第 4 章 经济效益分析
根据前文开展的该栋办公建筑节能优化能耗量化分研究，得到了各项节能优化方案的节电量及节能率，为最终确定适合该栋办公建筑的节能优化方案提供了数据依据。结合国家相关的规范要求，以及各类设备及产品厂商提供的相关资料与数据，实际工程造价及技术水平，本文将合理选择相关设备及产品，进行各节能优化方案的经济效益研究。
本文使用工程经济学中的动态投资回收期计算公式[48]来研究各项节能优化方案的节能潜力。
4.1 提升围护结构保温性能。
根据前文针对提升该栋办公建筑屋面、外墙及外窗保温性能后节能效果的数值分析，提升建筑围护结构的保温性能节能效果显着。根据模拟计算设置的各项参数，保温层厚度在 0~100mm 范围内，即屋面传热系数范围在 2.38~0.27W/（m2·K)、外墙传热系数在1.62~0.21 W/（m2·K)范围内，外窗传热系数在 4.8~1.3 W/（m2·K)范围内，从全年建筑空调系统耗电量的角度综合考量，均为传热系数越低节能效果越好。由于建筑围护结构是一个整体系统，因此将节能优化方案定为屋面、外墙、外窗保温性能的全面改善。根据我国《公共建筑节能设计标准》（GB50189）中对建筑围护结构传热系数的要求，结合经济成本及技术水平，提出以下的节能优化方案：屋面敷设 80mm 厚 XPS 保温板，外墙敷设 50mm 厚 A1 级保温板，外窗采用 5+12A+5 中空钢化 low-E 玻璃。优化后各项围护结构的传热系数均有了大幅下降，屋面传热系数由2.38W（/m2·K) 降为 0.33W（/m2·K)，外墙传热系数由 1.62W/（m2·K) 降为 0.37W/（m2·K)，外窗传热系数由 4.8W/（m2·K) 降为 2.1W/（m2·K)。使用已建立的建筑能耗模型进行模拟计算，围护结构整体优化后的节能效果见表 4-1。
根据计算结果可知，提升建筑外围护结构的整体保温性能后，全年空调系统耗电量有 了 大 幅 度 的 降 低 ， 从 1238.06×103kWh 减 少 至 840.78×103kWh ， 节 约 电 能397.28×103kWh，以建筑围护结构优化前的全年空调系统耗电量为基准，计算得到节能率为 32.09%。当地电价按照 0.97 元/kWh 计算，全年总计节约电费 385366.43 元。
屋面、外墙、外窗的节能优化改造成本按照单位面积成本进行统计，其中包含施工费用，整个建筑围护结构的优化经济成本见表 4-2，投资总计 1453434 元。
根据前文式（4-1）进行回收期计算，计算结果回收期为 4.67 年。
4.2 提升空调系统设备性能。
根据前文针对提升风冷热泵性能系数、提升水泵效率及采用变频控制的能耗分析结果，进一步展开以上方案的经济效益分析。
4.2.1 制冷机组性能系数。
根据前文的计算分析结果，提升风冷热泵机组能效对于降低该栋办公建筑空调系统制冷耗电量具有一定的节能效果[49]。结合各地工程案例及学者对提升风冷热泵能效的研究结果，考虑设置风冷热泵喷雾降温系统提升机组 COP。其原理为，当喷雾系统工作时，直接降低风冷热泵室外环境空气温度的同时，水雾在壁面出形成液膜，蒸发产生相变，比单纯气相换热的效率大大增加，有效提升风冷热泵机组的 COP。在机组冷凝翅片处设置温度传感器，当其测得机组冷凝翅片处温度高于设定值时，电磁阀自动开启，喷雾降温。根据工程经验和技术水平，确定风冷热泵额定冷凝散热量的 30%被水雾吸收，并预计有 1/2 的水雾可进行有效雾化并发挥吸热作用[50]，以此计算每台机组的喷雾水量，计算出每台风冷热泵机组实际喷水量为 1.2m?/h。根据相关文献的研究结果，在夏季该地区空调室外干球计算温度33.9℃、空调室外湿球计算温度26.8℃、最热月平均相对湿度63%的条件下，使用风冷热泵喷雾降温系统，机组 COP 约可提升 20%[51]。根据实测结果，目前风冷热泵在名义工况下的实际 COP 为 2.0，使用风冷热泵喷雾降温系统后机组 COP可提升至 2.4，由于原风冷热泵机组的能效衰减严重，单纯将原热泵机组配置喷雾系统仍然无法满足国家节能设计规范的要求。
