暖通空調(diào)方案經(jīng)濟性評價模型與模擬方法

暖通空調(diào)方案經(jīng)濟性評價模型與模擬方法

0暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性評價暖通設(shè)備工程是一項涵蓋廣泛、內(nèi)容廣泛、復(fù)雜多樣的系統(tǒng)工程。對于同一房間的要求，可以有各種各樣的解決方案。我們最終應(yīng)該選擇哪種方案？選擇的依據(jù)是什么？我們應(yīng)該以少量能源消耗為基礎(chǔ)。還是第一次投資少?；蛘咭赃\營管理方便、運營成本少為基礎(chǔ)。事實上，對暖通設(shè)備系統(tǒng)性能的全面、公正評估至少包括兩個方面（見圖1）。另一方面，通過對該系統(tǒng)的運行進行年度全球流程的模擬分析，可以得到該系統(tǒng)所能提供的室內(nèi)空間環(huán)境的參數(shù)，并以滿足使用要求的滿意率作為該方案的可行性評估。另一方面，計算該方案的初始投資和運營成本，并將該方案的使用壽命成本作為評價該方案的經(jīng)濟因素。然后設(shè)計人員結(jié)合這兩方面的評價,權(quán)衡利弊,確定功能與成本最佳匹配的暖通空調(diào)設(shè)計方案。因此,方案的經(jīng)濟性評價是暖通空調(diào)設(shè)計過程中必不可少的環(huán)節(jié)。建筑環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計是一個循序漸進并且不斷反饋的過程,系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)分階段進行。因此,暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性分析,必須針對每個設(shè)計階段不同的設(shè)計任務(wù),對本階段擬采用的多個方案的經(jīng)濟性進行預(yù)測和比較,從而在不同的設(shè)計階段,為暖通空調(diào)設(shè)計師及工程建設(shè)部門提供方案選擇的經(jīng)濟性依據(jù)。本講將首先介紹目前暖通空調(diào)方案經(jīng)濟性分析的研究現(xiàn)狀,然后闡述DeST中暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性分析所選用的模型與模擬方法,最后輔以實例來詳細說明。1暖通空調(diào)設(shè)計能耗分析由于暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性是決定方案是否選用的重要指標(biāo)之一,目前已有相當(dāng)多與此相關(guān)的研究成果發(fā)表,大多是針對暖通空調(diào)設(shè)計過程中某一階段的某個具體問題。同時目前的大部分能耗模擬軟件,例如美國的EnergyPlus,也都涉及到暖通空調(diào)方案能耗的經(jīng)濟性分析。下面分別進行簡要介紹。1.1對冷熱源設(shè)計的經(jīng)濟性分析國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)多關(guān)于暖通空調(diào)方案經(jīng)濟性的研究,大多是針對設(shè)計過程中的某個具體問題的經(jīng)濟性進行的分析,很少對暖通空調(diào)系統(tǒng)整體經(jīng)濟性計算方法作研究。正是由于缺乏整體系統(tǒng)的方法,在分析某個局部的具體問題時就無法避免分析的片面性。比如建筑部件經(jīng)濟特性的研究,在此類研究中建筑部件的經(jīng)濟性分析模型存在以下不足:在計算初投資時,一般只考慮到改進型建筑部件與基準(zhǔn)建筑部件的差價所引起的初投資增加部分,而沒有考慮到因改進建筑部件減少了建筑的冷熱負荷,從而減小空調(diào)末端設(shè)備和冷熱源的容量所減少的初投資部分。另外,目前的經(jīng)濟性分析依然是從原先單點設(shè)計的角度上去分析考慮,這樣也會使其結(jié)果存在較大誤差。比如,在冷熱源選型研究中,當(dāng)計算冷熱源的運行費用時,一般是根據(jù)全年冬夏季建筑的冷熱負荷,直接采用制冷機組額定的COP或者采用冷熱源的平均出力、當(dāng)量負荷率等指標(biāo),折合計算出冷熱源的年耗電量或耗氣量,然后再乘以固定的電價或燃氣價得到冷熱源設(shè)備的全年運行費。這樣的計算方法存在以下不足:由于室內(nèi)外參數(shù)等因素隨時間變化,建筑物全年空調(diào)冷熱負荷也隨時間變化,制冷設(shè)備并不是全年都按額定工況運行,而是有時運行在部分負荷下。同時不同類型的冷熱源設(shè)備在部分負荷下的運行性能差異很大,如果直接采用制冷機組額定的COP等固定常數(shù)來計算耗電量,會出現(xiàn)一定的誤差,最終將會影響冷熱源選型的經(jīng)濟性分析的可信度。1.2集成同步模擬的局限性EnergyPlus是美國能源部和勞倫斯·伯克利國家實驗室繼1998年停止DOE-2的開發(fā)后,重新開發(fā)的新的能耗模擬軟件。它由四個主要模塊構(gòu)成:負荷模塊、系統(tǒng)模塊、設(shè)備模塊和經(jīng)濟模塊。模擬時采用集成同步的負荷模擬、系統(tǒng)模擬和設(shè)備模擬,這種方式無法獨立進行負荷模擬、系統(tǒng)模擬和設(shè)備模擬,需要輸入詳細數(shù)據(jù)一同進行模擬。然而實際的空調(diào)設(shè)計過程是一個分階段進行、逐步深化的過程,在不同的階段需要不同的數(shù)據(jù),面向不同的設(shè)計對象,解決不同的問題,隨著設(shè)計的深入展開,未知數(shù)據(jù)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎Ｋ赃@種整體的集成同步的模擬限制了它在暖通空調(diào)設(shè)計過程中的應(yīng)用,該軟件主要用于詳細設(shè)計完成之后的建筑能耗分析和評估,其經(jīng)濟模塊用于計算滿足負荷所需要的能源費用。