高層建筑集中空調冷凝水收集用于冷卻塔補水的經(jīng)濟性探究

陳 才 劉利利

（1．重慶三峽學院 重慶市萬州區(qū) 404100 2.重慶大學 重慶市沙坪壩 400030）

0 引言

對于暖通空調而言，高層建筑具人員密度大，冷熱負荷大，新風量多等特點。因而在高層建筑中暖通空調能耗占比很高。為了貫徹國家“節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、治污”八字方針，響應國家節(jié)能減排保護環(huán)境的號召，建筑節(jié)能尤其是暖通空調的節(jié)能成為大多數(shù)學者的研究熱點。空調制冷除濕過程中產(chǎn)生大量的冷凝水，這些冷凝水溫度很低、雜質很少、硬度低、產(chǎn)生量穩(wěn)定，有很高的利用價值[1]。目前，暖通空調節(jié)能方面研究方向之一是空調冷凝水的回收利用。其中冷凝水作為冷卻塔補水的研究大多是基于工程實例進行分析，本文結合具體工程案例著重從理論上探究高層建筑集中空調冷凝水收集用于冷卻塔補水的技術經(jīng)濟性。

1 空調冷凝水量

無論是全空氣系統(tǒng)的空調形式，還是風機盤管加新風的空調系統(tǒng)形式，空調冷凝水產(chǎn)生源于兩方面：①室內濕負荷。②新風濕負荷。所以本文可以以風機盤管加新風的空調系統(tǒng)形式為例分析各種空調形式的冷凝水產(chǎn)生量。

1.1 空氣參數(shù)

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB 50376—2012）規(guī)范規(guī)定，室內參數(shù)的選擇見表1。從節(jié)能、舒適度以及城市建設和人民生活水平的角度出發(fā)，設定室內狀態(tài)為：溫度：25℃，相對濕度：50%。

1.2 室內冷凝水量

相關規(guī)范[2]給出了一般室內空調環(huán)境1kW冷負荷每小時約產(chǎn)生的冷凝水水量b1介于0.4～0.8kg。由此可見本文計算結果與已有的參考值吻合度較高。

表1 人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數(shù)

表2 新風處理后狀態(tài)點的參數(shù)和室內空氣狀態(tài)點的參數(shù)

同時通過對重慶地區(qū)各類建筑（辦公、商業(yè)、博物館、超市、酒店、電影院）空調負荷的大量計算發(fā)現(xiàn)，室內空調區(qū)內1kW冷負荷每小時約產(chǎn)生的冷凝水水量b1介于0.12～0.43kg。圖1是不同建筑類型空調區(qū)內1kW冷負荷每小時約產(chǎn)生的冷凝水水量的分布圖。圖中辦公建筑和酒店建筑實際工程計算值b1較低，主要原因是此兩類功能的空調建筑人流量較低，產(chǎn)生的濕負荷較少。其余各類功能的建筑實際計算的冷凝水水量b1結果接近理論計算結果。

圖1 不同建筑類型的分布

1.3 新風冷凝水量

通過對重慶地區(qū)各類建筑（辦公、商業(yè)、博物館、超市、酒店、電影院）空調負荷的大量計算發(fā)現(xiàn)，對于新風系統(tǒng)，各功能類型的空調建筑1kW冷負荷每小時約產(chǎn)生的冷凝水水量介于0.96～1.17kg。圖2是不同功能類型的建筑新風每1kW冷負荷每小時約產(chǎn)生的冷凝水水量的分布圖。

圖2 每1kW新風冷負荷每小時產(chǎn)生的冷凝水水量的分布

1.4 空調區(qū)總冷凝水量

按照目前我國暖通規(guī)范現(xiàn)有新風量指標，計算得到的高密度人群建筑新風量所形成的新風負荷在空調負荷中的比重一般高達20%～40%，對于人員密度超高建筑，新能能耗通常更高。呂莉[3]對空調冷負荷進行計算分析，也發(fā)現(xiàn)新風冷負荷在空調系統(tǒng)總冷負荷中占有較大比重，一般在35%～50%之間，處理新風要消耗大量能源。

