公共建筑領(lǐng)域中央空調(diào)用水現(xiàn)狀及節(jié)水潛力分析

胡桂全，何蘭超，張繼群，李佳奇，趙 康

（1.水利部節(jié)約用水促進(jìn)中心，100038，北京；2.全國節(jié)約用水辦公室，100053，北京）

中央空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水是公共建筑用水的重要組成部分，用水占比在政府辦公樓等建筑中一般約為20%，在博物館等建筑中可高達(dá)30%。中央空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水的管理現(xiàn)狀較為粗放，缺少專門的管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，存在用水計量率低等問題。中央空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水潛力較大，開展相關(guān)研究十分必要。

一、中央空調(diào)類型及用水環(huán)節(jié)分析

1.中央空調(diào)類型

中央空調(diào)用水情況與其制冷方式和冷卻方式有關(guān)。制冷方式分為兩類：一類是電動壓縮式制冷，即依靠壓縮機(jī)提高氣態(tài)制冷媒介的壓力，以實現(xiàn)制冷循環(huán)；另一類是熱驅(qū)吸收式制冷，即利用溴化鋰制冷劑的強(qiáng)吸濕性特點，在水分吸收及溶液蒸發(fā)過程中產(chǎn)生冷源。由于熱驅(qū)吸收式制冷比電動壓縮式制冷的運(yùn)行費(fèi)用高出60%以上，所以實際應(yīng)用中以電動壓縮式制冷為主。

冷卻方式分為兩類：一類是冷卻塔冷卻的水冷模式，即將冷凝器的熱量經(jīng)過換熱器傳給循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水輸送至冷卻塔，在冷卻塔中通過與大氣接觸和蒸發(fā)將熱量散向大氣；另一類是空氣冷卻的風(fēng)冷模式，即將冷凝器的熱量直接通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流傳給大氣。水冷的冷卻極限是大氣的濕球溫度，冷卻效率高，耗電量小，耗水量大；風(fēng)冷的冷卻極限是大氣的干球溫度，冷卻效率低，耗電量大，但不耗水。

2.用水環(huán)節(jié)分析

水冷模式中央空調(diào)的用水集中在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水損失包括蒸發(fā)、排污、飄逸、泄漏和濺散四部分。其中，蒸發(fā)水量約為循環(huán)冷卻水流量的1%；排污水量與循環(huán)水濃縮倍數(shù)相關(guān)，當(dāng)濃縮倍數(shù)為2時，排污水量等于蒸發(fā)水量，當(dāng)濃縮倍數(shù)為3時，排污水量等于蒸發(fā)水量的50%；飄逸水量與淋水填料型式、除水器型式、通風(fēng)方式、塔內(nèi)風(fēng)速等因素有關(guān)，一般約為循環(huán)水量的0.05%，比蒸發(fā)和排污水量小兩個數(shù)量級；泄漏和濺散可以通過加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理予以消除。在加強(qiáng)管理的情況下，水冷模式中央空調(diào)用水量一般不超過循環(huán)水量的2%，主要是蒸發(fā)與排污損失。

二、中央空調(diào)用水現(xiàn)狀

為了解公共建筑中不同類型中央空調(diào)使用現(xiàn)狀及用水情況，2020年12月，全國節(jié)約用水辦公室組織水利部節(jié)約用水促進(jìn)中心、中國水利水電科學(xué)研究院、水利部黃河水利委員會、水利部海河水利委員會等單位，會同有關(guān)地方水行政主管部門開展了京津冀地區(qū)和黃河流域公共建筑中央空調(diào)用水情況實地調(diào)研。其中京津冀地區(qū)共開展193組次400人次調(diào)研，收集304個調(diào)研樣本；黃河流域共開展158組次347人次調(diào)研，收集318個調(diào)研樣本?？傆?22個調(diào)研樣本。

基于風(fēng)冷模式和水冷模式中央空調(diào)適用的建筑物特點，將公共建筑分為兩類。第一類涉及辦公建筑（如寫字樓、政府辦公樓等），酒店建筑（如賓館、飯店、娛樂場所等），教育建筑，醫(yī)療衛(wèi)生建筑，通信建筑（如郵電、通訊、廣播用房等）等，具有單元空間小、制冷負(fù)載變化頻繁的共性，適宜推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)。第二類涉及商業(yè)建筑（如商場、超市、金融建筑等），文化建筑（如博物館、展覽館等），體育建筑（如體育館等），交通運(yùn)輸建筑（如機(jī)場、車站等）等，具有空間大、制冷量需求大、空調(diào)長時間開啟的共性，不適宜推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)。

1.中央空調(diào)使用現(xiàn)狀

（1）總體情況

調(diào)研的622家公共建筑中央空調(diào)中，使用風(fēng)冷模式132家，占比21.2%；近10年新建公共建筑342家，其中使用風(fēng)冷模式85家，占比24.9%，高于總樣本中使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的占比，可以推測風(fēng)冷模式使用占比呈增長趨勢。

