行電費約為其初投資的2.4倍（39784710÷16580000=2.4）。
由此可見(jiàn)，冷水機組選擇應充分重視冷水機組在其經(jīng)濟壽命期內的能耗費用，尤其是與能耗費用緊密相關(guān)的機組IPLV值。若機組IPLV數值提高0.1，則其節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(xiàn)一期工程冷水機組的選擇兼顧了功能與成本相關(guān)的諸多因素，遵循"公平、公正、科學(xué)、擇優(yōu)"的原則，采用綜合評估法，選擇能夠最大限度滿(mǎn)足招標要求、并能圓滿(mǎn)地履行合同、對買(mǎi)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(jià)值的提升。
在冷水機組的功能方面，評價(jià)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(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟實(shí)用"是南京城市快速軌道交通干線(xiàn)的總體目標，作為地鐵環(huán)控系統的主要設備--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(shí)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(chē)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、 良好的部分負荷調節性能。鑒于地鐵車(chē)站客流量不斷變化，冷水機組大多數時(shí)間為部分負荷運行，要求冷水機組具有較寬廣的冷量調節范圍，且應采取一定的技術(shù)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(jìn)的控制系統。從地鐵工程運營(yíng)業(yè)員管理的角度出發(fā)，控制系統除保障冷水機組自身安全、高效運行外，還必須操作簡(jiǎn)便并能與智能化管理系統兼容，以便對機組進(jìn)行遠距離監視和控制。
6、 機組噪聲低、使用壽命長(cháng)。
在冷水機組的成本方面，評價(jià)的主要因素有：
1、 投標報價(jià)及其合理性分析。最適合的報價(jià)應符合"價(jià)格=成本+合理偏低利潤"的原則。
2、 較高的機組COP值、IPLV值。通過(guò)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(guò)大的蒸發(fā)器、冷凝器水阻不僅會(huì )增加環(huán)控系統的運行費用，也會(huì )使與冷水機組配套的清水泵選型參數增大，導致清水泵投資增加。
4、 較低的設備維修保養費用。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定、可靠性高、使用壽命長(cháng)、維修方便且費用低。
在本項目整個(gè)招標過(guò)程中，值得研究和探討的問(wèn)題如下：
1、 由于國內尚無(wú)權威機構對地鐵環(huán)境中冷水機組制冷性能系數綜合指標IPLV值的計算方法作出規定，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(shí)間占機組全年運行時(shí)間的百分比數值還有待進(jìn)一步調研和驗證。
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，如機組COP值、IPLV值、蒸發(fā)器、冷凝器水阻等數據的真實(shí)性、權威性均需進(jìn)一步研究確診。
五、 結語(yǔ)
上述分析是本人的工作心得，但愿能對現在或將來(lái)選用類(lèi)似設備的業(yè)主提供一點(diǎn)借鑒和參考，也提請廣大空調制冷設備商能加強技術(shù)投入，在設備性能、可靠性上多下功夫，開(kāi)發(fā)出更多、更好的功能配置合理、全壽命周期費用經(jīng)濟的空調制冷設備。
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