對于高層建筑來講，人員密度更大，所以取新風量所形成的冷負荷在空調負荷中的比重為最大值50%，室內負荷在空調負荷中的比重為50%。所以各區(qū)空調季節(jié)1kW空調冷負荷每小時產(chǎn)生冷凝水水量b（kg/h）的最大值計算公式為：

b=0.5b1+0.5b2（1）

計算可得，各區(qū)域空調季節(jié)1kW空調冷負荷每小時產(chǎn)生冷凝水水量的最大值介于0.63～0.85kg之間。

2 經(jīng)濟性

2.1 節(jié)水能力

冷卻塔循環(huán)水量為[4]：

式中：G-冷卻塔循環(huán)水量，kg/h；Q0-制冷機冷負荷，kW；Qc-冷卻塔冷負荷，kW；k-制冷機制冷時耗功的熱量系數(shù)：本文取1.2；c-水的比熱容，kJ/（kg·℃），取 4.19；tw1、tw2-冷卻塔進出水溫度，℃。

空調冷凝水最大水量為：

式中：Gl-空調冷凝水水量，kg/h。

從式（3）可以看出，空調冷凝水量在冷卻塔循環(huán)水量中的比例。在工程設計過程中，冷卻水的進出水水溫一般為37℃/32℃，所以冷卻塔進出水溫差可以近似認為5℃，因而（3）式可以寫為：

而冷卻塔補水量為[4]：

式中：Gb-冷卻塔補水量，kg/h。

通過（4）、（5）式計算得到，冷凝水回收量占冷卻塔補水量的比例在21%～42%之間。且此過程不需要依靠水泵來提升冷卻塔的補水，減少補水能耗，節(jié)約補水成本。

2.2 節(jié)能能力

目前大多數(shù)空調系統(tǒng)的進出水溫度大多是7/12℃，所以經(jīng)過處理的空氣中凝結的冷凝水水溫一般在13℃～18℃[4]。

所以冷凝水能夠提供的冷量為：

式中：Ql-冷凝水提供的冷量，kW；tl-空調冷凝水水溫，℃。

冷卻塔提供的冷量為：

通過（6）、（7）式可以計算得到，冷凝水提供的冷量占冷卻塔所需冷量的比例在1.6%～2.02%之間。由此減少冷卻塔運行能耗。

同時，冷凝水的溫度對冷水主機的冷卻水溫有積極的影響。冷凝水與冷卻塔出水混合后的水溫為：

式中：t-混合后冷卻水水溫，℃；A-冷凝水在循環(huán)冷卻水總的占比，%；B-冷卻塔供水在循環(huán)冷卻水總的占比，%。

圖3 冷凝水占比及溫度對供冷主機冷卻水水溫的影響

從圖3中可以看出，隨著冷卻水溫的降低以及冷凝水在冷卻塔循環(huán)冷卻水中占比的增加，冷水主機的冷卻水溫在不斷降低。冷水主機的水溫分布在31.5℃～31.8℃之間，與32℃相比，降低了0.2℃～0.5℃。已有研究表明，當蒸發(fā)溫度一定時，冷凝溫度每增加1℃，壓縮機單位制冷量耗功率約增加3%～4%。所以當冷卻水水溫降低后會不同程度的提高冷水主機的COP，減小冷水主機能耗，節(jié)約電能。

3 結論

本文通過對空調冷凝水產(chǎn)生原理進行分析，得到各區(qū)冷凝水產(chǎn)生量。以此為基礎，探究了高層建筑集中空調冷凝水收集用于冷卻塔補水的技術經(jīng)濟性問題。研究表明，高層建筑集中空調冷凝水收集用于冷卻塔補水方案可行，不僅可以節(jié)約冷卻塔補水21%～42%，而且可以節(jié)約冷卻塔提供冷量1.6%～2.02%，并且可以降低冷水主機的冷卻水溫，提高冷水主機的COP。因此高層建筑冷凝水回收用于冷卻塔補水，即可以節(jié)約水資源，也能減少冷卻塔運行能耗，還能提高空調冷凍主機設備的COP，從而達到了節(jié)水、節(jié)能的效果。