因此,EnergyPlus的經(jīng)濟性模型不符合設(shè)計過程的循序漸進性,沒有與暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計由淺入深的每一步緊密結(jié)合,也就不能在設(shè)計的不同階段,當(dāng)設(shè)計人員需要進行方案取舍時,提供出量化的依據(jù)。綜上所述,對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中的經(jīng)濟性評價方法的系統(tǒng)研究亟待進行,迫切需要一種更準(zhǔn)確、更方便、更有預(yù)見性的經(jīng)濟性計算方法,在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中對系統(tǒng)的各個部分及整體系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行準(zhǔn)確、方便的預(yù)測。2德爾菲熱敏系統(tǒng)的經(jīng)濟分析2.1暖通空調(diào)方案分析本著“分階段設(shè)計,分階段模擬”的理念,建筑模擬軟件DeST在開發(fā)過程中融合了實際設(shè)計過程的階段性特點,將模擬劃分為建筑熱特性分析、系統(tǒng)方案分析、空氣處理方案分析、冷熱源及泵站分析和風(fēng)系統(tǒng)分析共五大階段。在設(shè)計的不同階段對設(shè)計目標(biāo)進行可行性分析,模擬出準(zhǔn)確實用的可行性分析結(jié)果。同樣,暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性分析也必須針對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計由淺入深、逐步深化的這種過程,在設(shè)計的不同階段,利用已有的信息,盡可能準(zhǔn)確地評價擬采用的系統(tǒng)的經(jīng)濟性,從而為優(yōu)化設(shè)計、比較方案提供經(jīng)濟方面的依據(jù)。下面將分別簡述建筑環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計過程中的各個階段。2.1.1圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計及其經(jīng)濟性分析在本階段主要研究建筑物的本體,包括建筑的朝向設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、房間功能及內(nèi)擾設(shè)計等。其中圍護結(jié)構(gòu)的熱性能是影響建筑環(huán)境狀況和能耗狀況的一個重要因素,因此圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有著十分重要的意義。圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計又包括確定建筑幾何形狀和窗墻比、選擇建筑材料、設(shè)計遮陽部件等。DeST根據(jù)設(shè)計者提出的不同建筑設(shè)計方案,對建筑進行全年逐時的溫度模擬和供暖空調(diào)能耗計算,同時進行相應(yīng)暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性分析。通過建筑方案設(shè)計階段的模擬分析,進行不同方案之間的對比,對建筑主體設(shè)計本身提出有利于建筑節(jié)能的意見同時確保其經(jīng)濟合理。2.1.2其他系統(tǒng)設(shè)計方案的比較在本階段主要是進行分區(qū)方案及空調(diào)系統(tǒng)形式的設(shè)計,這是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié),該設(shè)計的優(yōu)劣在極大程度上影響建筑使用時的冷熱狀況,以及空調(diào)系統(tǒng)能否滿足人員熱舒適的要求。目前的分區(qū)方案及空調(diào)系統(tǒng)形式設(shè)計大多還停留在依賴經(jīng)驗和簡單手工計算基礎(chǔ)上,而建筑的復(fù)雜性使得這種設(shè)計往往不能滿足舒適性和經(jīng)濟性的要求。在對建筑熱狀況進行全年逐時模擬的基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)計人員提出的不同設(shè)計方案,比如全空氣系統(tǒng)或風(fēng)機盤管系統(tǒng),DeST模擬出各房間全年的溫度狀況、不滿意率及要求的空調(diào)設(shè)備出力,同時對不同系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性作分析,使設(shè)計人員可從可行性和經(jīng)濟性兩個方面對不同的系統(tǒng)設(shè)計方案進行比較。通過系統(tǒng)方案設(shè)計階段的模擬分析,對不同的系統(tǒng)方案進行對比,輔助設(shè)計人員確定既能滿足使用要求又經(jīng)濟合理的系統(tǒng)方案。2.1.3其他總體設(shè)計方案確定分區(qū)方案及空調(diào)系統(tǒng)形式后,應(yīng)該進行空氣處理設(shè)備的設(shè)計與校核。設(shè)計人員確定一種設(shè)備組合,如熱回收器+表冷器+加濕器。