因此，考虑更换能效较高的风冷热泵机组。经过详细分析目前工程应用中的相关产品设备，结合前文对风冷热泵喷雾降温系统的相关研究，选用风冷热泵机组内置喷雾系统的高效机组，名义工况整体 COP 可达 4.5。在实地调研中发现，该栋办公建筑夏季往往只开启一台风冷热泵机组即可以满足制冷需求，因此制定以下节能优化方案，只更换一台原有 940kW 的风冷热泵机组为内置喷雾系统的高效机组，制冷量 960kW，另一台原有机组保留，作为一台高效风冷热泵机组负荷不够时的备用，可以有效降低初投资。
由于该高效风冷热泵机组内置变频冷冻水泵，综合计算提升机组 COP、提高水泵效率及变频控制的节能效果见表 4-3。
根据计算结果可知，采取更换能效较高的风冷热泵机组（内置变频冷冻水泵）的措施后，综合计算后夏季空调制冷耗电量有了一定程度的降低，从 322.54×103kWh 减少至182.36×103kWh，节约电能 140.18×103kWh，以节能优化前的夏季空调制冷耗电量为基准，计算得到节能率为 43.46%。当地电价按照 0.97 元/kWh 计算，全年总计节约电费135974.6 元。一台制冷量 960kW 的内置喷雾系统的高效机组造价总计 652088 元，根据前文式（4-1）进行回收期计算，计算结果回收期为 6.29 年。
4.2.2 水泵变频控制及提升效率。
按照冷冻水定流量系统对建筑的空调水系统进行设计计算时，通常按照建筑计算负荷和供回水温差为 5℃时计算冷冻水泵的水流量。根据制冷机组全年大部分时间并没有在满负荷工况下运行，而多处于部分负荷工况，根据多位学者针对制冷机组部分负荷工况的实测分析，该工况下空调冷冻水实际温差小于 5℃，小温差较大流量造成水泵工况点流量大于实际需求，增加了水泵等输送系统，造成不必要的浪费[52] 。根据前文针对提高水泵效率和采用变频控制后对建筑空调系统耗电量影响的研究可知，这两项节能方案可以有效降低冷冻水泵耗电量，同时对夏季制冷空调耗电量来说节能量也较为可观。由于原水泵运行时间较长、运行效率仅为 56.29%，水泵能效衰减较大，考虑更换新的水泵提升其运行效率，同时为满足水泵变频调速的节能需求，最终考虑换用两台满负荷工作点额定效率达到 80%的变频水泵。变频水泵的工作效率随工况点不同而发生变化，因此不能认为采用变频水泵后其运行效率高于定频水泵，只是根据现场实测结果该栋办公楼原水泵效率衰减较大，新更换的水泵如无故障平均工作效率应该高于原水泵，因此换用新水泵后可同时实现水泵变频调速和提高水泵效率的目的，其节能效果见表 4-4。
根据计算结果可知，采取水泵变频控制及提升效率的措施后，综合计算后夏季空调制冷耗电量有了一定程度的降低，其数值从 322.54×103kWh 减少至 280.45×103kWh，节约电能 42.09×103kWh，以节能优化前的夏季空调制冷耗电量为基准，计算得到节能率为13.04%。节能量的组成由两部分构成：一是根据相似定律，水泵的流量、扬程、功率与水泵转速呈一次方、二次方、三次方关系，虽然在该栋办公建筑由压差控制的变流量水系统中由于定压差的存在，不能完全满足相似定律，但基本比例关系的数值相差不大[53]，因此水泵采用变频控制后节能量较为可观；二是虽然变频水泵的工作效率随流量发生变化，但更换新水泵后的平均效率应高于原水泵。
当地电价按照 0.97 元/kWh 计算，全年总计节约电费 40827.3 元。两台满负荷工作点额定效率达到 80%的变频水泵造价总计 75390 元，根据前文式（4-1）进行回收期计算，计算结果回收期为 2.08 年。
4.3 各项节能优化方案分析结果。
依据前文针对各项节能优化方案的经济效益分析计算，将结果整理见表 4-5。
针对该栋办公建筑来说，各项节能优化方案的经济回收期都在 7 年以内，其中提升围护结构保温性能的全年空调耗电量节能效果最好，回收期为 4.67 年；提升制冷机组性能系数的全年空调耗电量节能率为 10.45%，初投资较高回收期最长；提升水泵效率及变频控制的全年空调耗电量节能效果较为有限，但初投资最低仅为 2.08 年。上述节能优化方案的经济效益计算结果都证明可行性较高，可以提供建筑运营方采用。
