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1、南京地铁冷水机组选择与全寿命周期费用分析一、项目背景南京地铁南北线一期工程项目南起小行，北至迈皋桥，是南京市快速轨道交通路网的骨干线路。线路全长16.90公里，设有13座车站，其中地下车站8座、高架及地面车站5座。本工程8座地下车站均设有空调通风系统。车站冷冻机房一般布置在车站地下一层或地下二层。冷冻机房内设有水冷螺杆式冷水机组、清水泵等设备，为车站公共区及设备管理用房提供空调冷源。本工程每座地下车站设一至两个冷冻机房，每个冷冻机房内设有两至三台水冷螺杆式冷水机组。按照有关规定，对8座地下车站内的34台水冷螺杆式冷水机组采用国内公开招标的方式进行采购。从地铁工程运营角度考虑，在冷水机组选型参数
2、基本确定的情况下，进行设备全寿命周期费用分析是选择冷水机组的关键所在。二、全寿命周期费用分析设备的寿命周期包含物理寿命、折旧寿命、技术寿命、经济寿命等，本文讨论的全寿命周期，更多地是考虑设备的经济寿命，即指设备从开始使用到再继续使用在经济上已不合理为止的全部时间。冷水机组的全寿命周期费用由冷水机组设备投资及其使用费用组成。设备投资包括冷水机组供货价格、安装费等；设备使用费包括冷水机组能耗费、维修保养费、人员工资等。我们用价值工程为主的方法研究冷水机组选择与全寿命周期费用的关系。价值工程是着重功能分析，力求以最低的全寿命周期费用，可靠地实现对象的必要功能的有组织的创造性活动。价值工程的基本表达式
3、为V=F/C，其中V代表价值，F代表功能，C代表成本，即全寿命周期费用。冷水机组选择的价值取向应是合理的功能配置、经济的全寿命周期费用下价值的提升。考虑到设备投资是通过市场公平竞争确定，冷水机组选择的价值工程分析的主要思路放在确定合理功能，追求冷水机组使用费的降低上，特别是其能耗费用。三、冷水机组能耗费用分析1根据南京地铁南北线一期工程空调通风初步设计文件可知：（1）、远期高峰全线总设计计算冷量为20478kW；（2）、空调最小新风工况的室外空气焓：h70kJ/kg；空调全新风工况的室外空气焓：54kJ/kgh70kJ/kg；（3）、远期、中期、近期最小新风工况全线日平均单位小时冷负荷分别为：
4、12287kW、8191Kw、6143Kw;（4）、远期、中期、近期全新风工况全线日平均单位小时冷负荷分别为：5369kW、3580kW、2685 kW；（5）、冷水机组远期、中期、近期运行工况分别为：7年、10年、8年。2、冷水机组的电耗及电费查阅南京气象统计资料可知：在每日5：00-23：00（列车通行时间）内，全年最小新风工况为997小时、全新风工况为1209小时，则冷水机组年运行时间为2206小时且大部分时间冷水机组在部分负荷工况下运行。若参照ARI550-98关于“冷水机组在部分负荷工况条件下的制冷性能系数综合指标IPLV值（kW/kW）”即IPLV=0.01A+0.42B+0.45
5、C+0.12D，其中A、B、C、D分别为冷水机组在100%、75%、50%、25%负荷运行时的COP值（kW/kW)，并假设冷水机组的IPLV值为5.844（本项目投标文件所提供的IPLV值的算术平均值）、经济寿命为25年、电价为0.6元/kW.h，则冷水机组在经济寿命期内的电耗为：（12287997+53691209）7+（8191997+35801209）10+（6143997+26851209）85.844=3311011785.844=56656601(Kw.h) 冷水机组在经济寿命期内的运行电费为：566566010.6=33993960(元)。3、蒸发器、冷凝器水阻电耗及电费蒸发器
6、、冷凝器水阻电耗N=（L1H1+L1H2）(3600s)(kW)。其中L1、L2分别为蒸发器、冷凝器的水流量，单位为m3/h；H1、H2分别为蒸发器、冷凝器的水阻力，单位为Kpa；s为水泵机组的效率。经计算，本项目投标文件所提供的蒸发器、冷凝器水阻电耗的综合算术平均值约为175kW。因本工程空调冷冻水、冷却水系统均为定流量，则蒸发器、冷凝器水阻在冷水机组经济寿命期内的电耗为：175220625=9651250(kW.h) 运行电费为：96512500.6=5790750（元）。4、冷水机组能耗费用与其初投资比较通过上述计算，冷水机组在其经济寿命期内的能耗费用为：33993960+5790750