DeST在方案設(shè)計模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,對選取的設(shè)備類型及容量進行全年逐時的校核計算,給出不滿足系統(tǒng)要求的時刻以及空氣處理方案的能耗。同時DeST根據(jù)選取的空氣處理設(shè)備,還作出相應(yīng)較為準(zhǔn)確的經(jīng)濟性分析,可以為用戶選擇節(jié)能經(jīng)濟的空氣處理方案提供依據(jù)。在進行方案選擇之后,后續(xù)設(shè)計分成兩個主要的分支:水系統(tǒng)的設(shè)計和風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。水系統(tǒng)的設(shè)計主要解決冷熱源以及水泵的選型及校核,風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計主要解決風(fēng)網(wǎng)設(shè)計和風(fēng)機的選型及校核。2.1.4逐時冷熱量的校核制冷站設(shè)計是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計非常重要的內(nèi)容,制冷機的容量和臺數(shù)搭配對系統(tǒng)初投資和運行費的影響均很大。目前的制冷站設(shè)計還大多停留在簡單單點手工計算基礎(chǔ)上,而建筑物使用的復(fù)雜性使得這種設(shè)計往往不能滿足舒適性和經(jīng)濟性的要求。DeST根據(jù)空調(diào)處理設(shè)備提出的全年逐時冷熱量要求,對選定的冷熱源、水泵的設(shè)備類型及容量進行全年逐時的校核計算,給出不滿足要求的時刻以及相應(yīng)的冷熱源和水泵的全年能耗。同時DeST根據(jù)選取的冷熱源和水泵類型、容量及運行能耗,進行更為準(zhǔn)確的經(jīng)濟性分析,幫助設(shè)計者確定既能滿足使用要求又經(jīng)濟合理的冷熱源、水泵方案。2.1.5風(fēng)系統(tǒng)方案的確定根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)方案模擬及空氣處理設(shè)備模擬結(jié)果得到的各個房間及末端的風(fēng)量需求,進行空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計計算,確定風(fēng)機等設(shè)備型號,校核設(shè)計方案在全工況下是否能滿足逐時的風(fēng)量要求,并模擬計算全年的風(fēng)機系統(tǒng)的運行能耗。同時DeST進行較準(zhǔn)確的經(jīng)濟性分析,幫助設(shè)計者確定既能滿足使用要求又經(jīng)濟合理的風(fēng)系統(tǒng)方案。上述各個不同設(shè)計階段需要解決的問題匯總見表1。DeST在設(shè)計的不同階段針對不同的設(shè)計任務(wù)進行相應(yīng)的模擬分析。圖2所示為DeST的軟件結(jié)構(gòu),它是由多個單獨的模塊相互連接構(gòu)成的。圖中的各個模塊與各設(shè)計階段對應(yīng),各個模塊的簡介可參見第1講。DeST在設(shè)計的不同階段能提供出準(zhǔn)確實用的可行性分析結(jié)果,詳細情況見表2。如建筑熱特性的模擬計算提供建筑的冷熱負荷,方案模擬則提供系統(tǒng)方案的運行效果及能耗,等等。各部分詳細的理論論述及實例可參考本專題的前9講[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。本講將著重論述在不同設(shè)計階段的經(jīng)濟性分析的方法。這樣DeST在每一設(shè)計階段,給出擬采用的暖通空調(diào)設(shè)計方案的可行性評價的同時,并行分析該方案的經(jīng)濟性,為每一步設(shè)計方案的選擇提供了方案可行性與經(jīng)濟性兩方面的決策依據(jù)。2.2缺省模型分析隨著設(shè)計的不斷進行,已知信息不斷增多,但要準(zhǔn)確、合理、可靠地預(yù)測暖通空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性則需要絕大部分設(shè)備、材料的具體型號、規(guī)格和數(shù)量,根據(jù)這些具體的信息,才可以準(zhǔn)確計算系統(tǒng)的初投資、運行費等經(jīng)濟性參數(shù),給出整體準(zhǔn)確的經(jīng)濟性評價。然而在設(shè)計初始的不同階段,在最需要作經(jīng)濟比較的時候,可用的確定信息最少。相反,等到工程設(shè)計進行到可以得到上述詳細信息時,經(jīng)濟評價工作又失去其意義,起不到預(yù)先指導(dǎo)人們選擇空調(diào)方案的作用。為了解決這一矛盾,DeST中經(jīng)濟性分析的主要思想就是在設(shè)計的每一個階段,對已經(jīng)模擬計算的部分采用模擬結(jié)果的詳細數(shù)據(jù);對未知的部分,根據(jù)已有的模擬結(jié)果,按照常規(guī)單點設(shè)計方法,為設(shè)計人員預(yù)選后續(xù)的設(shè)備及其容量,并完成預(yù)選系統(tǒng)和設(shè)備相應(yīng)的模擬計算,得到大部分設(shè)備、材料的具體規(guī)格和數(shù)量,然后逐項準(zhǔn)確計算系統(tǒng)的初投資、運行費參數(shù),給出較準(zhǔn)確的經(jīng)濟性評價。在DeST中把各階段預(yù)選設(shè)備并模擬分析的模塊稱為對應(yīng)其階段的缺省模型。缺省模型包括以下兩部分內(nèi)容:a)依據(jù)設(shè)計人員確定初步的方案,按照常規(guī)單點設(shè)計方法,為設(shè)計人員預(yù)選后續(xù)的設(shè)備及其容量。