公共建筑節水項目外部性研究
——以北京某高校為例

張子博， 劉玉明

(北京交通大學 經濟管理學院， 北京 100044)

1 研究背景

全球水資源危機愈演愈烈，水環境污染問題及其引發的矛盾越來越突出。在這種形勢下，如何高效地推進節水、污水治理工作，已成為全社會普遍關心的課題之一[1]。建筑行業作為高耗能、高耗水產業，其節水技術的推廣與運用對可持續發展有著重要的推動作用。2014年，我國實施《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)，該標準規定綠色建筑是指在建筑全壽命周期內，滿足居住者舒適的生活標準下，最大可能地節能、節水、節材、節地與環境保護。其中將節水作為組成部分，要求公共建筑的最低節水率為25%、非傳統水源利用率不低于10%[2]。2014年，仇保興[3]指出建筑節水將是綠色建筑未來發展的重要方向，通過使用節水器具、收集回用雨水與收集回用中水等措施將使建筑節水率達到35%以上。因此，使用節水器具、雨水回收利用技術、中水回收技術以提高節水量和提高非傳統水源利用率為重點的節水項目，保證水資源的可持續發展，已經成為大規模公共建筑綠色運營的重要發展方向。

目前，相關學者關于公共建筑節水研究聚焦以下方面：(1)關于節水技術經濟性研究，主要研究了節水技術的增量成本構成以及增量成本效益的研究[4-5]；(2)關于公共建筑節水技術的適用性研究，包括節水系統節水技術以及非傳統水源回收技術的利用[6]；(3)關于公共建筑的節水潛力研究，分析具體公共建筑的用水結構、節水潛力以及存在問題，并模擬其他公共建筑的節水潛力以及面臨的問題以及解決措施[7-8]。通過分析上述相關文獻可知，目前關于公共建筑節水外部性的研究文獻較少且主要集中于外部性定性研究，缺乏公共建筑節水外部性的定量研究成果。

因此，本文運用外部性相關理論，建立公共建筑節水技術應用的外部性的測算模型，并以北京某高校為例進行公共建筑節水外部性的定量分析。本文研究成果可為公共建筑節水技術應用的外部性測算提供相關理論方法，也可為相關政府部門制定合理的公共建筑節水經濟激勵政策提供參考依據。

2 公共建筑節水項目外部性定義及研究方法

2.1 公共建筑節水項目外部性定義

外部性是指某些活動或者消費對社會強征了不可補償的成本或給與了無需補償的收益的情形。因此，公共建筑節水項目外部性是指由于采用節水器具或技術節約用水量、回收利用非傳統水源以提高水資源利用率，減少了水資源消耗和環境污染，進而對他人、社會以及國家帶來無需補償的收益。

按照外部性內涵分類，公共建筑節水項目具有“經濟外部性”、“社會外部性”和“環境外部性”3個方面。經濟外部性指因減少了水資源的供給與污水的排放而減少了城市自來水廠、管網基礎設施、污水處理廠的投資運行費用。社會外部性指因節約水資源、減少污水排放進而減少了因水體污染造成的生物傳染疾病的發生率，提高了人居環境、改善了生活品質。環境外部性指節約水資源、減少污水排放而減少了水體污染物的排放帶來的環境改善[9]。按照外部性來源分類，公共建筑節水項目具有“節水外部性”和“減排外部性”2個方面。“節水外部性”是指因節約水資源，緩解了國家水資源緊張的現狀，降低了自來水廠處理用水的規模，減少了城市供水系統的運行壓力，從而降低了國家財政、自來水廠、供水系統的損失或成本費用。 “減排外部性”是指減少污水的外排，減少了城市的污染，降低了城市污水排放量，減輕了城市排水設施壓力，降低了城市污水處理廠的污水處理量，從而降低了城市環境污染、排水系統的運行費用、污水處理廠的處理費用。

2.2 公共建筑節水項目外部性研究方法

公共建筑節水項目節水減排效果分析采用有無對比的原則，測算采用節水技術前后的節水量與減污量。運用費用效益理論將公共建筑節水項目外部性貨幣化，便于定量分析公共建筑節水項目外部性，費用效益函數作為測量水資源外部性的工具已經在國內外得到廣泛應用[10]，基于費用效益理論，采用因節約用水而減少的自來水廠處理費用、供水系統費用以及增加的城市供水效益作為公共建筑節水項目的節水外部性系數。采用因減少污水排放量而減少的排水系統費用、污染處理廠的費用、污染損失費用作為公共建筑節水項目減排外部性系數，進而測算出公共建筑節水項目總外部性，其度量思路見圖1。

