冷卻塔補(bǔ)水成本的一種分析方法

唐 毅

(廣東省建筑科學(xué)研究院，廣州 510500)

前言

我國(guó)水資源分布不均，部分地區(qū)嚴(yán)重缺水，節(jié)水已被廣泛重視。一些公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔的補(bǔ)水量在總用水量中的占比非常大，有些可達(dá)到30%～50%。冷卻塔的補(bǔ)水是否可以減少或者取消？這涉及到空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，因此節(jié)能與節(jié)水需要綜合分析。

在很多工程中，空調(diào)方案的比選中都會(huì)涉及到對(duì)水冷式和風(fēng)冷式主機(jī)的比較。一般的觀(guān)念是水冷比風(fēng)冷節(jié)能。水冷式冷水機(jī)組是目前正在使用的集中空調(diào)系統(tǒng)形式占有率最大的機(jī)組形式。這種比較僅僅局限于冷源機(jī)組之間的直接對(duì)比。但是近年來(lái)多聯(lián)機(jī)的市場(chǎng)占有率日趨上升，其中絕大多數(shù)室外機(jī)采用風(fēng)冷。這種狀況反映了空調(diào)系統(tǒng)方案的比較，不僅僅局限于冷源設(shè)備的比較，還涉及到系統(tǒng)配套設(shè)備的能耗、其他資源的消耗、初投資、自控程度、機(jī)房占地等多方面的因素，是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)之間的比較結(jié)果。僅從對(duì)電力的消耗方面考慮，水冷式冷源設(shè)備應(yīng)加上冷卻水泵、冷卻塔的電耗，才能與風(fēng)冷設(shè)備比較。實(shí)際上這種比較還不夠全面，冷卻塔消耗的自來(lái)水，屬于其他資源消耗，是風(fēng)冷系統(tǒng)沒(méi)有的內(nèi)容，因此也應(yīng)該計(jì)入成本分析中。

一般冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)是由暖通專(zhuān)業(yè)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)形式及設(shè)備的配置情況提出要求，由給排水專(zhuān)業(yè)將補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)置到需求點(diǎn)。冷卻塔補(bǔ)水量常被認(rèn)為量少而不夠重視，該水量可否通過(guò)一種直觀(guān)的成本方式與空調(diào)能耗成本進(jìn)行對(duì)比？本文試圖尋找一種分析方法。

1 冷卻塔補(bǔ)水量與空調(diào)節(jié)能的關(guān)系

冷卻塔采用水的蒸發(fā)散熱，降低冷源設(shè)備的冷凝溫度，使水冷式冷水機(jī)組具有比風(fēng)冷式冷水機(jī)組高的性能系數(shù)，減少了壓縮機(jī)的能耗，節(jié)省了機(jī)組的電能，因此以耗水換來(lái)節(jié)電的思路一直占主導(dǎo)地位。在我國(guó)，水與電兩種資源在不同的地區(qū)受當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度影響而價(jià)格各異，雖然水與電作為不同的資源不好直接進(jìn)行對(duì)比，水價(jià)與電價(jià)不能完全反映其重要性和價(jià)值，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，價(jià)格在一定程度上可以作為一種比較的依據(jù)，具有一定的合理性。

1.1 “水的電當(dāng)量”概念

本文提出“水的電當(dāng)量”概念，即采用水冷蒸發(fā)原理進(jìn)行冷卻散熱的設(shè)備，系統(tǒng)每小時(shí)消耗的補(bǔ)水量按照當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐乃妰r(jià)格折算成同等費(fèi)用的電量。此概念的提出，旨在對(duì)有水耗和無(wú)水耗的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，能體現(xiàn)對(duì)比基準(zhǔn)的一致性。

水的電當(dāng)量計(jì)算公式如下：

Nw=L·Mw/Me

(1)

式中：

Nw—水的電當(dāng)量，即與水量同等費(fèi)用的電量(kWh)；

L—冷卻塔每小時(shí)補(bǔ)水量(m3)；

Mw—水價(jià)，包括自來(lái)水費(fèi)和對(duì)應(yīng)的污水處理費(fèi)(元/m3)；

Me—電費(fèi)(元/kWh)。

下面以廣州市的水電現(xiàn)行價(jià)格為基礎(chǔ)，做一個(gè)估算。首先按空調(diào)系統(tǒng)的單位制冷量來(lái)計(jì)算冷卻塔的補(bǔ)水量。在暖通專(zhuān)業(yè)常用的《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]中有計(jì)算公式：冷卻水量G(t/h)為G=αQ，式中Q為制冷機(jī)的制冷量(kW)，α為單位制冷量的冷卻水量，壓縮式制冷機(jī)α=0.22，溴化鋰吸收式制冷機(jī)α=0.3。