7、=39784710（元）。本项目冷水机组的投标报价算术平均值为1658万元，则冷水机组在经济寿命期内的运行电费约为其初投资的2.4倍（3978471016580000=2.4）。由此可见，冷水机组选择应充分重视冷水机组在其经济寿命期内的能耗费用，尤其是与能耗费用紧密相关的机组IPLV值。若机组IPLV数值提高0.1，则其节约的能耗费用约为其初投资的3.45%（33993960-339939605.844/5.944）16580000=0.0345。四、南京地铁冷水机组的选择办法南京地铁南北线一期工程冷水机组的选择兼顾了功能与成本相关的诸多因素，遵循“公平、公正、科学、择优”的原则，采用综合评估
8、法，选择能够最大限度满足招标要求、并能圆满地履行合同、对买方最为有利的投标人。力求做到合理的功能配置、经济的全寿命周期费用下价值的提升。在冷水机组的功能方面，评价的主要因素有：1、设计合理、机组可靠性高。“安全可靠、功能合理、技术先进、经济实用”是南京城市快速轨道交通干线的总体目标，作为地铁环控系统的主要设备-冷水机组的选择必须服从这一总体目标。2、合格的制冷量。本项目招标文件要求：机组在名义工况的实测制冷量不小于投标人提供的机组在名义工况制冷量，并对机组制冷量测试办法及测试不合格所采取的措施作了详细规定。3、配置优良、结构紧凑。性能可靠的冷水机组必须有优良的配置保障，本项目招标文件对冷水机组
9、主要零部件配置，尤其对冷水机组的核心部件-压缩机总成配置均有比较明确的要求。由于冷水机组均设于车站地下一层或地下二层，空间小，搬运困难，故要求所选冷水机组必须结构紧凑、可维护性好。4、良好的部分负荷调节性能。鉴于地铁车站客流量不断变化，冷水机组大多数时间为部分负荷运行，要求冷水机组具有较宽广的冷量调节范围，且应采取一定的技术措施，以有利于部分负荷运行COP值的提高和有利于压缩机之间的互为备用。5、先进的控制系统。从地铁工程运营业员管理的角度出发，控制系统除保障冷水机组自身安全、高效运行外，还必须操作简便并能与智能化管理系统兼容，以便对机组进行远距离监视和控制。6、机组噪声低、使用寿命长。在冷水
10、机组的成本方面，评价的主要因素有：1、投标报价及其合理性分析。最适合的报价应符合“价格=成本+合理偏低利润”的原则。2、较高的机组COP值、IPLV值。通过冷水机组的能耗费用分析与比较，对机组COP值、IPLV值引起足够重视是非常必要的。3、较小的蒸发器、冷凝器水阻。过大的蒸发器、冷凝器水阻不仅会增加环控系统的运行费用，也会使与冷水机组配套的清水泵选型参数增大，导致清水泵投资增加。4、较低的设备维修保养费用。这就要求冷水机组特别是其主要零部件，如压缩机等必须性能稳定、可靠性高、使用寿命长、维修方便且费用低。在本项目整个招标过程中，值得研究和探讨的问题如下：1、由于国内尚无权威机构对地铁环境中冷
11、水机组制冷性能系数综合指标IPLV值的计算方法作出规定，本项目冷水机组能耗分析采用了美国ARI550-98标准中IPLV值的计算方法，其中机组在部分负荷的运行时间占机组全年运行时间的百分比数值还有待进一步调研和验证。2、由于本项目投标人的心态不同，在其投标文件中提供的重要参数，如机组COP值、IPLV值、蒸发器、冷凝器水阻等数据的真实性、权威性均需进一步研究确诊。五、结语上述分析是本人的工作心得，但愿能对现在或将来选用类似设备的业主提供一点借鉴和参考，也提请广大空调制冷设备商能加强技术投入，在设备性能、可靠性上多下功夫，开发出更多、更好的功能配置合理、全寿命周期费用经济的空调制冷设备。北京远洋
