冷却塔补水成本的一种分析方法

唐 毅

(广东省建筑科学研究院，广州 510500)

前言

我国水资源分布不均，部分地区严重缺水，节水已被广泛重视。一些公共建筑中，空调系统冷却塔的补水量在总用水量中的占比非常大，有些可达到30%～50%。冷却塔的补水是否可以减少或者取消？这涉及到空调系统的节能，因此节能与节水需要综合分析。

在很多工程中，空调方案的比选中都会涉及到对水冷式和风冷式主机的比较。一般的观念是水冷比风冷节能。水冷式冷水机组是目前正在使用的集中空调系统形式占有率最大的机组形式。这种比较仅仅局限于冷源机组之间的直接对比。但是近年来多联机的市场占有率日趋上升，其中绝大多数室外机采用风冷。这种状况反映了空调系统方案的比较，不仅仅局限于冷源设备的比较，还涉及到系统配套设备的能耗、其他资源的消耗、初投资、自控程度、机房占地等多方面的因素，是整个空调系统之间的比较结果。仅从对电力的消耗方面考虑，水冷式冷源设备应加上冷却水泵、冷却塔的电耗，才能与风冷设备比较。实际上这种比较还不够全面，冷却塔消耗的自来水，属于其他资源消耗，是风冷系统没有的内容，因此也应该计入成本分析中。

一般冷却塔补水系统是由暖通专业根据空调系统形式及设备的配置情况提出要求，由给排水专业将补水系统设置到需求点。冷却塔补水量常被认为量少而不够重视，该水量可否通过一种直观的成本方式与空调能耗成本进行对比？本文试图寻找一种分析方法。

1 冷却塔补水量与空调节能的关系

冷却塔采用水的蒸发散热，降低冷源设备的冷凝温度，使水冷式冷水机组具有比风冷式冷水机组高的性能系数，减少了压缩机的能耗，节省了机组的电能，因此以耗水换来节电的思路一直占主导地位。在我国，水与电两种资源在不同的地区受当地的气候条件、地理位置和经济发展程度影响而价格各异，虽然水与电作为不同的资源不好直接进行对比，水价与电价不能完全反映其重要性和价值，但相对来说，价格在一定程度上可以作为一种比较的依据，具有一定的合理性。

1.1 “水的电当量”概念

本文提出“水的电当量”概念，即采用水冷蒸发原理进行冷却散热的设备，系统每小时消耗的补水量按照当时当地的水电价格折算成同等费用的电量。此概念的提出，旨在对有水耗和无水耗的空调系统进行对比时，能体现对比基准的一致性。

水的电当量计算公式如下：

Nw=L·Mw/Me

(1)

式中：

Nw—水的电当量，即与水量同等费用的电量(kWh)；

L—冷却塔每小时补水量(m3)；

Mw—水价，包括自来水费和对应的污水处理费(元/m3)；

Me—电费(元/kWh)。

下面以广州市的水电现行价格为基础，做一个估算。首先按空调系统的单位制冷量来计算冷却塔的补水量。在暖通专业常用的《实用供热空调设计手册》[1]中有计算公式：冷却水量G(t/h)为G=αQ，式中Q为制冷机的制冷量(kW)，α为单位制冷量的冷却水量，压缩式制冷机α=0.22，溴化锂吸收式制冷机α=0.3。

冷却塔补水量，包括风吹飘逸损失、蒸发损失、排污损失和泄漏损失。一般按冷却水量的1%～2%作为补水量。因此通过上述公式计算，采用压缩式制冷机，1kW制冷量需要的冷却塔补水量为0.0022～0.0044 m3/(h·kW)。

水的价格一般包括自来水价和污水处理费。广州市非居民生活用水的价格是3.46元/m3，行政事业类、经营服务类的污水处理费分别是1.2元/m3、1.4元/m3，对于非居民用水，污水处理费所采用的水量的计量基本上与自来水量相同，部分使用场所及使用对象给予了折扣。虽然冷却塔的补水，大量是蒸发掉的，排放的污水量不到补水量的一半，但是在自来水公司网上并没有查到污水处理的相关减免说明，还是按相应的用水量计算。因此1m3的经营服务类自来水价与污水处理费总共为Mw=3.46+1.4=4.86元。