DeST采用了目前暖通空調(diào)設(shè)計中通用的設(shè)計方法,本講不作詳細闡述,具體可參考DeST的技術(shù)文檔。b)完成“預(yù)選系統(tǒng)和設(shè)備”相應(yīng)的模擬計算。其模擬計算原理同標(biāo)準(zhǔn)模塊,內(nèi)容可參見本專題的前9講[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。隨著設(shè)計的不斷深入,缺省模型逐步被標(biāo)準(zhǔn)模型取代,最終在設(shè)計完成之后,得到準(zhǔn)確完整的經(jīng)濟性結(jié)果。下面分階段進一步詳細說明。2.2.1定風(fēng)力式電機設(shè)備的選型在本階段主要研究的是建筑物的本體,即進行標(biāo)準(zhǔn)的BAS模塊的模擬,得到了建筑物全年逐時的冷熱負荷,而其他信息還未得到,此時要進行比較準(zhǔn)確的經(jīng)濟性評價是有難度的。DeST的做法是首先根據(jù)已有的信息,由設(shè)計人員確定以下初步的設(shè)計方案。a)空調(diào)系統(tǒng)的形式:定風(fēng)量、變風(fēng)量、風(fēng)機盤管等;b)冷源的類型:離心式、活塞式、螺桿式、溴化鋰吸收式、水冷冷水機組、風(fēng)冷冷水機組等;c)熱源的類型:城市集中熱網(wǎng),燃油、燃氣、燃煤鍋爐,溴化鋰吸收式冷熱水機組,空氣源熱泵機組,水冷熱泵機組等。如果設(shè)計人員不予確定,DeST將默認采用上述方案中的第一個方案。然后按照常規(guī)單點設(shè)計方法,為設(shè)計人員預(yù)選后續(xù)的設(shè)備及其容量,具體如下。a)DeST根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的系統(tǒng)分區(qū)規(guī)則進行空調(diào)系統(tǒng)的分區(qū)劃分。比如當(dāng)房間進深超過7m時,將離外墻4m處設(shè)為內(nèi)外區(qū)的分界線等。然后根據(jù)設(shè)計人員確定的空調(diào)系統(tǒng)形式,比如全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)(以下都以此為例進行說明),由BAS模塊模擬得到的房間尖峰負荷,按照式(1)計算出系統(tǒng)的額定送風(fēng)量。L=3600QxρcpΔt(1)式中L為送風(fēng)量,m3/h;3600為換算系數(shù),s/h;Qx為室內(nèi)尖峰顯冷負荷,kW;ρ為空氣密度,可取1.2kg/m3;cp為空氣比定壓熱容,可取1.01kJ/(kg·℃);Δt為送風(fēng)溫差,可取8℃。b)DeST按照常用的混風(fēng)段、粗效過濾段、6排表冷段、送風(fēng)段估計組合式空調(diào)箱的組成。取固定新風(fēng)比為0.15。c)由設(shè)計人員確定的冷源類型,比如電動活塞式制冷機,首先根據(jù)已經(jīng)計算出來的空調(diào)逐時冷負荷,考慮1.1的冷量損耗系數(shù),得到制冷站設(shè)計的最大計算冷負荷、平均小時冷負荷,作為選擇制冷機的依據(jù)。制冷機臺數(shù)的設(shè)置對于不同的制冷機形式有著不同的考慮,例如對于活塞式制冷機組,當(dāng)制冷量為580～1750kW時,臺數(shù)設(shè)置為兩臺等。DeST目前已有幾個簡單的制冷機臺數(shù)設(shè)置策略模塊供用戶選用。DeST中設(shè)有比較完備的設(shè)備庫,根據(jù)制冷站最大計算冷負荷及臺數(shù)進行制冷機的自動匹配選型。熱源選型同理。d)水系統(tǒng)默認采用二次泵定速系統(tǒng)。一次泵的流量等于冷水機組的額定流量,并附加10%的余量。揚程為克服一次環(huán)路的阻力損失,其中包括一次環(huán)路的管道阻力和設(shè)備阻力,設(shè)備阻力由已選制冷機設(shè)備的額定阻力確定,管路阻力由預(yù)先給定的阻力系數(shù)S值與額定流量求得,并考慮10%的附加余量。一次泵的數(shù)量與冷水機組臺數(shù)相同。二次泵的規(guī)格數(shù)量一般根據(jù)建筑使用功能等因素分成幾個區(qū),根據(jù)每個區(qū)具體的冷負荷確定水泵流量,根據(jù)每個區(qū)水網(wǎng)的阻力確定水泵的揚程。但是在初步設(shè)計階段,還沒有對分區(qū)進行設(shè)計,只能采用估算的方法確定。簡單來說,可以采用二次泵的流量和數(shù)量與一次泵相同,二次泵的揚程按預(yù)先給定的用戶側(cè)阻力系數(shù)S值與額定流量,并附加10%的余量求得。e)對于定風(fēng)量系統(tǒng),風(fēng)機的數(shù)量同組合式空調(diào)箱,風(fēng)量同組合式空調(diào)箱的額定風(fēng)量,揚程為克服環(huán)路的阻力損失,其中包括設(shè)備阻力和風(fēng)道阻力,設(shè)備阻力由已選空調(diào)箱設(shè)備的額定阻力確定,風(fēng)道阻力按給定的阻力系數(shù)S值與額定風(fēng)量求得,并考慮10%的附加余量。f)完成上述預(yù)選系統(tǒng)和設(shè)備相應(yīng)的模擬計算。上述的過程即執(zhí)行了缺省Scheme、缺省AHU、缺省CPS、缺省DNA的模擬。這樣,就得到了絕大部分設(shè)備、材料的具體型號、規(guī)格和數(shù)量,及其相應(yīng)的能耗,然后將上述信息傳輸?shù)浇?jīng)濟分析EAM(economicanalysismodel)模塊平臺,逐項計算暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運行費,給出較準(zhǔn)確的經(jīng)濟性評價指標(biāo)——壽命周期費用。