办公楼空调系统方案投资回收期分析：基于上海某项目的案例研究

引言：在大型公共建筑空调系统设计中，初投资与长期运行成本的平衡至关重要。投资回收期是衡量技术经济性的核心指标。本文以上海某 2 万平方米办公楼为对象，在总冷负荷 1800kW、总热负荷 1200kW 条件下，对比两种磁悬浮冷水机组配置方案。方案 1 采用大容量主机（300 冷吨），方案 2 采用较小主机（200 冷吨）并更多依赖风冷热泵补充。通过精细化能耗模拟与成本计算，量化分析两方案的全生命周期经济性，为业主决策提供依据。

1 方案描述与基础参数

1.1 建筑概况

本工程位于上海市金山区，本楼栋以办公为主要功能的高层公共建筑。项目一期总建筑面积约为 20，000 平方米，建筑主体高度达 98 米。制冷机房设置于地下一层，地下一层建筑完成面的相对标高为 -5.400 米。制冷机房设计充分考虑输送距离问题，最终定在本楼栋地下一层投影范围内。

在空调系统设计中，本工程严格遵循国家强制性规范《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021 的要求。依据该规范第 3.1.5 条等关于负荷计算的强制性规定，我们对建筑内的所有功能房间（包括办公室、会议室、公共区域等）进行了详细的、符合规范要求的逐时冷负荷计算与冬季热负荷计算。计算过程充分考虑了上海地区典型气象年参数、建筑围护结构热工性能、室内设计参数（温度、湿度、人员密度、照明功率、设备发热量等）、新风要求以及人员作息规律等因素。

经严谨的动态逐时模拟计算，最终确定本工程的设计峰值空调冷负荷为 1800 kW，设计峰值空调热负荷为1200 kW。此计算结果为后续空调冷热源设备选型、输配系统（冷冻水系统、空调风系统）设计以及节能措施的选择提供了核心的设计依据。

1.2 空调方案

本工程积极响应节能减排绿色建筑政策，摒弃传统化石燃料供热方式（如天然气等），转而采用高效、清洁的 （ 空气源热泵 ） 可再生能源技术满足建筑供热需求。空气源热泵利用环境空气中的低品位热能，通过电力驱动实现高效制热，具有运行能效高（尤其在气候温和的上海地区）、无燃烧过程、零现场碳排放的显著优势，是符合可再生能源利用要求的理想选择。

夏季，本项目冷源拟采用磁悬浮冷水机组+ 风冷热泵。磁悬浮变频离心式冷水机组以其超高部分负荷效率、无油运行、低噪音、超长寿命和卓越的调节性能著称，是本项目基础冷源和高效运行的核心保障。风冷热泵机组兼具夏季制冷与冬季供热功能，在本方案中作为夏季调峰和备用冷源。

本工程采用智能化的运行策略， 在绝大多数运行时段（当建筑实时冷负荷 ⩽ 磁悬浮机组制冷能力时），系统将优先且单独运行磁悬浮变频离心式冷水机组，充分利用其卓越的部分负荷性能，实现系统最高能效运行。 当实时冷负荷 > 单台或已运行磁悬浮机组总能力时，系统智能启动风冷热泵机组，与磁悬浮机组协同运行，共同满足建筑最大冷负荷需求。此策略确保了系统在高负荷下稳定供冷，同时最大化磁悬浮机组的节能贡献。

冬季，本项目冷源采用风冷热泵制热

为确保空调水系统压力稳定和安全运行 本工程采用开式膨胀水箱定压方式。 定压点设置在冷冻水及热水循环泵的吸入总管上。膨胀水箱高 屋顶设备层，其有效容积设计满足系统水容量膨胀及补水需求，主要功能包括：容纳系统水温变化引起的膨胀水量；维持系统最低点所需静压，防止系统水汽化或倒空；作为系统补水点（通常需配合自动补水阀）；排出水中的微量气体。