圖1 公共建筑節水項目外部性度量思路

3 公共建筑的節水技術體系

目前，我國公共建筑普遍使用的節水技術體系如圖2所示，建筑物內通過采用節水器具或技術直接節省用水量，并通過中水回收利用技術將生活優質雜排水(主要為洗浴用水、盥洗用水)回收處理后用于景觀補水或者綠化用水。建筑物外通過雨水回收利用技術將收集屋面與地面雨水進行集中處理后用于景觀補水或者綠化用水。

圖2 某公共建筑節水體系圖

3.1 節水器具節水

節水系統節水是指在供水系統、循環水系統、澆灑系統采用節水器具或技術以提高水資源的使用效率的技術，降低人均生活用水量和減少綠化用水量。

我國目前在節水系統節水推廣的方案主要采用避免水資源運輸過程中的管網漏損技術、無負壓供水技術及管網漏水檢測設備以減少水資源在運輸過程中因管道泄漏造成的水資源浪費。研究表明，采用節水系統節水技術后節水率達到20%～30%[11]。目前公共建筑使用的節水器具包括節水龍頭、節水噴頭、引射式蹲坑便器節水器、免沖水小便斗、節水喉、公共衛生間自控節水閥等器具。節水器具的節水能力強，性價比高，以公共建筑普遍采用紅外線節水控制器與腳踏沖洗閥兩種衛生器具為例，節水能力都在20%～50%之間，投資回收期3～5年[12]。

3.2 中水回收利用

中水回收利用是指在“高質高用、低質低用”原則下，將生活用水回收處理后達到不同國家中水水質的中水用于環境景觀用水、廁所沖洗、消防用水、綠化用水等途徑。不同中水水源回收利用影響著中水處理方式、造價以及回收量。中水水源有以下3種類型：

(1)優質雜排水：主要指公共建筑中的盥洗用水、洗浴用水。其水質較好，有機物含量較少，處理工藝簡單，成本費用低，性價比高，占生活排水的大部分比例，適用于一般城市的公共建筑的中水回收。

(2)雜排水(灰水)：主要指公共建筑中的盥洗用水、洗浴用水、廚房用水、洗衣用水。其水質中等，有機物含量多和懸浮物濃度高，處理工藝復雜，成本費用高于優質雜排水的處理費用，適用于缺水型城市。

(3)生活污水(黑水)：指公共建筑中包括糞便污水在內的所有生活用水。其水質最差，有機物含量最多，懸浮物濃度最高，處理工藝復雜，成本費用遠遠高于雜排水的處理費用，適用于嚴重缺水型城市和干旱地區的公共建筑的中水回收。

3.3 雨水回收利用

雨水回收利用是指采用雨水收集技術將一定區域內的雨水進行收集處理達到國家水質要求后再利用[13]。根據下墊面類型，雨水回收利用主要有屋面雨水回收利用、硬化地面雨水回收利用、綠化用地雨水回收利用、水面雨水回收利用4種。

(1)屋面雨水回收利用：是一種城市建筑使用最早、最普遍的雨水收集方式，其徑流量大，雨水回收率高，水質好，成本費用低，屬于性價比較高的雨水回收利用方式。

(2)硬化路面雨水回收利用：隨著城市化發展，城市硬化路面面積不斷增加，硬化路面雨水回收技術逐漸受到重視，其容易形成地面徑流，初期水質較差，成本費用較高。

(3)綠化用地雨水回收利用：由于綠地具有較大的滲透率，其雨水回收率較低，成本費用與硬化路面雨水回收相當，適用于降水量豐富地區。

(4)水面雨水回收利用：屬于成本費用最低，雨水回收利用率最高的雨水回收利用方式。

4 公共建筑節水項目外部性度量

4.1 節水量與減污量公式推導

4.1.1 節水器具節水量與減污量公式 根據文獻[14-16]，節水器具節水量與減污量由用水人數、使用次數或時間、普通用水器具用水量、節水器具用水量決定，公式如下：

(1)

式中：Qj1為節水器具節水量，m3；Qj2為節水器具減污量，m3；Ti為每天每人使用次數；q1i為節水器具每次使用的用水量，L；q2i為普通用水器具每次使用的用水量,L；m為使用人數。