在本階段BAS模塊已經(jīng)進行了詳細的模擬,采用的是標(biāo)準(zhǔn)的模塊。而后面的模塊實際上還未進行設(shè)計,所以采用的是缺省模塊。2.2.2預(yù)調(diào)方案scheme模擬在本階段進行的是空調(diào)系統(tǒng)形式及分區(qū)方案設(shè)計,研究的是不同環(huán)境控制方案的運行效果,也即進行標(biāo)準(zhǔn)的Scheme模擬,而后續(xù)的未進行設(shè)計部分采用缺省AHU、缺省CPS、缺省DNA的模擬。2.2.3未進行標(biāo)準(zhǔn)化的ahu模擬確定空調(diào)系統(tǒng)形式及分區(qū)方案后,本階段設(shè)計的是空氣處理設(shè)備,即進行標(biāo)準(zhǔn)的AHU模擬,而其余未進行設(shè)計部分采用缺省CPS、缺省DNA的模擬。2.2.4冷源和水泵的分類分類本階段的研究目的是選擇冷熱源并校驗,CPS采用標(biāo)準(zhǔn)模塊。水系統(tǒng)設(shè)計完畢。2.2.5風(fēng)分析儀階段的dna本階段進行空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計,DNA采用標(biāo)準(zhǔn)模塊。風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計完畢。2.2.6暖通空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性評價在對暖通空調(diào)系統(tǒng)各個部分都進行了模擬分析后,得到了絕大部分設(shè)備、材料的具體規(guī)格和數(shù)量及其相應(yīng)能耗,根據(jù)這些具體的信息,逐項準(zhǔn)確計算暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運行費等經(jīng)濟性參數(shù),給出整體準(zhǔn)確的經(jīng)濟性評價。3空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)的管道規(guī)格及長度的估算本節(jié)將詳細介紹DeST中暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性分析平臺,即經(jīng)濟性分析EAM模塊。在DeST的模擬結(jié)果中得到了絕大部分設(shè)備、材料的具體規(guī)格和數(shù)量及其相應(yīng)能耗,比如制冷機、冷卻塔、鍋爐、熱泵、換熱器、空調(diào)箱、風(fēng)機盤管、風(fēng)機等設(shè)備的數(shù)量及其能耗。但仍有部分設(shè)備、材料的規(guī)格數(shù)量沒有設(shè)計出來,比如風(fēng)管、風(fēng)管保溫、風(fēng)口、風(fēng)閥、水管、水管保溫、水過濾器等。這樣就無法進行詳細計算,所以DeST中采取估算的方法估計未知設(shè)備、材料的規(guī)格數(shù)量,半準(zhǔn)確、半估算地給出暖通空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性參數(shù)。具體如下。a)風(fēng)管:通過對典型布置的暖通空調(diào)系統(tǒng)所消耗的鋼板的數(shù)量進行研究分析,得知風(fēng)管的面積與風(fēng)管的送風(fēng)量、輸送的建筑面積、輸送面積的形狀系數(shù)有關(guān),即得到以下經(jīng)驗關(guān)系式:F=f(G?A?S)(2)式中F為風(fēng)管的面積,m2;G為風(fēng)管的送風(fēng)量,m3/h;A為風(fēng)管輸送的建筑面積,m2;S為風(fēng)管輸送面積的形狀系數(shù)。b)風(fēng)管保溫:采用目前暖通空調(diào)工程一般采用的30mm厚的帶鋁箔的離心玻璃棉板作為風(fēng)管的保溫材料,依據(jù)上述估算的風(fēng)管面積來估算出保溫材料的用量。c)風(fēng)口:按以下常規(guī)經(jīng)驗進行估算,對商場、餐廳類建筑的全空氣系統(tǒng)按照1000m3/h空調(diào)送風(fēng)量配一個300mm×300mm的方形散流器估算;對于全空氣系統(tǒng)的辦公室,按照600m3/h空調(diào)送風(fēng)量配一個250mm×250mm的方形散流器估算;對于風(fēng)機盤管,按照每臺盤管配兩個1000mm×200mm風(fēng)口估計等。d)風(fēng)閥:一般情況下,每臺組合式空調(diào)箱的送風(fēng)道和回風(fēng)道各安裝一個消聲器和防火閥,規(guī)格同送風(fēng)道和回風(fēng)道的尺寸。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》對送風(fēng)風(fēng)速的規(guī)定,取送風(fēng)干管的風(fēng)速為8m/s,由風(fēng)速和總風(fēng)量可確定送風(fēng)道的尺寸和防火閥、消聲器的規(guī)格等。e)水管:通過對典型布置的暖通空調(diào)系統(tǒng)所消耗水管的規(guī)格數(shù)量進行分析研究,總結(jié)出水管的規(guī)格和長度根據(jù)水管輸送的水量、輸送建筑面積、輸送面積形狀系數(shù)計算的經(jīng)驗公式,依此來估算水系統(tǒng)中水管的規(guī)格和長度。f)水管保溫:采用目前一般采用的帶鋁箔加筋隔汽層的離心玻璃棉保溫管套作為空調(diào)水管的保溫材料,厚度一般為50mm。