（2）不同規(guī)模建筑中央空調(diào)使用情況

按照民用建筑工程設(shè)計等級分類，建筑面積分5 000 m2以下、5 000～20 000 m2、20 000～80 000 m2、80 000 m2以上四類。對調(diào)研樣本分不同建筑規(guī)模進(jìn)行中央空調(diào)使用情況分析。由于京津冀地區(qū)和黃河流域自然地理氣候等方面的差異，兩個地區(qū)的調(diào)研樣本不合并，以下僅對京津冀地區(qū)的樣本進(jìn)行分析，見表1。

表1 不同規(guī)模建筑中央空調(diào)使用類型統(tǒng)計表

對78家使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)建筑的面積分布情況進(jìn)行分析，建筑面積的平均值是14 937 m2；建筑面積在12 038 m2以下的樣本有42個，占比53.9%；建筑面積在21 309 m2以下的樣本有56個，占比71.8%；建筑面積在30 580 m2以下的樣本有64個，占比82.1%。

總體來看，當(dāng)建筑面積大于14 937 m2時，隨著建筑面積增大，風(fēng)冷模式中央空調(diào)的使用比例逐步降低。綜合考慮能耗、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，風(fēng)冷模式中央空調(diào)適用于建筑面積小于20 000 m2的公共建筑。

（3）不同高度建筑中央空調(diào)使用情況

按建筑高度，分30 m以下、30～50 m、50～100 m、100 m以上四類，對調(diào)研的京津冀304個樣本中央空調(diào)使用情況進(jìn)行分析，見表2。

表2 不同高度建筑中央空調(diào)使用類型統(tǒng)計表

對78個使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)樣本的建筑高度分布情況進(jìn)行分析，建筑高度平均值28.8 m，建筑高度在46 m以下的樣本有65個，占比83.3%；建筑高度在56.89 m以下的樣本有69個，占比88.5%。

總體來看，建筑高度越高，使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的比例越低，綜合考慮制冷效率、能耗、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，風(fēng)冷模式中央空調(diào)適用于建筑高度低于50 m的公共建筑。

2.中央空調(diào)用水情況

（1）用水計量情況

490個水冷模式中央空調(diào)樣本中，223個樣本空調(diào)冷卻塔補(bǔ)水有單

獨(dú)計量，占比45.5%，計量率不高，可

見中央空調(diào)用水管理需進(jìn)一步加強(qiáng)。

（2）用水水平

根據(jù)調(diào)研樣本數(shù)據(jù)的完整性、合理性，篩選出82個水冷模式中央空調(diào)用水量樣本，分析公共建筑中央空調(diào)用水情況。

①總體情況。水冷模式單位制冷面積空調(diào)用水量范圍為0.14～0.53 m3，平均值為0.23 m3。

②個別樣本情況。水冷模式單位制冷面積空調(diào)用電量高的兩個樣本是國貿(mào)三期A座、天津市第一醫(yī)院，原因主要是客流量大、制冷量高，且空調(diào)運(yùn)行時間長、負(fù)荷高，與其他樣本空調(diào)運(yùn)行時間不對等。

水利部機(jī)關(guān)第一辦公區(qū)主樓、南樓、北樓使用水冷模式中央空調(diào)系統(tǒng)，單位制冷面積空調(diào)用水量0.19 m3，比調(diào)研樣本平均值少21.1%。

③不同類型建筑中央空調(diào)用水情況。適宜推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的第一類公共建筑，水冷模式單位制冷面積空調(diào)用水量為0.14～0.43 m3，平均值為0.21 m3；不適宜推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的第二類公共建筑，水冷模式單位制冷面積空調(diào)用水量為0.14～0.53 m3，平均值為0.26 m3。

三、中央空調(diào)節(jié)水潛力分析

中央空調(diào)節(jié)水潛力主要在兩方面：一是對水冷模式中央空調(diào)加強(qiáng)節(jié)水管理，提高用水效率和效益；二是在適宜的新增公共建筑類別中推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)，達(dá)到節(jié)水的目的。前者的節(jié)水成效取決于節(jié)水技術(shù)和管理措施，易實施；后者的節(jié)水成效受市場對不同類型中央空調(diào)的選擇等因素影響，不易實施。

1.現(xiàn)狀水冷模式中央空調(diào)節(jié)水潛力分析

根據(jù)《“十四五”公共機(jī)構(gòu)節(jié)約能源資源工作規(guī)劃》中的有關(guān)數(shù)據(jù)，2020年，全國公共機(jī)構(gòu)建筑面積88.7億m2，用水量107億m3。2020年，調(diào)研公共建筑總建筑面積4 365萬m2，其中使用水冷模式中央空調(diào)建筑面積3 792萬m2，占比86.9%。據(jù)此比例推算，全國公共機(jī)構(gòu)使用水冷模式中央空調(diào)建筑面積77億m2。按照調(diào)研數(shù)據(jù)，每平方米建筑面積中央空調(diào)年用水量以0.23 m3計，全國公共機(jī)構(gòu)中央空調(diào)年用水量約17.7億m3。