冷卻塔補(bǔ)水量，包括風(fēng)吹飄逸損失、蒸發(fā)損失、排污損失和泄漏損失。一般按冷卻水量的1%～2%作為補(bǔ)水量。因此通過(guò)上述公式計(jì)算，采用壓縮式制冷機(jī)，1kW制冷量需要的冷卻塔補(bǔ)水量為0.0022～0.0044 m3/(h·kW)。

水的價(jià)格一般包括自來(lái)水價(jià)和污水處理費(fèi)。廣州市非居民生活用水的價(jià)格是3.46元/m3，行政事業(yè)類(lèi)、經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)的污水處理費(fèi)分別是1.2元/m3、1.4元/m3，對(duì)于非居民用水，污水處理費(fèi)所采用的水量的計(jì)量基本上與自來(lái)水量相同，部分使用場(chǎng)所及使用對(duì)象給予了折扣。雖然冷卻塔的補(bǔ)水，大量是蒸發(fā)掉的，排放的污水量不到補(bǔ)水量的一半，但是在自來(lái)水公司網(wǎng)上并沒(méi)有查到污水處理的相關(guān)減免說(shuō)明，還是按相應(yīng)的用水量計(jì)算。因此1m3的經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)自來(lái)水價(jià)與污水處理費(fèi)總共為Mw=3.46+1.4=4.86元。

由于采用集中空調(diào)系統(tǒng)的公共建筑一般面積都能達(dá)到一定規(guī)模，基本上屬于10千伏的用戶(hù)。按目前廣州市供電局公布的1～10千伏的廣州市商業(yè)用電的電價(jià)為Me=0.9928元/kWh，代入公式(1)，1kW制冷量消耗的冷卻塔補(bǔ)水量折算出的電量，即“水的電當(dāng)量”為：(0.0022～0.0044)×4.86/0.9928=0.0108～0.0215(kW)。

1.2 水的電當(dāng)量與水泵能耗的比較

在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005[2]中，空氣調(diào)節(jié)冷熱水系統(tǒng)的最大輸送能效比(ER)為0.0241，其意義就是1kW的制冷量，水泵消耗的功率不能高于0.0241kW。水泵的輸送能耗，在空調(diào)系統(tǒng)總能耗中占有相當(dāng)大的比例，在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)其進(jìn)行控制是一項(xiàng)重要的節(jié)能措施。按本文計(jì)算出的廣州市1kW空調(diào)制冷量每小時(shí)對(duì)應(yīng)的冷卻塔補(bǔ)水的電當(dāng)量為0.0108～0.0215kW，該數(shù)據(jù)的上限值與水泵輸送能耗限值已經(jīng)非常接近，因此冷卻塔對(duì)水的消耗，應(yīng)該與水泵節(jié)能一樣，得到重視。

2 “水的電當(dāng)量”計(jì)算思路的應(yīng)用價(jià)值

2.1 我國(guó)水價(jià)的構(gòu)成及分類(lèi)

我國(guó)幅員遼闊，水資源的分布差異較大。在《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中，將我國(guó)的主要城市分成了3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)再根據(jù)規(guī)模分為三類(lèi)城市，制定不同的居民節(jié)水用水定額。定額之間差距較大，在住宅平均日生活用水節(jié)水定額表中，不同的城市定額數(shù)據(jù)相差一倍以上，這凸顯了水資源分布的嚴(yán)重不均。在水價(jià)方面，筆者在中國(guó)水網(wǎng)[4]上查詢(xún)了全國(guó)大部分省會(huì)城市的水價(jià)，水價(jià)主要包括自來(lái)水單價(jià)、污水處理費(fèi)這兩部分，按水的使用功能分類(lèi)，主要分為居民生活、行政事業(yè)、經(jīng)營(yíng)服務(wù)、特殊行業(yè)、再生水等幾類(lèi)，部分城市分類(lèi)略有不同，有些僅分為居民生活用水、非居民生活用水與特種水等。自來(lái)水單價(jià)與污水處理費(fèi)之和為總水價(jià)，表1僅列出了部分城市其中三類(lèi)的自來(lái)水價(jià)、污水處理費(fèi)及計(jì)算出的總水價(jià)。根據(jù)表1，按經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)總水價(jià)由高至低排列，形成各城市各類(lèi)水價(jià)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