根據(jù)水系統(tǒng)所用的各種管徑的水管的數(shù)量,按下式計算出水管保溫材料的使用量:V=∑iπ(di+δi+δi×3.3%)×(δi+δi×3.3%)li(3)式中V為水管保溫材料的使用量,m3;di為管徑,m;δi為管徑為di的管道的保溫材料厚度,m;li為管徑為di的管道長度,m;3.3%為保溫材料允許的超厚系數(shù)。g)水過濾器:一般情況下,每臺組合式空調(diào)箱的進水管裝有一個水過濾器,規(guī)格同該空調(diào)箱總水管接管的管徑,水管的管徑可由下式算出:d=0.01746√QΔtv(4)式中d為空調(diào)箱水管接管管徑,m;Q為空調(diào)箱的供冷量,kW;v為管內(nèi)水流速,根據(jù)文獻的推薦值可以取1.5m/s;Δt為冷水供回水溫差,一般為5℃。3.1暖通空調(diào)設(shè)備費用估算暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資即系統(tǒng)的初始造價,它包括主要設(shè)備、材料的購置費,施工的人工費、機械費、材料費,其他直接費,施工臨時設(shè)施費,現(xiàn)場經(jīng)費,企業(yè)管理費,利潤,稅金等。暖通空調(diào)系統(tǒng)初投資的具體計算方法如下:暖通空調(diào)系統(tǒng)初投資=直接費+其他直接費+臨時設(shè)施費+現(xiàn)場經(jīng)費+企業(yè)管理費+利潤+稅金其中直接費=∑i空調(diào)設(shè)備、材料i的數(shù)量×空調(diào)設(shè)備、材料i單價下面以現(xiàn)行的《北京市建筑工程概算定額》為基礎(chǔ),來介紹式中各項值的確定方法。a)空調(diào)設(shè)備、材料數(shù)量制冷機、冷卻塔、鍋爐、熱泵、換熱器、空調(diào)箱、風(fēng)機盤管、風(fēng)機等設(shè)備的數(shù)量直接從DeST模擬計算的結(jié)果獲得。對于模擬分析未得到的暖通空調(diào)設(shè)備的規(guī)格和數(shù)量,按照常規(guī)暖通空調(diào)工程的一般情況,根據(jù)已知設(shè)備的規(guī)格和數(shù)量推導(dǎo)出。具體的估算方式如前所述。b)空調(diào)設(shè)備、材料單價制冷機、鍋爐、空調(diào)箱、風(fēng)機盤管、風(fēng)機、水泵、冷卻塔、換熱器、分集水器、水處理器等設(shè)備的概算單價采用其設(shè)備本身價格加文獻中的相應(yīng)概算子目的定額價格,定額價格包含施工安裝的人工費、機械費和安裝輔材費。消聲器、風(fēng)閥、鍍鋅鋼板風(fēng)道、鍍鋅鋼管、風(fēng)口、水閥等采用文獻中的相應(yīng)概算子目的定額價格,定額價格除了包含施工安裝的人工費、機械費和安裝輔材費外,還包含材料本身的主材費。經(jīng)濟性分析EAM模塊中建立了主要暖通空調(diào)設(shè)備、材料的價格庫。c)其他直接費=直接費中的人工費×相應(yīng)費率其中直接費中的人工費=∑i空調(diào)設(shè)備、材料i數(shù)量×空調(diào)設(shè)備、材料i安裝人工費其他直接費內(nèi)容包括:腳手架使用費、中小型機械使用費、材料二次搬運費、冬雨季施工增加費等。費率根據(jù)建筑物的類型(住宅、公用建筑)與檐高的不同來確定。d)臨時設(shè)施費=(直接費中的人工費+其他直接費中的人工費)×相應(yīng)費率臨時設(shè)施費包括:臨時宿舍、辦公室,現(xiàn)場施工臨時的道路、水、電管線等。e)現(xiàn)場經(jīng)費=(直接費中的人工費+其他直接費中的人工費)×相應(yīng)費率現(xiàn)場經(jīng)費是指項目經(jīng)理部組織施工過程中所發(fā)生的費用,包括辦公費、業(yè)務(wù)招待費等。f)企業(yè)管理費=(直接費中的人工費+其他直接費中的人工費)×相應(yīng)費率g)利潤=(直接費中的人工費+其他直接費中的人工費)×相應(yīng)費率h)稅金=(直接費+其他直接費+臨時設(shè)施費+現(xiàn)場經(jīng)費+企業(yè)管理費+利潤)×相應(yīng)費率3.2運行費的計算運行費是暖通空調(diào)系統(tǒng)很重要的一個經(jīng)濟性指標(biāo),有的系統(tǒng)雖然初投資較高,但是運行費卻較少,因此綜合的經(jīng)濟性能不一定不好。所以,暖通空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性預(yù)測的另一項重要任務(wù)就是要計算出待評價系統(tǒng)的運行費,以便更合理地評價方案的經(jīng)濟性。各種空調(diào)設(shè)備的能耗直接從DeST模擬計算的結(jié)果獲得,其運行費的詳細計算方法如下:空調(diào)系統(tǒng)運行費=∑j∑iWi,j×ΡEk,i(5)式中Wi,j為設(shè)備j在第i時刻的能耗,由DeST模擬計算得到;PEk,i為第i時刻能源k的單價。對于具有一定規(guī)模的暖通空調(diào)工程,必須設(shè)置專業(yè)人員進行運行管理和維修,確保系統(tǒng)及設(shè)備安全有效運行。比如,制冷壓縮機運行700～1000h應(yīng)進行小修,小修主要內(nèi)容包括:清洗并檢查氣缸,更換曲軸箱冷凍油等;運行2500～3000h應(yīng)進行中修,中修主要包括:檢查制冷機氣閥及截止閥,檢查氣缸與活塞,檢查軸封,清洗潤滑系統(tǒng)等。因此暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行費還必須包括運行管理和維修的人工、材料費用。DeST目前已有簡單的暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行管理和維修費的計算模塊。