根據(jù)調(diào)研，水冷模式中央空調(diào)現(xiàn)狀濃縮倍數(shù)一般為2～3，如果加強(qiáng)管理，將濃縮倍數(shù)提高到5，節(jié)水量為36%，全國公共機(jī)構(gòu)中央空調(diào)用水每年可節(jié)約6.4億m3左右。

2.新增建筑使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)節(jié)水潛力分析

據(jù)統(tǒng)計，我國每年建筑竣工面積約為25億m2，其中公共建筑約有5億m2。根據(jù)調(diào)研樣本數(shù)據(jù)分析，第一類適宜推廣使用風(fēng)冷模式建筑數(shù)量452家，建筑面積2 830萬m2，占總建筑面積的64.85%。調(diào)研樣本中，適宜推廣使用風(fēng)冷模式的第一類公共建筑里有103家使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)，建筑面積367萬m2，占比12.99%，故第一類公共建筑中可推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的比例是87.01%。據(jù)此計算全國年新增公共建筑中可推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的建筑面積為2.82億m2。

以水冷模式中央空調(diào)單位制冷面積年空調(diào)用水量0.23 m3計，新增公共建筑因推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)可每年節(jié)水0.65億m3。

對于存量公共建筑，中央空調(diào)系統(tǒng)的壽命一般是20年，空調(diào)系統(tǒng)更新時由水冷模式改造為風(fēng)冷模式是可選方案。風(fēng)冷需要將主機(jī)置于建筑頂部或地面空曠區(qū)域，因此在景觀與布置條件允許，建筑頂部有條件，建筑結(jié)構(gòu)受力滿足要求的情況下，方可考慮將水冷模式改造為風(fēng)冷模式。存量公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)改造需要結(jié)合建筑物實際情況，存在不確定因素。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

一是中央空調(diào)用水量大。中央空調(diào)用水是公共建筑用水的重要組成部分，占比甚至高達(dá)30%。2020年，全國公共機(jī)構(gòu)建筑面積88.7億m3，用水量107億m3，其中中央空調(diào)用水量約17.7億m3。

二是中央空調(diào)用水管理現(xiàn)狀粗放。我國已發(fā)布涉及中央空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范30余部，主要對空調(diào)產(chǎn)品、能效等級、綠色產(chǎn)品評價及能效認(rèn)證進(jìn)行了規(guī)范，但對中央空調(diào)冷卻塔節(jié)水管理尚未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注點主要是高效制冷和節(jié)能降耗方面，對節(jié)水關(guān)注較少。根據(jù)實地調(diào)研，中央空調(diào)用水單獨(dú)計量率為45.5%，管理現(xiàn)狀較為粗放。

三是適宜使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的建筑類型為政府辦公建筑等具有單元空間小、制冷負(fù)載變化頻繁特點的建筑類型，在建筑高度低于50 m，建筑面積小于20 000 m2的建筑中應(yīng)用較為廣泛。

四是中央空調(diào)節(jié)水潛力大。中央空調(diào)現(xiàn)狀濃縮倍數(shù)一般為2~3，如果將濃縮倍數(shù)提高到5，節(jié)水量為36%。加強(qiáng)中央空調(diào)節(jié)水管理，將濃縮倍數(shù)提高到5，全國公共機(jī)構(gòu)中央空調(diào)用水每年可節(jié)約6.4億m3左右。在新建適宜推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的公共建筑中，推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)，每年可節(jié)水0.65億m3。

2.建議

一是加強(qiáng)節(jié)水管理。加強(qiáng)中央空調(diào)用水節(jié)水管理，開展相關(guān)研究，提出節(jié)水管理技術(shù)指標(biāo)體系和節(jié)水目標(biāo)要求，促進(jìn)行業(yè)節(jié)水，提高用水效率和效益。二是完善標(biāo)準(zhǔn)體系。制定中央空調(diào)用水節(jié)水管理規(guī)范，建立健全相關(guān)政策制度體系，夯實節(jié)水工作基礎(chǔ)。在節(jié)水型單位建設(shè)中，進(jìn)一步嚴(yán)格中央空調(diào)節(jié)水指標(biāo)。三是開展風(fēng)冷模式研究。在推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的政策技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性等方面開展深入研究，分析在京津冀地區(qū)和黃河流域等嚴(yán)重缺水地區(qū)，在適宜新建建筑中推廣使用風(fēng)冷模式中央空調(diào)的必要性和可行性。四是加強(qiáng)宣傳教育。在“世界水日”“中國水周”等節(jié)水宣傳活動中，“節(jié)水進(jìn)校園”等形式的節(jié)水科普和宣傳活動中，以及水情教育基地等載體建設(shè)中，加強(qiáng)中央空調(diào)用水節(jié)水的宣傳教育。五是節(jié)水技術(shù)推廣。開展中央空調(diào)節(jié)水減排領(lǐng)域的成熟適用技術(shù)征集遴選工作，通過發(fā)布目錄、技術(shù)推介等形式，推動中央空調(diào)節(jié)水減排技術(shù)應(yīng)用。