4.1.2 中水回收利用的節水量與減污量公式 根據文獻[17-19]，中水回收系統可回收利用節水量與減污量由用水量、用水分項比例、排水量系數、中水回用量系數決定。

Qz1=Qz2=∑(β·Qz·b)

(2)

式中：Qz1為中水系統節水量，m3；Qz2為中水系統減污量，m3；Qz為建筑平均日用水量，m3/d；β為排水量系數，一般取0.8～0.9；b為用水分項比例(中水水源占用水量的比例)。中水理論節水量與減污量不應超出中水設計處理能力。

4.1.3 雨水回收利用的節水量與減污量公式 根據文獻[20-22]，雨水回收系統的節水量與減污量由該地區的降雨厚度、雨水徑流系數、匯水面積、季節折減系數、初期雨水棄流系數決定，公式如下：

(3)

式中：Qy1為雨水回收系統的節水量，m3；Qy2為雨水回收系統的減污量，m3；α為季節折減系數；ε為初期雨水棄流系數；ψ為雨水徑流系數；H為降雨厚度，mm；A為匯水面積，m2。

4.2 節水外部性系數與減排外部性系數公式

4.2.1 節水外部性系數公式 我國水資源短缺，每年因缺少用水造成國家財政產生損失，因實施節水項目一方面可為國家減少相應的財政損失[23]，另一方面，減少城市市政供水，從而降低自來水水廠引水、調水工程邊際費用，同時減少市政供水設施的網管運輸的壓力以及投入供水設施運行的設備、人員、維修的費用[24-25]。因此，節水外部性系數由國家缺水財政損失費用、水廠工程邊際費用、市政供水費用決定，公式如下：

ps=p1+p2+p3

(4)

式中：ps為節水外部性系數，元/m3；p1為國家缺水財政損失費用，元/m3；p2為水廠工程邊際費用，元/m3；p3為市政供水費用，元/m3。

4.2.2 減排外部性系數公式 實施節水項目后，一方面減少污水排放，減少了因環境污染造成的社會損失[26],另一方面，降低污水量外排，減少市政排水設施的網管運輸的壓力以及投入排水設施運行的設備、人員、維修的費用，同時也減小了城市污水處理廠凈化處理污水的規模，從而降低污水廠污水處理費用[27-28]。因此，污水減排的外部性系數由污水環境污染費用、污水市政排水費用、污水廠處理費用決定。

pp=p4+p5+p6

(5)

式中：pp為減排外部性系數，元/m3；p4為污水環境污染費用，元/m3；p5為污水市政排水費用，元/m3；p6為污水廠處理費用，元/m3。

4.3 公共建筑節水項目總外部性度量

節水項目總外部性由包括節水系統節水外部性、中水回收系統節水外部性、雨水回收節水外部性構成。減排外部性包括節水系統減污外部性、中水回收系統減污外部性、雨水回收系統減污外部性。因此節水總外部性BE1、減排總外部性BE2、節水項目總外部性BE為：

BE1=ps·(Qj1+Qz1+Qy1)

(6)

BE2=pp·(Qj2+Qz2+Qy2)

(7)

BE=BE1+BE2

(8)

5 案例分析

5.1 研究對象和技術方案概述

5.1.1 研究對象 北京某高校位于北京海淀區，學校占地面積為63.75×104m2，其中東校區9.56×104m2、主校區54.19 ×104m2，建筑面積為103.24×104m2，綠地面積15.3×104m2，學校擁有長59.6 m，寬39.4 m，深4 m的景觀湖。全校總人數30 760人，其中學生人數26 332人，教師人數4 428人。某高校作為節約型校園建設示范單位，從1985年至今，該校一直致力于節水工作的推進。已經連續3次榮獲“全國城市節約用水先進單位”稱號，連續16年被評為“北京市節約用水先進單位”。

5.1.2 技術方案 (1)節水系統節水方案。學生浴室更換節水噴頭700個，節水效果明顯；學生宿舍水房更換恒流節水龍頭2600個，在保證正常使用的情況下，出水更柔和；學校教學樓、宿舍廁所全部采用節水型器具，蹲便器采用腳踏式、紅外感應式、延時自閉式等開關。小便斗(池)采用紅外式、延時自閉式開關，全部各種紅外用水器具650套；建立了能源監管平臺，可以預警水管漏水現象，并及時通知后勤工作人員進行搶修，從而每年減少因水管漏水造成不必要的水資源浪費。