使用者在作方案比選時,可以選擇是否計算系統(tǒng)的運行維修費用,也可以根據(jù)實際情況,自行編程計算其準(zhǔn)確的運行管理和維修費用。3.3壽命周期費用指標(biāo)在計算出暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運行費后,單從這兩個參數(shù)還不能直觀地確定哪個方案更經(jīng)濟,因為可能有的方案初投資高但運行費低,而有的方案初投資低但運行費高。只有綜合考慮了初投資和運行費共同作用的經(jīng)濟性指標(biāo)才能對暖通空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性作出全面、公正的評價,使各個方案的經(jīng)濟性孰優(yōu)孰劣一目了然。常用的經(jīng)濟性指標(biāo)主要有償還年限(回收年限,也稱追加投資回收期)、年計算費用、壽命周期費用LCC(lifecyclecost)和凈現(xiàn)值NPV。這幾種經(jīng)濟性指標(biāo)均是綜合考慮了初投資和運行費的綜合效果。前兩種指標(biāo)為靜態(tài)指標(biāo),不考慮資金的時間價值,后兩種為動態(tài)指標(biāo)。根據(jù)暖通空調(diào)項目經(jīng)濟性評價的特點,各個方案比較的前提是各方案均能滿足空調(diào)要求,認為各方案產(chǎn)生的效益相同,所以不考慮各方案產(chǎn)生的效益,只考慮各方案引起的費用,因此,壽命周期費用是比較適合暖通空調(diào)經(jīng)濟性評價的指標(biāo)。壽命周期費用是將項目的初投資、項目設(shè)計壽命內(nèi)每一年的運行費,按照折現(xiàn)率折算成項目開始時的資金現(xiàn)值。壽命周期費用的大小綜合反映了項目初投資以及每年的運行費的情況,壽命周期費用越小,項目的經(jīng)濟性越好。壽命周期費用的計算公式如下:LCC=n∑t=0CΟt(1+i0)t(6)式中COt為第t年的費用,CO0表示項目的初投資;n為計算期(項目的壽命周期);i0為基準(zhǔn)折現(xiàn)率。項目計算期n包括建設(shè)期和生產(chǎn)經(jīng)營期。建設(shè)期根據(jù)項目的實際情況確定,生產(chǎn)經(jīng)營期一般不宜超過20年。對于某些水利、交通項目,生產(chǎn)經(jīng)營期的計算年限可適當(dāng)延長。對于常規(guī)的暖通空調(diào)項目,計算期一般為20年。基準(zhǔn)折現(xiàn)率i0指行業(yè)財務(wù)基準(zhǔn)收益率,它是各行業(yè)項目評價財務(wù)內(nèi)部收益率指標(biāo)的基準(zhǔn)判據(jù),代表行業(yè)內(nèi)投資資金應(yīng)當(dāng)獲得的最低財務(wù)盈利水平,代表行業(yè)內(nèi)投資資金的邊際收益率。行業(yè)基準(zhǔn)收益率是按現(xiàn)行財稅價格條件,根據(jù)各行業(yè)代表性企業(yè)近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、新項目可行性研究資料以及行業(yè)的綜合統(tǒng)計資料,按統(tǒng)一方法估計測算,在取值時考慮了國家產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)技術(shù)進步、資源狀況、價格結(jié)構(gòu)等因素后綜合研究測定的。由于文獻中沒有給定暖通空調(diào)行業(yè)的基準(zhǔn)折現(xiàn)率,所以按照經(jīng)濟評價中的社會折現(xiàn)率計算,取為12%。3.4經(jīng)濟分析的片面性綜上所述,DeST中暖通空調(diào)方案經(jīng)濟型模型具有以下特點:a)全面性。暖通空調(diào)方案初投資包含的內(nèi)容很多,不僅包括設(shè)備材料的購置費、安裝費,還包括各種取費和稅金。初投資模型基本囊括了方案的全面造價,從整體上得到了方案的初投資。這樣在分析某個局部的具體問題時,由它導(dǎo)致的一系列連鎖反應(yīng)所引起的初投資變化都能考慮在內(nèi),避免經(jīng)濟分析的片面性。比如,在設(shè)計暖通空調(diào)系統(tǒng)方案的階段,需要確定空調(diào)系統(tǒng)形式,是變風(fēng)量系統(tǒng),還是定風(fēng)量系統(tǒng)或風(fēng)機盤管?一方面對不同方案進行可行性分析,得到方案的整體滿意率;另一方面,需要對不同方案作初投資分析,因為不同系統(tǒng)方案不僅僅在于空調(diào)末端的設(shè)備不同,風(fēng)道、風(fēng)閥、風(fēng)口、風(fēng)道保溫、水管、水管保溫等也不同?，F(xiàn)在的初投資模型就能完全涵蓋不同空調(diào)系統(tǒng)形式之間的差異。運行費模型也克服了單點估算的不精確性缺陷,對全年逐時能耗進行了統(tǒng)計和分析,所以也方便進行分時電價的統(tǒng)計計算。b)實用性。初投資模型已經(jīng)達到了設(shè)計概算的細化程度,而且在每步的設(shè)計過程中可以直接生成相應(yīng)的概算書。各個設(shè)備材料的數(shù)量、規(guī)格一目了然,有理有據(jù),真正實現(xiàn)了輔助設(shè)計的功能。運行費計算書也可以對今后設(shè)備的運行管理提供一定的指導(dǎo)意義。c)開放性。經(jīng)濟性分析EAM模塊建立了三大數(shù)據(jù)庫:設(shè)備價格庫、能源價格庫以及概算定額庫。這些數(shù)據(jù)庫都是開放式的,可根據(jù)不同的地區(qū)、不同的價格水平、不同的現(xiàn)行定額作相應(yīng)的調(diào)整和修改。