表1 全國(guó)部分城市水價(jià)表(2014年1月)單位：元/立方米

自來(lái)水單價(jià)(不含污水處理費(fèi))污水處理費(fèi)總水價(jià)居民生活行政事業(yè)經(jīng)營(yíng)服務(wù)居民生活行政事業(yè)經(jīng)營(yíng)服務(wù)居民生活行政事業(yè)經(jīng)營(yíng)服務(wù)長(zhǎng)春2.54.680.40.80.82.95.48.8天津46.656.650.91.21.24.97.857.85北京2.964.124.661.041.681.5545.86.21昆明2.453.64.3511.251.253.454.855.6哈爾濱2.44.34.30.81.11.13.25.45.4濟(jì)南2.254.34.30.91.11.13.155.45.4石家莊2.5440.8113.355呼和浩特2.353.540.650.950.9534.454.95廣州1.983.463.460.91.21.42.884.664.86重慶2.72.73.25111.33.73.74.55成都1.952.92.90.91.41.42.854.34.3西安2.252.953.40.650.90.92.93.854.3銀川1.82.753.10.7112.53.754.1太原2.33.530.50.512.844沈陽(yáng)1.82.630.6112.43.64蘭州1.752.52.80.81.21.22.553.74鄭州1.6230.650.80.82.252.83.8長(zhǎng)沙1.532.392.390.751.051.352.283.443.74上海1.63221.31.71.72.933.73.7貴陽(yáng)22.92.90.70.80.82.73.73.7南京1.681.81.951.421.61.653.13.43.6?？?.61.82.50.81.11.12.42.93.6南寧1.482.232.231.171.171.172.653.43.4杭州1.351.751.750.51.51.51.853.253.25武漢1.522.352.350.80.80.82.323.153.15烏魯木齊1.361.482.440.70.70.72.062.183.14西寧1.31.6520.821.091.092.122.743.09福州1.71.91.90.851.11.12.5533合肥1.551.81.810.510.590.772.062.392.58南昌1.181.451.650.80.80.81.982.252.45

圖1 我國(guó)部分城市各類(lèi)水價(jià)圖

2.2 全國(guó)水價(jià)特點(diǎn)

居民住宅常常采用分體空調(diào)或者多聯(lián)機(jī)空調(diào)等風(fēng)冷方式，無(wú)空調(diào)水耗，因此不進(jìn)行討論。采用冷卻塔散熱的水冷式空調(diào)系統(tǒng)的建筑常常為公共建筑和工廠(chǎng)，用水類(lèi)型多屬于行政事業(yè)、經(jīng)營(yíng)服務(wù)、工業(yè)這幾類(lèi)。從表1和圖1中可以看出：

(1)居民水價(jià)最便宜，各城市之間相差不大；

(2)在每個(gè)城市內(nèi)，行政事業(yè)、經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)兩類(lèi)水價(jià)均比居民水價(jià)高，但同一個(gè)城市中這兩類(lèi)水價(jià)大多數(shù)接近。經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)水價(jià)較高，在同城市居民水價(jià)的1～1.7倍范圍內(nèi)，其中僅有長(zhǎng)春為居民水價(jià)的3倍。

(3)在各個(gè)城市之間橫向比較，水價(jià)差異非常大。例如經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)水價(jià)，排在前兩位的長(zhǎng)春和天津，與排在最后的南昌比較，分別是南昌的3.6、3.2倍。

表2 廣州自來(lái)水公司公布的自來(lái)水價(jià)格表2012-05-21(單位：元/立方米)

序號(hào)用水類(lèi)別每戶(hù)每月用水量水價(jià)1居民生活用水 第一階梯(26立方米及以下)1.98 第二階梯(27-34立方米,含34立方米)2.97 第三階梯(34立方米及以上)3.962非居民生活用水3.46

目前部分城市實(shí)行階梯水價(jià)，在上述的水價(jià)上只有增加的趨勢(shì)。最便宜的居民生活用水，在達(dá)到一定用水量后，最高價(jià)格已經(jīng)超出非居民生活用水的價(jià)格。表2為廣州市自來(lái)水公司公布的自來(lái)水價(jià)表。居民生活用水分三級(jí)，其中居民用水的第三階梯價(jià)格是第一階梯價(jià)格的兩倍，總水價(jià)需在表2的數(shù)據(jù)再加上污水處理費(fèi)。再查詢(xún)昆明市的居民生活用水價(jià)格，采用階梯水價(jià)，最高用水量的價(jià)格為原來(lái)正常價(jià)格的兩倍，加上污水處理費(fèi)，總價(jià)達(dá)到5.9元/立方米，已經(jīng)高于昆明市的經(jīng)營(yíng)服務(wù)類(lèi)水價(jià)。我國(guó)居民水價(jià)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施階梯水價(jià)，非居民用水是否采用階梯水價(jià)，水價(jià)上調(diào)的趨勢(shì)值得關(guān)注。目前很多異地工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，暖通設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在空調(diào)方案比選時(shí)，不僅需要了解當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)及電價(jià)峰谷優(yōu)惠政策外，更應(yīng)及時(shí)了解當(dāng)?shù)氐乃畠r(jià)進(jìn)行計(jì)算，才能選出更合理的方案。

2.3 我國(guó)的電價(jià)