(2)中水回收利用。學校先后建立了3個中水處理站：學生活動中心中水處理站(2012年)、學生學苑公寓中水處理站(2006年)、公共浴室中水處理系統(1993年)，均用于回收利用學生生活優質雜排水，用于學校綠化、衛生間用水，其處理工藝見圖3。

圖3中水處理工藝流程圖

其中，學生活動中心中水處理站設計日中水處理能力為500 m3(182 500 m3/a)，收集處理后中水水質滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質》標準，其中水用以主校區大部分沖廁用水。

學校的學生學苑公寓中水站設計日處理中水能力為110 m3(40 150 m3/a)，對學苑公寓學生盥洗用水、洗浴用水等優質中水進行回收處理，用于學生公寓全部使用中水沖廁所以及部分綠化用水。

學校自行設計的“浴室中水處理系統工程”被北京市列入節水示范工程項目，設計日處理中水能力90 m3(32 850 m3/a)，用于回收利用主校區公共浴室的洗浴用水。

(3)雨水回收利用。學校將景觀湖附近20×104m2匯水面積(湖面2 348 m2、綠地51 000 m2、屋面101 452 m2、道路及廣場45 200 m2)的雨水通過148個雨水篦子，約600 m的管路將雨水匯集到景觀湖，并在兩個進水口建了兩個沉淀過濾井處理雨水，使其達到《景觀回用水水質標準》。湖內可蓄水9 393 m3，除滿足景觀用水外，還對湖周邊半徑200 m面積31 015 m2的綠地進行澆灌。并建設固定水泵站與過濾設施4處。將湖水通過地下管道引至圖書館、芳華園、思源樓、第九教學樓等處周圍的綠地，并全部安裝自動控制地埋升降式噴灌設備。并購置了1臺灑水車。可對校園其他地方及家屬區的綠地拉水澆灌。學校學生訓練用的13 555 m2的土操場采用湖水噴灑，其處理工藝見圖4。

5.2 節水量與減污量計算

5.2.1 節水器具節水量與減污量計算 (1)在校人數統計情況。根據學校后勤信息管理中心數據得出2016年每月在校師生人數見圖5。

圖4 雨水回收系統示意圖

圖5 2016年在校人數統計圖

(2)節水器具的技術指標。高校學生在校時間為24 h/d包括學習和生活時間)相當于節假日住宅使用標準，老師在校時間為8 h/d，相當于工作日住宅使用標準。學生宿舍安裝了節水型水龍頭、節水型洗浴噴頭，學生在宿舍的使用次數為工作日住宅使用標準，老師沒有使用節水型龍頭、節水型洗浴噴頭，根據文獻[15-16,29-30]得出技術指標見表1。

表1 節水器具技術指標

(3)節水量與減污量計算。根據公式(1)，1月份在校老師人數為3 765人，使用節水器具為節水型馬桶、節水型小便斗。所以1月份在校老師使用節水器具的節水量與減污量為：

=1120.46(m3)

1月份在校學生人數22 387人，使用節水器具為節水型水龍頭、節水型洗浴噴頭、節水型馬桶、節水型小便斗。故，1月份在校學生使用節水器具的節水量與減污量為：

=36226.64(m3)

根據公式(1)2016年在校師生使用節水器具“節水減污”量見表2。

表2 在校師生年使用節水器具“節水減污”量 m3

5.2.2 中水回收利用的節水量與減污量計算

(1)用水量統計。根據后勤統計2016年學校市政用水總量為987 012 m3，其中學生活動中心、學生公寓、浴室用水量分別為72 910、134 368、41 736 m3。

(2)中水回收利用的技術指標。學校的學生活動中心用于學生學習與娛樂，屬于公共建筑，因此優質雜排水占用水量比例參照公共建筑供水比例。學生公寓用于學生生活和休息，屬于住宅建筑，因此優質雜排水占用水量比例參照民用建筑供水比例，浴室用于學生集體洗浴，其排水均為優質雜排水，因此比例取為1，技術指標參照文獻[18,31-33]，見表3。

表3 中水回收利用技術指標

(3)中水回收利用的節水量與減污量計算。根據公式(2)，學生活動中心年用水量為72 910 m3，排水量系數為0.9，用水分項比例為0.86，設計的中水處理能力為182 500 m4/年，故學生活動中心的節水量與減污量為：