本工程的系统原理图如下图1 所示。

图1 空调系统原理图

1 ：磁悬浮离心式冷水机组；2 ：一体式输配系统（内含冷却泵、冷冻泵）；3、冷却塔；4、风冷热泵；5、热水泵；6、膨胀水箱

1.3 空调运行机制

根据前期的调研资料，本工程的供冷期为 168 天，供热期为 75 天。根据业主提供的数据资料，前 5 年入住率为 50% ，后续年份，入住率为 100%_⨀ 前 5 年，每天折算为 50% 负荷运行的时间为 8h，即冷负荷 900 kW，热负荷600 kW ；后续年份，每天折算为100% 负荷的时间为8h，即冷负荷 1800 kW，热负荷 1200 kW ；电价为0.8 元 /kWh。

本文拟探讨2 种方案的运行费用。冬季工况，考虑风冷热泵冬季低温衰减和融霜情况，低温衰减系数取0.9，融霜系数取 0.9。因此，风冷热泵额定工况下的制热量为 1200/0.9/0.9=1481kW。拟选用制冷量为 130 kW，制热量为140 kW 的风冷模块机组，本项目拟采用12 台风冷模块机组。

方案 1 为：300 冷吨的磁悬浮离心机组 + 风冷热泵机组。满负荷的情况下，夏季工况风冷热泵需提供的冷量为 745 kW。方案 2 为：200 冷吨的磁悬浮离心机组 + 风冷热泵机组。满负荷的情况下，夏季工况风冷热泵需提供的冷量为 1095kW。

1.4 空调主要设备参数

本工程在磁悬浮冷水机组的选型中，严格遵循国家强制性规范《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021 对冷源设备能效的限值要求。经严谨的设备性能比对与选型计算，所选磁悬浮冷水机组在名义制冷工况及规定条件下，其制冷性能系数（COP） ⩾4.93 ，综合部分负荷性能系数（IPLV） ≈7.09 ，完全满足并优于规范设定的最低能效门槛值。风冷热泵空调机组性能系数的选择满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021 的规定，名义制冷工况和规定条件下变频风冷热泵机组的制冷性能系数 COP⩾3.2 。

机组能效的选择对节能政策的做出积极响应，为实现建筑整体高效运行和降低空调系统碳排放奠定了坚实的技术基础。

方案1 的主要设备参数表如下表所示：

表1 方案1 主要设备参数表

方案2 的主要设备参数表如下表所示：

表2 方案2 主要设备参数表

经对各厂家报价数据的整合分析（含机组本体、电控系统及集成费用等），方案 1 的综合报价为 277 万元，方案2 的综合报价为247 万元，价差30 万元

2 能耗及运行成本计算

2.1 方案 1 能耗计算

项目投入的前5 年，方案1 夏季仅采用磁悬浮冷水机组供冷，运行的设备有：冷却塔、一体式输配系统（冷却、冷冻水泵、软水机）、磁悬浮冷水机组及末端设备等。方案1 运行流程图详见下图：

图2 方案1 夏季流程图（第1～5 年）

冬季，方案1 运行的设备有：风冷热泵、热水泵以及末端系统。

图3 方案1 冬季流程图（第1～5 年）

方案1 前5 年每年运行的电量详见下表。

表3 方案1 运行电量（第1～5 年）

项目投入的第6 年开始，方案1 夏季采用磁悬浮冷水机组以及风冷热泵机组供冷，运行的设备有：冷却塔、一体式输配系统（冷却、冷冻水泵、软水机）、磁悬浮冷水机组、风冷热泵机组、风冷热泵水泵及末端设备等。方案1 运行流程图如下图所示：