筆者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)了天津、廣州、西安、武漢幾個(gè)城市1～10千伏的商業(yè)電度電價(jià)[5-8]，這幾個(gè)城市之間的電價(jià)差距沒(méi)有水價(jià)大。表3列出了這幾個(gè)城市的水價(jià)、電價(jià)以及水價(jià)與電價(jià)之比。

表3 1kW制冷量冷卻塔補(bǔ)水的電當(dāng)量

水價(jià)(元/m3)電價(jià)(元/kWh)水價(jià)/電價(jià)水的電當(dāng)量(kWh)天津7.850.79339.8950.022～0.044廣州4.860.99284.8950.011～0.022西安4.300.85315.040.011～0.022武漢3.150.9253.40.007～0.015

在一些城市中已經(jīng)實(shí)施部分非居民用電的峰谷電價(jià)，鼓勵(lì)空調(diào)蓄冷技術(shù)的應(yīng)用，部分低谷電價(jià)可以低至高峰電價(jià)的1/3。這種措施是為了電網(wǎng)的削峰填谷，鼓勵(lì)低谷用電。但采用蓄冷技術(shù)會(huì)增加初投資，空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇，不僅要考慮運(yùn)行成本，還需要考慮初投資，達(dá)到系統(tǒng)的綜合最優(yōu)。

3 水的電當(dāng)量在工程上的意義

按公式(1)，將各城市水價(jià)與電價(jià)的比值，乘以1kW的制冷量需要的冷卻水補(bǔ)水量0.0022～0.0044 m3/h，得到1kW制冷量每小時(shí)需要的冷卻塔補(bǔ)水的電當(dāng)量，其意義是相當(dāng)于冷卻塔消耗同等費(fèi)用的電量。

水的電當(dāng)量分析方法，具有以下意義：

(1)能將冷卻塔補(bǔ)水量以耗電量的方式參與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗計(jì)算，使兩種不同的資源可以進(jìn)行量化比較；

(2)水的電當(dāng)量數(shù)值可與冷水系統(tǒng)水泵的能耗值進(jìn)行比較，能直觀(guān)地反映冷卻塔補(bǔ)水量占水泵運(yùn)行能耗成本的比例，并可推算補(bǔ)水成本占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本的比例。

(3)充分體現(xiàn)冷卻塔補(bǔ)水成本在各城市的差異，簡(jiǎn)單直觀(guān)。

下面根據(jù)網(wǎng)上查詢(xún)的水電價(jià)格對(duì)幾個(gè)城市中1kW空調(diào)制冷量需要的冷卻塔補(bǔ)水量進(jìn)行對(duì)比估算。從表3中看出，當(dāng)補(bǔ)水量為冷卻水量的1%時(shí)，天津市1kW制冷量對(duì)應(yīng)的冷卻塔補(bǔ)水的電當(dāng)量已經(jīng)接近《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中的水泵能效限值0.0241，若補(bǔ)水量取1.5%，則水的電當(dāng)量已經(jīng)超過(guò)水泵的能耗，由此可見(jiàn)該水費(fèi)的影響非常大。但是目前還沒(méi)有看到有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范涉及到空調(diào)補(bǔ)水量與節(jié)能之間進(jìn)行比較的內(nèi)容。表3中，武漢的水價(jià)最便宜，水的電當(dāng)量小，僅為天津的1/3?？梢钥闯鲈谖錆h采用水冷方式明顯比天津有利。

4 結(jié)論

(1)本文提出了“水的電當(dāng)量”概念，即在空調(diào)系統(tǒng)比選中，將冷卻塔補(bǔ)水的運(yùn)行成本，通過(guò)價(jià)格折算，換算成同等費(fèi)用的電量，參與空調(diào)系統(tǒng)能耗分析。

(2)給出了水的電當(dāng)量的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。

(3)分析全國(guó)水、電價(jià)格現(xiàn)狀，水價(jià)的地區(qū)差異大。在空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇中，應(yīng)及時(shí)關(guān)注各個(gè)城市的水價(jià)與電價(jià)政策，選用合理的空調(diào)系統(tǒng)形式，保證空調(diào)系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行成本綜合最優(yōu)。

(4)水的電當(dāng)量分析方法在工程應(yīng)用中簡(jiǎn)單直觀(guān)。解決了空調(diào)系統(tǒng)耗水與耗電無(wú)法量化比較的問(wèn)題。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008，5

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50555-2010民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010

[4] 中國(guó)水網(wǎng)http:∥price.h2o-china.com

[5] 中國(guó)南方電網(wǎng)廣州市供電局網(wǎng)上營(yíng)業(yè)廳https:∥95598.guangzhou.csg.cn

[6] 天津市發(fā)展與改革委員會(huì)，天津市物價(jià)局http:∥www.tjprice.gov.cn

[7] 陜西省物價(jià)局http:∥www.spic.gov.cn

[8] 湖北省物價(jià)局http:∥info.hbpic.gov.cn