Qz1=Qz2=∑(β·Qz·b)=72910×0.9×0.86

=56 432.34 m3

學生活動中心的節水量低于設計的中水處理能力，因此節水量為56 432.34 m3。

根據公式(2)，中水回收利用的“節水減污”量見表4：

表4 中水回收利用的“節水減污”量 m3

5.2.3 雨水回收系統節水量與減污量計算

(1)降雨情況。北京位于北緯39″26′至41″03′，東經115″25′至 117″30′，氣候屬于典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年降水的80%集中在夏季6、7、8這3個月，2016年全年的總降雨量為680.6 mm[33]。

(2)雨水回收利用的技術指標。學校景觀湖的匯水面20×104m2，包括建筑物屋面、廣場及道路混凝土路面、綠地、景觀湖水面。參考文獻[18,20-22]技術指標見表5。

表5 雨水回收利用技術指標

(3)雨水回收系統節水量與減污量計算。根據公式(3)，綠地面積為51 000 m2，降雨厚度為680.6 mm，雨水徑流系數為0.15，初期雨水棄流系數為0.87，季節折減系數為0.85，故綠地2016年年節水量與減污量為：

5.2.4 節水減排效果分析 根據北京市地方標準《公共生活取水定額》(DB11/55.4.2-2008)規定北京市高校人均綜合年取水量為55.2 m3，某高校2016年人均用水量為38.6 m3，則高校人均年節水量為16.6 m3。其中非傳統水源利用率為17%、節水率為42%，高于《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)要求的公共建筑非傳統水源最低利用率10%、最低節水率25%的要求，節水效果良好，數據見表6。

表6 學校2016年用水情況

注：在校人數30760人。

5.3 節水項目節水減排外部性系數計算

根據文獻[28,35-37]，節水項目外部性系數指標見表7。

表7 節水項目系數指標 元/m3

根據公式(4)、(5)，節水外部性系數與減排外部性系數為：

ps=p1+p2+p3=5.84+2.07+0.08=7.99(元/m3)

pp=p4+p5+p6=3.00+0.08+1.36=4.44(元/m3)

5.4 節水項目總外部性度量

5.4.1 節水項目節水量與減污量匯總 某高校節水項目在建筑物內采用了節水器具，在學生活動中心、學生公寓、浴室建立中水處理系統進行中水回收利用，同時利用校園內的景觀湖實施雨水回收利用。因此，節水項目的總節水量與減污量，由節水器具、中水回收利用系統、雨水回收利用系統3個部分累加，其總“節水減污”量見表8。

表8 節水項目年總“節水減污”量 m3

5.4.2 節水項目總外部性 根據公式(6)、(7)、(8)，節水項目節水外部性、減排外部性、總外部性為：

BE1=ps·(Qj1+Qz1+Qy1)

=7.99×(395552.57+129432+71461.48)

=476560394≈476.56×104(元)

BE2=pp·(Qj2+Qz2+Qy2)

=4.44×(395552.57+129432+71461.48)

=4648220.46≈264.82×104(元)

BE=BE1+BE2=476.56×104+264.82×104

=741.38×104(元)

6 結 論

(1)基于外部性理論，對高校節水項目的外部性進行分析研究，確定了節水項目具有正外部性、代內與代際外部性、公共外部性的特征。其次，按照效益內涵，將外部性分為“經濟外部性”、“社會外部性”、“環境外部性”。按照效益來源分為“節水外部性”與“減排外部性”，并按照效益來源建立了節水項目外部性度量的公式。

(2)通過對某高校節水技術應用效果進行分析，參照北京市地方標準《公共生活取水定額》(DB11/55.4.2-2008)規定北京市高校人均綜合年取水量為55.2 m3，某高校2016年人均用水量為38.6 m3，則高校人均年節水量為16.6 m3。非傳統水源利用率為17%、節水率為42%，高于《綠色建筑標準》(GB/T50378-2014)要求的公共建筑非傳統水源最低利用率10%、最低節水率25%的要求，節水效果良好。

(3)通過2016年的運行數據進行節水應用的外部性的效益測算，結果表明：該節約型高校2016年節水外部性為476.56×104元，減排外部性為264.82×104元，節水項目節水減排外部性為741.38×104元，節水效益效果明顯，具有很好的外部性效益。