4方案分析和經(jīng)濟性分析下面以一商用辦公寫字樓為例,針對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中的不同設(shè)計階段,進行方案的可行性分析和經(jīng)濟性分析,以此來介紹經(jīng)濟性分析的方法和如何解決實際問題。4.1標(biāo)準(zhǔn)層建筑材料該寫字樓位于北京,建筑面積32000m2,建筑高度80m,共20層,均為客戶區(qū)。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖3所示,標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為1600m2,除去電梯間、空調(diào)機房和走廊,客戶區(qū)面積為1515m2,層高為3.8m。外墻傳熱系數(shù)為0.64W/(m2·K)。辦公室的室內(nèi)控制參數(shù)及熱擾情況見表3。4.2優(yōu)化設(shè)計的不同階段分析4.2.1暖通空調(diào)系統(tǒng)初投資及運行費的確定在本階段著重分析外窗的優(yōu)化選擇,表4所示的是待選窗戶的熱工性能及調(diào)研的市場價格。對上述兩種方案進行全年逐時的負荷模擬計算(即標(biāo)準(zhǔn)的BAS模塊),計算結(jié)果見表5。從中可以看出,窗戶采用中空Low-e后,建筑的尖峰和累計冷熱負荷均有所減小。這樣將會減少冷熱源和空調(diào)設(shè)備的容量及其能耗。為了進一步分析不同的窗戶方案對暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資和運行費的影響,需要根據(jù)現(xiàn)有的建筑冷熱負荷預(yù)選后續(xù)的設(shè)備及其容量。首先,確定采用如下初步的暖通設(shè)計方案:a)空調(diào)系統(tǒng)的形式:定風(fēng)量系統(tǒng);b)冷源的類型:離心式冷水機組;c)熱源的類型:城市集中熱網(wǎng)。然后DeST按照常規(guī)單點設(shè)計方法,依據(jù)上面確定初步設(shè)計方案,預(yù)選后續(xù)的設(shè)備及其容量,并完成這些預(yù)選系統(tǒng)和設(shè)備相應(yīng)的模擬計算,即執(zhí)行缺省Scheme、缺省AHU、缺省CPS、缺省DNA模擬。DeST預(yù)選的設(shè)備及其模擬計算的能耗結(jié)果見表6,可見兩種方案具體設(shè)備的選型和能耗均有所差異。將模擬計算得到的絕大部分設(shè)備、材料的規(guī)格和數(shù)量,及其相應(yīng)的能耗等信息傳輸?shù)浇?jīng)濟分析模塊平臺,逐項計算暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運行費。最終統(tǒng)計結(jié)果見表7。由表7可看出,在該建筑中采用中空Low-e窗戶方案的壽命周期費用與采用普通中空窗戶相比,減少了225.03萬元,增加投資回收期為5.27年,綜合經(jīng)濟性能較好,建議采用該種方案。當(dāng)然最終在確定方案時還需作詳細的市場調(diào)研,以確保方案的合理性和可靠性。以下階段方案的比較均是以中空Low-e窗戶方案為前提。4.2.2外區(qū)采用定風(fēng)力系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)首先,由于房間的進深比較大,在距外墻2m處劃分內(nèi)外區(qū)。每層設(shè)空調(diào)機房,每個機房配置3臺空調(diào)機組,分別負責(zé)外區(qū)和內(nèi)區(qū)。系統(tǒng)分區(qū)如圖4所示,系統(tǒng)2-1負責(zé)房間的內(nèi)區(qū),2-2負責(zé)西、北兩面的外區(qū),2-3負責(zé)東南面的外區(qū)。在本階段著重分析空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇,提出以下兩種空調(diào)系統(tǒng)方案:方案1:內(nèi)外區(qū)都采用定風(fēng)量系統(tǒng);方案2:內(nèi)區(qū)采用定風(fēng)量系統(tǒng),外區(qū)采用變風(fēng)量系統(tǒng)。其中定風(fēng)量系統(tǒng)換氣次數(shù)為8h-1,變風(fēng)量系統(tǒng)換氣次數(shù)為2～8h-1,最小新風(fēng)比為0.15。對上述兩種方案進行全年環(huán)境控制方案的模擬計算(即標(biāo)準(zhǔn)的Scheme模塊),并對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析,見表8。從中可以看出,方案1比方案2的全年不滿意小時數(shù)高3倍,達到了1044h,占全年總小時數(shù)的1/9左右。然后進一步分析兩種方案的經(jīng)濟性,即執(zhí)行缺省AHU、缺省CPS、缺省DNA模擬。方案2與方案1相比,部分系統(tǒng)改為變風(fēng)量系統(tǒng),初投資需要增加末端的變風(fēng)量箱及其控制裝置、變頻風(fēng)機等,運行費則相應(yīng)減少。兩種方案暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運行費的計算結(jié)果見表9。由表9可看出,在該建筑中采用方案2,壽命周期費用低,增加投資回收期為6.05a,綜合經(jīng)濟性能較好。并且結(jié)合上述兩種方案的可行性分析,方案2的滿意率也較高。因此建議采用方案2。以下階段方案的比較均是以內(nèi)區(qū)采用定風(fēng)量系統(tǒng),外區(qū)采用變風(fēng)量系統(tǒng)為前提。4.2.3空氣處理設(shè)備的模擬計算選定空氣處理段由