風冷模式中央空調節水潛力及影響因素分析

胡桂全，趙 康

(水利部節約用水促進中心，北京 100038)

中央空調循環冷卻用水是生產、生活用水的重要領域，約占公共建筑用水總量的20%，目前中央空調用水環節的管理較為薄弱，存在專門管理制度不完善、用水計量設施安裝不足、循環冷卻水濃縮倍數不高等問題，節水潛力較大。近年來，水利部圍繞加強中央空調節約用水等問題組織開展了一系列研究工作，在京津冀地區和黃河流域等缺水地區開展中央空調用水情況專題調研，征集推廣中央空調節水技術，制定中央空調節約用水管理規范，部署強化中央空調節約用水有關工作。

1 北京市中央空調用水現狀

中央空調用水情況主要與其冷卻方式有關，一類是采用冷卻塔冷卻的水冷模式，該模式耗水；另一類是采用空氣冷卻的風冷模式，該模式不耗水。為了解不同類型中央空調使用及用水情況，全國節約用水辦公室組織水利部節水中心等單位開展了北京市公共建筑中央空調用水情況實地調研，共完成了115個調研樣本(見表1)。基于建筑物的制冷需求特點，將公共建筑進行分類：辦公建筑、酒店建筑、醫療衛生建筑、教育建筑、通信建筑具有單元空間小、制冷負載變化較為頻繁的共性，作為第一類；商業建筑、交通運輸建筑、文化建筑、體育建筑具有單元空間大、制冷量需求大的共性，作為第二類。

表1 調研基本情況

1.1 中央空調使用現狀

1.1.1總體情況

調研的115家公共建筑，其中20家使用風冷模式中央空調，占比為17.4%；近10 a新建公共建筑數量有51家，其中11家使用風冷模式中央空調，占比為21.6%。風冷模式中央空調使用率呈上升趨勢。

1.1.2建筑面積情況分析

對20個使用風冷模式中央空調樣本的建筑面積分布情況進行分析，建筑面積的平均值是33 262 m2；建筑面積在15 974 m2以下的樣本有10個，占比為50%；建筑面積在23 735 m2以下的樣本有12個，占比為60%；建筑面積在47 020 m2以下的樣本有17個，占比為85%。

總體來看，建筑面積達到23 735 m2以后，隨著建筑面積增大使用風冷模式中央空調的比例呈明顯下降趨勢(見圖1)。綜合考慮制冷效果、經濟指標和能源消耗等因素，在建筑面積小于20 000 m2的公共建筑中推廣使用風冷模式中央空調較為合理。

圖1 風冷式中央空調建筑面積分布示意

1.1.3建筑高度情況分析

對20個使用風冷模式中央空調樣本的建筑高度分布情況進行分析，建筑高度平均值是32.8 m，建筑高度在46米以下的樣本有16個，占比為80%；建筑高度在65 m以下的樣本有18個，占比為90%。

總體來看，建筑高度達到50 m后，隨著高度的增加使用風冷模式中央空調的比例呈明顯下降趨勢(見圖2)，綜合考慮制冷效率、技術經濟指標和能源消耗等因素，在建筑高度低于50 m的公共建筑推廣使用風冷模式中央空調較為合理。

圖2 風冷式中央空調不同高度范圍樣本占比示意

1.2 中央空調用水用電情況分析

1.2.1用水用電計量情況

調研的公共建筑中使用水冷模式中央空調的有95個，其中69個公共建筑的空調循環冷卻水補水有單獨計量，占比為72.6%；26個公共建筑的空調循環冷卻水補水無單獨計量，占比為27.4%。調研的115個公共建筑，其中72個空調用電有計量，占比為63%；43個空調用電無計量，占比為37%。中央空調用水用電計量均未實現全覆蓋。

1.2.2用水用電水平分析

篩選出數據完整性、合理性比較好的45家公共建筑為樣本，分析公共建筑中央空調用水用電情況(見表2)。水冷模式單位制冷面積空調用水量范圍在0.06～0.6 m3區間，平均值為0.22 m3；水冷模式單位制冷面積空調用電量范圍在7.85～134.7 kW·h區間，平均值為29.62 kW·h；風冷模式單位制冷面積空調用電量范圍在7.59～171.19 kW·h區間，平均值為30.47 kW·h。風冷模式較水冷模式空調用電水平高3%。

表2 不同模式中央空調用水用電情況對比分析

2 推廣使用風冷模式中央空調節水潛力分析

充分發揮風冷模式中央空調的節水潛力有兩個實施路徑，一是對于新增公共建筑，在適宜推廣使用風冷模式中央空調的建筑類型中，推廣使用風冷模式中央空調以達到節水的目的；二是對于存量公共建筑，在實施更新改造時，將空調系統由原有的水冷模式改造為風冷模式。由于風冷模式中央空調需要更多空間布置主機，會一定程度影響原有建筑景觀，因此對于存量公共建筑空調系統的改造需要綜合考慮建筑本身是否有足夠的空間、結構受力是否滿足安全要求、建筑景觀是否受影響等因素，根據每個建筑的具體情況研究確定空調系統由水冷模式改造為風冷模式的可行性。因此，風冷模式中央空調的節水潛力主要在于新增公共建筑推廣使用。

根據《北京市建設年鑒2021》統計數據，2020年北京市房屋竣工面積為1 545.7萬m2，其中公共建筑竣工面積約817.2萬m2。

2.1 第一類公共建筑占總建筑面積的比例

根據北京市調研樣本數據分析，適宜推廣使用風冷模式建筑數量有82家，建筑面積為4 876 204 m2，占北京市調研總建筑面積(8 550 607 m2)的57.03%。