12、大厦暖通空调设计经验与教训工程概述远洋大厦座落于北京西长安街南侧、复兴门立交桥东南、首都黄金地带。大厦建筑面积约11万m2，建筑高度67.3m。地上共17层：包括首层商务、服务、辅助性商用，216层为办公、17层为俱乐部；地下共3层：包括餐厅、厨房、会议、物业管理办公、各类机房、汽车库、自行车库、仓库及人防等功能。标准层高3.70m，办公室内净高2.65m，空调面积约7.9万m2。大厦四立面约75%的面积为透明白玻璃点式幕墙，是一幢整体性、高档次、多功能、智能化综合写字楼。设计始于1995年，2000年8月建成并投入使用。空调系统根据大厦高起点的定位，空调系统按照高标准、高效、经济节能的原则进
13、行设计。室内设计参数如下：场所干球温度（）相对湿度（%）最小新风量m3/h.p夏季冬季夏季冬季总裁办公室23242122554085贵宾室、个人办公室24252122554050办公室、休息室、会议室2526212260403035商场、展示厅25261820654020宴会厅、餐厅、多功能厅24252122654025咖啡厅、酒吧、舞厅23242223604030壁球、高尔夫、健身房23241920604030桑拿、浴室25262425707030门厅、大堂、走廊27281618计算机中心21232022654030电话机房、消防安全控制中心25262122554030目前大厦冷冻机装机冷量
14、为13185kW（3750 RT），空调总冷负荷为11866kW，冷负荷指标为108.6W/ m2。冷冻机房位于地下二、三层，采用4395kW/台（1250RT/台）离心式冷水机组三台，冷媒为R134a。冷冻水供回水温度7/12，冷却水进出水温度32/37。冷冻水系统为一次泵复式变流量系统。水泵三用一备，抽出式设置。分、集水器间设旁通管和压差调节阀以保证供回水管路压力平衡及过渡季出现冷冻回水温度过高时降低其温度，使冷水机组安全运行。为避免负荷偏载发生、平衡管网阻力，在水泵出口上设置动态平衡阀以保证水系统在出现流量变化等状况时能安全、平稳地工作。水系统由设在屋顶的膨胀水箱定压，冷冻水系统充水及补
15、水均使用软化水。空调水系统主干管采用下供下回双管异同程结合式系统，按空气、新风处理机组和风机盘管两个环路供水。空气、新风处理机组环路为四管制，为有利于冬季加热盘管防冻，提高传热效率，热水供回水温度为85/60，由热交换站提供。为解决管路水力失调和节能的问题，各末端机组均设静态平衡阀和电动调节阀。风机盘管环路为二管制，冬、夏季供水转换在冷冻机房进行，冬季供回水温度为60/50，各供水单元回水干管上均设静态平衡阀。四管制供水，使系统具备同时供应冷热水的可能性。尤其是在过渡季，当大厦南北两侧要求分别供冷、暖时，通过管路切换，可满足要求。根据房间的使用功能，设置了全空气空调系统和风机盘管加新风的空调系
16、统。地下一层餐厅、多功能厅、厨房、地下二层变配电间及首层大堂、顶层俱乐部采用全空气系统。根据各自的负荷特点，空调循环风量为3540m3/h.m2,新风比为3045%。综合考虑节能、降低投资、保证送风的清洁度和便于控制管理的要求，除厨房和变配电间之外，均采用一次回风系统。厨房和变配电间为直流式系统。一层大堂气流组织方式为双侧对喷多股平行射流方式，其余均为上送上回或侧送上回方式。为保证新风的清洁度，避免新、排风的交叉污染，各系统新风取风方式结合建筑特点采取由集中新风竖井从大厦上部引入和各层就地取风的两种方式，并使新风口远离各排风口。空气、新风处理机组均采用了初、中效过滤，以保证室内空气洁净度达到高
17、标准。冬季加湿为液下浸透湿膜方式，餐厅、厨房、变配电间冬季不设加湿。为避免由于冬、夏季冷热水温差过大造成盘管因热胀冷缩导致过度疲劳、缩短使用寿命，采用了冷热双盘管。各层办公室和人员流动性大，负荷变化频繁的首层商务、服务、展示厅、零售店、贵宾室及中小会议室等采用风机盘管加新风系统。针对销售和出租以及物业管理的需要，各层办公室大开间区域均按约100m2面积划分控制单元、设置供回水回路以便于检修和维护并避免干扰其它租户。为了减少室内风机盘管的负荷，减少凝结水量，有利于降低风机盘管的噪音，保证新风的清洁度，将新风处理到室内状态的机器露点温度并送至风机盘管出风口上。这一做法还避免了若将新风送至风机盘管回