由于采用集中空调系统的公共建筑一般面积都能达到一定规模，基本上属于10千伏的用户。按目前广州市供电局公布的1～10千伏的广州市商业用电的电价为Me=0.9928元/kWh，代入公式(1)，1kW制冷量消耗的冷却塔补水量折算出的电量，即“水的电当量”为：(0.0022～0.0044)×4.86/0.9928=0.0108～0.0215(kW)。

1.2 水的电当量与水泵能耗的比较

在《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005[2]中，空气调节冷热水系统的最大输送能效比(ER)为0.0241，其意义就是1kW的制冷量，水泵消耗的功率不能高于0.0241kW。水泵的输送能耗，在空调系统总能耗中占有相当大的比例，在工程设计中，对其进行控制是一项重要的节能措施。按本文计算出的广州市1kW空调制冷量每小时对应的冷却塔补水的电当量为0.0108～0.0215kW，该数据的上限值与水泵输送能耗限值已经非常接近，因此冷却塔对水的消耗，应该与水泵节能一样，得到重视。

2 “水的电当量”计算思路的应用价值

2.1 我国水价的构成及分类

我国幅员辽阔，水资源的分布差异较大。在《民用建筑节水设计标准》[3]中，将我国的主要城市分成了3个区，每个区再根据规模分为三类城市，制定不同的居民节水用水定额。定额之间差距较大，在住宅平均日生活用水节水定额表中，不同的城市定额数据相差一倍以上，这凸显了水资源分布的严重不均。在水价方面，笔者在中国水网[4]上查询了全国大部分省会城市的水价，水价主要包括自来水单价、污水处理费这两部分，按水的使用功能分类，主要分为居民生活、行政事业、经营服务、特殊行业、再生水等几类，部分城市分类略有不同，有些仅分为居民生活用水、非居民生活用水与特种水等。自来水单价与污水处理费之和为总水价，表1仅列出了部分城市其中三类的自来水价、污水处理费及计算出的总水价。根据表1，按经营服务类总水价由高至低排列，形成各城市各类水价曲线，见图1。

表1 全国部分城市水价表(2014年1月)单位：元/立方米

自来水单价(不含污水处理费)污水处理费总水价居民生活行政事业经营服务居民生活行政事业经营服务居民生活行政事业经营服务长春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哈尔滨2.44.34.30.81.11.13.25.45.4济南2.254.34.30.91.11.13.155.45.4石家庄2.5440.8113.355呼和浩特2.353.540.650.950.9534.454.95广州1.983.463.460.91.21.42.884.664.86重庆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银川1.82.753.10.7112.53.754.1太原2.33.530.50.512.844沈阳1.82.630.6112.43.64兰州1.752.52.80.81.21.22.553.74郑州1.6230.650.80.82.252.83.8长沙1.532.392.390.751.051.352.283.443.74上海1.63221.31.71.72.933.73.7贵阳22.92.90.70.80.82.73.73.7南京1.681.81.951.421.61.653.13.43.6海口1.61.82.50.81.11.12.42.93.6南宁1.482.232.231.171.171.172.653.43.4杭州1.351.751.750.51.51.51.853.253.25武汉1.522.352.350.80.80.82.323.153.15乌鲁木齐1.361.482.440.70.70.72.062.183.14西宁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

图1 我国部分城市各类水价图

2.2 全国水价特点

居民住宅常常采用分体空调或者多联机空调等风冷方式，无空调水耗，因此不进行讨论。采用冷却塔散热的水冷式空调系统的建筑常常为公共建筑和工厂，用水类型多属于行政事业、经营服务、工业这几类。从表1和图1中可以看出：

(1)居民水价最便宜，各城市之间相差不大；

(2)在每个城市内，行政事业、经营服务类两类水价均比居民水价高，但同一个城市中这两类水价大多数接近。经营服务类水价较高，在同城市居民水价的1～1.7倍范围内，其中仅有长春为居民水价的3倍。

(3)在各个城市之间横向比较，水价差异非常大。例如经营服务类水价，排在前两位的长春和天津，与排在最后的南昌比较，分别是南昌的3.6、3.2倍。

表2 广州自来水公司公布的自来水价格表2012-05-21(单位：元/立方米)

序号用水类别每户每月用水量水价1居民生活用水 第一阶梯(26立方米及以下)1.98 第二阶梯(27-34立方米,含34立方米)2.97 第三阶梯(34立方米及以上)3.962非居民生活用水3.46