2.2 第一類公共建筑可推廣使用風冷模式的空間

根據調研的北京市第一類公共建筑樣本中風冷模式中央空調使用占比情況，估算第一類公共建筑中可推廣使用風冷模式中央空調的空間。調研的北京市82個第一類公共建筑樣本總建筑面積為4 876 204 m2，其中16個使用風冷模式中央空調樣本的建筑面積為615 943 m2，占比為12.6%。第一類公共建筑中沒有使用風冷模式中央空調的比例是87.4%。按此比例計算北京市年竣工公共建筑(817.2萬m2)中，可推廣使用風冷模式中央空調的空間為407.3萬m2。

2.3 推廣使用風冷模式節水潛力估算

以水冷模式中央空調單位制冷面積空調用水量0.22 m3計，北京市年竣工公共建筑因推廣使用風冷模式中央空調節水量為：

817.2萬m2×57.03%×87.4%×0.22(m3/m2)=89.6萬m3。

據統計，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。根據在京津冀和黃河流域開展的中央空調用水情況調查和相關研究，在全國新增公共建筑中推廣使用風冷模式中央空調年節水量約為0.65億m3。

3 推廣使用風冷模式中央空調的影響因素分析

3.1 有利因素分析

3.1.1技術上可行

從風冷式中央空調技術可行而言，目前的技術可以適用于普遍地區。近年來風冷模式中央空調市場占有率增長迅速，據中國制冷空調工業協會調查，2018年，中央空調機組生產總制冷量為11 525萬kW。其中，水冷機組制冷量為4 423萬kW，風冷機組制冷量為7 102萬kW，風冷機組制冷量占總制冷量的61.6%。與2008年相比，水冷機組制冷量增長了1倍，風冷機組制冷量增長了3倍，風冷模式中央空調被越來越多的使用。

3.1.2經濟上合理

以對應建筑面積5 700 m2的標準中型水冷機組(690 kW)為例，綜合考慮初期投資、運行維護等費用，在不考慮水冷機組所占用專設空間的費用的前提下，按20 a使用期計，風冷模式中央空調年單位制冷面積費用約為35元，水冷模式中央空調年單位制冷面積費用約為36元，風冷模式較水冷模式中央空調少支出1元左右。如果計算水冷機組所占用專設空間(約66 m2)的價值，風冷模式中央空調則在經濟方面更有優勢，利于其推廣使用。

3.1.3能效水平在可行范圍

在國家政策層面，能耗是空調產品的主要引導指標。風冷模式主機能效水平不高，但耗能部件少，整個系統運行能效水平與水冷模式相當。水冷模式主機能效水平高，但系統耗能部件多，整體運行能效水平受到影響。總的來說，風冷模式在制冷量需求相對較小、制冷負載變化頻繁的中小型空間，其能效水平在可行范圍內。

3.1.4安裝周期短

水冷模式中央空調系統復雜，安裝周期較長；風冷模式中央空調結構簡單，安裝便捷，相較于水冷模式中央空調，多聯機系統(風冷模式中的一種)安裝周期約可縮短一半。

3.2 不利因素分析

3.2.1占地面積大

風冷模式機組占地大，且不能放置于地下空間，一般安裝在樓頂或裙樓上，如果制冷量過大要求配套大數量的機組，則會對放置機組的地面空間提出要求，甚至會影響樓的外觀，是一個比較大的影響因素。因此，適于新建、擴建和改建項目，因地制宜安裝使用。

3.2.2水冷改風冷難度大

風冷模式和水冷模式對于主機和冷卻塔的安裝位置及占地面積要求不同，一般在建筑設計之初就已確定選用何種模式。水冷改風冷限制因素較多，施工難度和投資較大，對于水冷模式中央空調存量，不適宜強制大規模更換風冷模式。

3.2.3需要多部門協調聯動

推廣風冷模式中央空調，涉及到國家發展改革委、工業與信息化部、市場監管總局、國家機關事務管理局等相關部門，現行空調產業和節能減排政策需要多部門間溝通協調。

3.2.4存在不同認識

中央空調是節能減排的重點領域，許多城市空調用電量占城市夏季高峰負荷的60%。目前有關部門和空調行業忽視了水冷模式中央空調的耗水問題，同時普遍認為風冷模式中央空調耗電耗能高、制冷效率低。經過研究發現，水冷模式中央空調浪費水問題嚴重、節水潛力大，風冷模式中央空調在中小型空間符合國家節能減排政策，能耗和成本可以接受。這一研究結論，與當前普遍觀點認識不統一，需要引起社會關注、形成共識。

4 結語

風冷模式中央空調適用于政府辦公建筑等具有單元空間小、制冷負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的建筑中應用較為廣泛。

風冷模式中央空調使用空氣作為冷卻介質，具有不耗水的特征。每年在北京市新建公共建筑中推廣使用風冷模式中央空調能夠節約用水約89.6萬m3；在全國新建公共建筑中推廣使用風冷模式中央空調能夠節約用水約0.65億m3。

深入開展推廣使用風冷模式中央空調研究，以京津冀地區和黃河流域等嚴重缺水地區為重點，聚焦政策、經濟、技術等方面，進一步深入開展研究，分析論證推廣使用風冷模式中央空調以實現節水目標的合理性和可行性。