南京地铁冷水机组选择与全寿命周期费用分析
摘要：本文结合南京地铁南北线一期工程冷水机组的选择办法，进行冷水机组的全寿命周期费用分析。重点就冷水机组在经济寿命期内的能耗费用与其初投资进行了比较，阐述了重视冷水机组COP值、IPLV值的必要性。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，同时也为选用和进一步开发类似设备提供了一点借鉴和参考。
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：h≥70kJ/kg；空调全新风工况的室外空气焓：54kJ/kg≤h≤70kJ/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：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+0.45C+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：
[（12287×997+5369×1209）×7+（8191×997+3580×1209）×10+（6143×997+2685×1209）×8]÷5.844=331101178÷5.844=56656601(Kw.h)
冷水机组在经济寿命期内的运行电费为：56656601×0.6=33993960(元)。
3、蒸发器、冷凝器水阻电耗及电费
蒸发器、冷凝器水阻电耗N=（L1×H1+L1×H2）÷(3600×ηs)(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；ηs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：175×2206×25=9651250(kW.h) 运行电费为：9651250×0.6=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=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（39784710÷16580000=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%[（33993960-33993960×5.844/5.944）÷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。