目前部分城市实行阶梯水价，在上述的水价上只有增加的趋势。最便宜的居民生活用水，在达到一定用水量后，最高价格已经超出非居民生活用水的价格。表2为广州市自来水公司公布的自来水价表。居民生活用水分三级，其中居民用水的第三阶梯价格是第一阶梯价格的两倍，总水价需在表2的数据再加上污水处理费。再查询昆明市的居民生活用水价格，采用阶梯水价，最高用水量的价格为原来正常价格的两倍，加上污水处理费，总价达到5.9元/立方米，已经高于昆明市的经营服务类水价。我国居民水价已经开始实施阶梯水价，非居民用水是否采用阶梯水价，水价上调的趋势值得关注。目前很多异地工程设计项目，暖通设计人员应该在空调方案比选时，不仅需要了解当地的电价及电价峰谷优惠政策外，更应及时了解当地的水价进行计算，才能选出更合理的方案。

2.3 我国的电价

笔者通过互联网查询了天津、广州、西安、武汉几个城市1～10千伏的商业电度电价[5-8]，这几个城市之间的电价差距没有水价大。表3列出了这几个城市的水价、电价以及水价与电价之比。

表3 1kW制冷量冷却塔补水的电当量

水价(元/m3)电价(元/kWh)水价/电价水的电当量(kWh)天津7.850.79339.8950.022～0.044广州4.860.99284.8950.011～0.022西安4.300.85315.040.011～0.022武汉3.150.9253.40.007～0.015

在一些城市中已经实施部分非居民用电的峰谷电价，鼓励空调蓄冷技术的应用，部分低谷电价可以低至高峰电价的1/3。这种措施是为了电网的削峰填谷，鼓励低谷用电。但采用蓄冷技术会增加初投资，空调系统方案的选择，不仅要考虑运行成本，还需要考虑初投资，达到系统的综合最优。

3 水的电当量在工程上的意义

按公式(1)，将各城市水价与电价的比值，乘以1kW的制冷量需要的冷却水补水量0.0022～0.0044 m3/h，得到1kW制冷量每小时需要的冷却塔补水的电当量，其意义是相当于冷却塔消耗同等费用的电量。

水的电当量分析方法，具有以下意义：

(1)能将冷却塔补水量以耗电量的方式参与整个空调系统的能耗计算，使两种不同的资源可以进行量化比较；

(2)水的电当量数值可与冷水系统水泵的能耗值进行比较，能直观地反映冷却塔补水量占水泵运行能耗成本的比例，并可推算补水成本占整个空调系统运行成本的比例。

(3)充分体现冷却塔补水成本在各城市的差异，简单直观。

下面根据网上查询的水电价格对几个城市中1kW空调制冷量需要的冷却塔补水量进行对比估算。从表3中看出，当补水量为冷却水量的1%时，天津市1kW制冷量对应的冷却塔补水的电当量已经接近《公共建筑节能设计标准》[2]中的水泵能效限值0.0241，若补水量取1.5%，则水的电当量已经超过水泵的能耗，由此可见该水费的影响非常大。但是目前还没有看到有标准规范涉及到空调补水量与节能之间进行比较的内容。表3中，武汉的水价最便宜，水的电当量小，仅为天津的1/3。可以看出在武汉采用水冷方式明显比天津有利。

4 结论

(1)本文提出了“水的电当量”概念，即在空调系统比选中，将冷却塔补水的运行成本，通过价格折算，换算成同等费用的电量，参与空调系统能耗分析。

(2)给出了水的电当量的简单计算方法。

(3)分析全国水、电价格现状，水价的地区差异大。在空调系统方案的选择中，应及时关注各个城市的水价与电价政策，选用合理的空调系统形式，保证空调系统的初投资及运行成本综合最优。

(4)水的电当量分析方法在工程应用中简单直观。解决了空调系统耗水与耗电无法量化比较的问题。

[1] 陆耀庆.实用供热通风空调设计手册(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2008，5

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50189-2005公共建筑节能设计标准[S]，北京：中国建筑工业出版社，2005

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50555-2010民用建筑节水设计标准[S]，北京：中国计划出版社，2010

[4] 中国水网http:∥price.h2o-china.com

[5] 中国南方电网广州市供电局网上营业厅https:∥95598.guangzhou.csg.cn

[6] 天津市发展与改革委员会，天津市物价局http:∥www.tjprice.gov.cn

[7] 陕西省物价局http:∥www.spic.gov.cn

[8] 湖北省物价局http:∥info.hbpic.gov.cn