18、风口位置上，当风机盘管的风机停止时，新风从回风口流入房间把沾附在回风过滤网上的灰尘吹入室内的缺点。为保证大厦24小时值守的机要部门、业务值班室及计算机中心等特殊部门的正常运行并不受集中空调系统运行的影响和干扰，节约能源，设置了局部空调系统。电话总机房、消防安全监控中心，楼宇自动化监控中心分别设置风冷柜式空调机组；计算机中心采用机房专用恒温恒湿机组；航运业务值班室及机要室采用VRV系统；弱电电缆引入小室和电梯机房采用分体空调。冬季热源及采暖系统设计采暖空调热负荷为12650kW，热指标为115.8W/m2。热源由城市热网供给，一次水供回水温度为95/70，经热交换后，高温二次水供回水温度为85/
19、60，供采暖系统及空气、新风处理机组使用。各类机房、自行车库等设58的值班采暖，人防掩蔽体采暖设计温度为18，厕所为16；低温二次水供回水温度为60/50，供风机盘管和汽车坡道化雪系统使用（化雪系统因故未上）。为保证一层室内良好的温度环境，抵挡大门的冷风侵入，在各大门入口处均设置了热空气幕。通风防排烟系统各类机房或库房的通风换气次数名称换气次数（次/h）名称换气次数（次/h）地下库房3变配电所20厕所10油库、油泵房10厨房40冷冻机房、8汽车库6水泵房3煤气表房10热交换站、锅炉房10柴油发电机房12电缆引入小室5为避免二次污染，结合大厦建筑结构的特点，地下各类用房分别采用窗井排、补风及屋顶
20、高空排放两种通风排烟方式。地下各类机房、库房和汽车库均通过不同窗井排风排烟和补风；垃圾间、厕所和厨房分别通过排风竖井将排风从屋顶排出。须设机械排烟的库房、汽车库及厨房等均设置采用双速风机的通风兼排烟两用系统及补风系统。部分系统根据需要同时设置了通风电动风阀和排烟防火阀。平时通风时，双速风机低速运转，开启电动风阀，关闭排烟防火阀；火灾时，双速风机高速运行，关闭电动风阀，按防烟分区开启各排烟防火阀及启动补风系统，以保证通风兼排烟的双重功能要求。中庭通风兼排烟风机位于屋顶设备层。平时根据中庭的空气温度开启部分风机，火灾时，所有风机全开，以保证顺利排烟。楼梯间及其前室，消防电梯间前室均分别设置机械加压
21、送风系统。着火时，通过楼梯间常开风口及被开启的前室着火层及其上下各一层的风口送风，使风压按楼梯间前室走道形成递减的压力梯度，以达到防烟的目的。须设机械排烟的空调房间及内走道均设置机械排烟系统或通风兼排烟系统。为保证排烟顺利，在无自然补风条件的空调房间，利用其空调系统进行补风：即按防烟分区分别设置排烟防火阀，着火时，开启机械排烟系统及该防烟分区的排烟防火阀，保持空调送风作为补风，达到空调系统按防烟分区及时补风，排烟系统顺利排烟的目的。空调系统控制作为大厦先进的BAS楼宇自控系统重要组成部分的空调系统控制，是保证空调系统达到高效节能的目的，实现现代化运行管理的重要手段。根据大厦的功能特点，为了便于
22、管理和节省投资，空调系统控制采取了中央控制和局部区域自控相结合的方式。冷冻机房设置双重控制即以机房就地控制为主，以中央控制室监控为辅的方式。自控包括开停机的自动动作程序，通过负荷流量计算来确定开机台数及调节运行负荷率、机组的轮时启动程序以及旁通环路的自动开启和关闭。空气、新风处理机采取以中央控制为主、就地控制为辅的方式。空气处理机组自控包括根据回风温、湿度控制其表冷（或加热）段及加湿器（冬季）的水阀开度、调节新风比、通过过滤器两侧的压差传感信号报告过滤器的堵塞情况、提供风机故障报警及设备停机时自动关闭新风阀。新风处理机组自控包括根据室外空气焓值控制其表冷（或加热）段及加湿器（冬季）水阀开度，通
23、过过滤器两侧的压差信号报告过滤器的堵塞情况，提供风机故障报警及设备停机时自动关闭新风阀，冬季当加热段后温度低于5及停机时提供防冻保护。门厅、厕所等公共场所的风机盘管采取中央控制方式，由中央控制室实行远程群控。其它专用场所风机盘管采取局部区域就地控制方式。通过温控三速开关控制风机盘管风机的启停和三速运转，根据室温自动调节盘管水阀的开关。经验及教训冷水机组的配置及外遮阳的应用远洋大厦冷水机组配置方案因业主的原因及建筑的变化经历了“部分冰蓄冷”、“二大一小主机”、及目前的“三大主机”的配置变动。大厦在建期间，由于加层（增加了二层）以及带形镀膜玻璃窗改为落地白色透明玻璃点式幕墙，使建筑面积增加了近1.