图4 方案1 夏季流程图（第6 年起）

冬季，方案1 运行的设备有：风冷热泵、热水泵以及末端系统。

风冷热泵 末端方案1 第6 年开始每年运行的电量详见下表。

表4 方案1 运行电量（第6 年起）

表5 方案2 运行电量（第1～5 年）

2.2 方案 2 能耗计算项目投入的前 5 年，方案 2 夏季采用磁悬浮冷水机组 + 风冷热泵机组供冷，运行的设备有：冷却塔、一体式输配系统（冷却、冷冻水泵、软水机）、磁悬浮冷水机组、风冷热泵机组、风冷热泵配套水泵及末端设备等。

冬季，方案2 运行的设备有：风冷热泵、热水泵以及末端系统。

方案2 每年运行的电量详见下表。

项目投入的第6 年开始，方案2 夏季采用磁悬浮冷水机组以及风冷热泵机组供冷，运行的设备有：冷却塔、一体式输配系统（冷却、冷冻水泵、软水机）、磁悬浮冷水机组、风冷热泵机组、风冷热泵配套水泵及末端设备等。本流程图与方案2 的前 5 年运行流程图一致。

冬季，方案2 运行的设备有：风冷热泵、热水泵以及末端系统。流程图与方案2 的前 5 年运行流程图一致。

方案2 每年运行的电量详见下表。

表6 方案2 运行电量（第6 年开始）

2.3 方案 1 与方案 2 前 10 年电费比较根据调研资料，上海市实行峰谷电价，商业用房平段电价可折算为0.85 元/ 度。下表为方案1 和方案2 的电价详细值。

表7 方案1 和方案2 电费表

从表中数据可知，方案 1 的 10 年运行总电费为 586.44 万元，方案 210 年运行总电费为 630.05 万元。通过对比，方案1 比方案2 节约43.61 万元。根据业主提供的资料，本项目的空调服务收费为 60 元 /m²。1～5 年，空调收费面积为 1 万平米，6～10 年空调收费面积为2 万平米。

表8 空调服务费

从以上内容可知，方案 1 前 1～10 年的投入成本为：863.44 万元，方案 2 前 1～10 年的投入成本为：877.05万元

3. 结论

3.1 独立方案经济性

在明确的商业模型边界条件下（服务费标准：60元/m²，能源价格：0.8元/kWh），经全生命周期成本模拟测算，方案1 与方案2 均能在10 年运营期内实现初始投资的全额回收。具体财务表现如下：

方案1（300 冷吨磁悬浮机组）：累计净现金流 +25.34 万元（服方案2（200 冷吨磁悬浮机组）：累计净现金流 +22.95 万元。

两方案虽均满足 10 年回本要求，但静态回收期均超过行业基准值（通常要求 ⩽8 年），反映项目整体投资效率偏低。

3.2 方案比较与差额投资回收期

方案 1 虽然初始投资比方案 2 高 30 万元，但其得益于更大容量、更高效率的主机，显著降低了系统运行电耗。在项目前5 年（50% 负荷），方案1 比方案2 节省电费约10.02 万元；在第6 年到第10 年（100% 负荷），方案 1 比方案 2 节省电费约 27.98 万元。在整个项目周期内，方案 1 将比方案 2 持续产生更低的运营成本和更高的净现金流效益。

3.3 方案推荐

从全生命周期成本角度，方案 1（300 冷吨磁悬浮主机方案）是更优选择。其较高的初始投资能够被显著的运行成本抵消，并在后续年份持续带来经济效益。方案 2 虽然初始投资略低，但从长远来看，经济效益低于方案1。

参考文献

[1] ASHRAE Handbook - HVAC Applications. Chapter 37. Owning and Operating Costs. 2023.

[2] 上海市建筑节能条例 . 上海市人大常委会 . 2010 年修订.

[3] 陆耀庆 . 实用供热空调设计手册 （ 第三版）. 中国建筑工业出版社. 2017.

[4] 江亿 . 建筑节能技术 . 中国建筑工业出版社 . 2018.

[5] Sullivan， W.G.， et al. Engineering Economy （17th ed.）. Pearson. 2019.