24、5万m2，窗墙比由原来的1:4变为3:1，窗玻璃的遮挡系数也变大，导致冷负荷大为增加。在冷冻机房和变配电所无法扩大增容的情况下，采取了三台1250RT/台的冷机配置，并在大厦东、西、南三受光面设置了大面积卷帘式智能化外遮阳。经过四个夏季的运行，冷水机组和外遮阳的联合使用满足了设计要求，但晚上须正常启用一台冷机才能负担夜间负荷。由于大厦24小时工作的部门均设置了独立的局部空调系统，当晚上加班人员离去后冷水机组就停止制冷，晚上加班期间负荷变化不显著，因此在本工程中，大冷机低负荷运行的不合理情况并不明显。卷帘式外遮阳的有效使用，大大减少了窗玻璃的辐射得热，达40%以上。削减了装机冷量和电量，缓解了过
25、渡季东、南、西向房间过热的程度，是节能和节省运行费用的途径之一。四管制供水及动、静态平衡阀的配合使用由于大厦大面积使用白色透明玻璃点式幕墙，在冬季和过渡季部分时段，大厦北侧和南、西侧热负荷不平衡，当卷帘式外遮阳无法使用时，出现北侧需要供暖、南侧需要供冷的情况。四管制的空调水系统为满足这一要求提供了可能性。虽然四管制增加了系统的投资，但与满足不了用户的舒适性要求，造成物业经营管理上的较大经济损失相比，还是合理的。在大厦57台空气、新风处理机组中，新风处理机组占86%，远远多于空气处理机组，新风处理机组负荷也远大于空气处理机组负荷。并且绝大部分新风处理机组风量一样，负荷相同，使用时间一致。要保证机
26、组正常工作，供水系统主要矛盾是保证流量按比例分配。工程中利用静态平衡阀调节性能基本上按线性变化的特性解决了这一问题。不仅在设计工况下，保证了流量的合理分配，即使当管路供水量因大厦负荷变化而改变时，各机组之间的流量分配比例仍大致不变。对于采用并联环路制冷系统而言，保证安全平稳运行的难题是避免多台冷水机组并联运行时发生出力不均的偏载现象和部分机组运行时，因流量减少管路水力特性发生变化，造成水泵电机电流过载的问题。利用动态平衡阀自动调节补偿管路阻力的特性可有效避免偏载和电机电流过载的发生。本工程中，由于动、静态平衡阀的配合使用，保证了水系统安全、有效及平稳的运行，避免了人为疏忽造成危害的可能，节省了
27、管理维护工作量。冬季日照的充分利用及技术经济的合理平衡因采用白色透明玻璃幕墙导致不同朝向得热不平衡的问题，同时也提供了冬季合理利用日照，减少供热量，节省能源的契机。由于时间和空间的限制，本工程不能做到将南、西受光面多余的日照得热提供给需热量大的地方。但合理利用日照得热对于平衡大楼的热负荷和节能来说，是很有意义的。在现代建筑中，由于建筑美观的需要，大量采用玻璃等通透性建筑材料，为建筑节能和节省设备投资带来了很大的困难，如果能够综合考虑技术经济诸方面的因素，协调好各专业的关系，应该能够找到一个合理的平衡点。结束语远洋大厦暖通空调系统自投入使用以来，经过三个冬季、四个夏季的运行，事实证明系统达到了设计的要求，为大厦各项功能的完美实现做出了贡献。参考文献
