高层建筑集中空调冷凝水收集用于冷却塔补水的经济性探究

陈 才 刘利利

（1．重庆三峡学院 重庆市万州区 404100 2.重庆大学 重庆市沙坪坝 400030）

0 引言

对于暖通空调而言，高层建筑具人员密度大，冷热负荷大，新风量多等特点。因而在高层建筑中暖通空调能耗占比很高。为了贯彻国家“节能、节水、节地、治污”八字方针，响应国家节能减排保护环境的号召，建筑节能尤其是暖通空调的节能成为大多数学者的研究热点。空调制冷除湿过程中产生大量的冷凝水，这些冷凝水温度很低、杂质很少、硬度低、产生量稳定，有很高的利用价值[1]。目前，暖通空调节能方面研究方向之一是空调冷凝水的回收利用。其中冷凝水作为冷却塔补水的研究大多是基于工程实例进行分析，本文结合具体工程案例着重从理论上探究高层建筑集中空调冷凝水收集用于冷却塔补水的技术经济性。

1 空调冷凝水量

无论是全空气系统的空调形式，还是风机盘管加新风的空调系统形式，空调冷凝水产生源于两方面：①室内湿负荷。②新风湿负荷。所以本文可以以风机盘管加新风的空调系统形式为例分析各种空调形式的冷凝水产生量。

1.1 空气参数

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50376—2012）规范规定，室内参数的选择见表1。从节能、舒适度以及城市建设和人民生活水平的角度出发，设定室内状态为：温度：25℃，相对湿度：50%。

1.2 室内冷凝水量

相关规范[2]给出了一般室内空调环境1kW冷负荷每小时约产生的冷凝水水量b1介于0.4～0.8kg。由此可见本文计算结果与已有的参考值吻合度较高。

表1 人员长期逗留区域空调室内设计参数

表2 新风处理后状态点的参数和室内空气状态点的参数

同时通过对重庆地区各类建筑（办公、商业、博物馆、超市、酒店、电影院）空调负荷的大量计算发现，室内空调区内1kW冷负荷每小时约产生的冷凝水水量b1介于0.12～0.43kg。图1是不同建筑类型空调区内1kW冷负荷每小时约产生的冷凝水水量的分布图。图中办公建筑和酒店建筑实际工程计算值b1较低，主要原因是此两类功能的空调建筑人流量较低，产生的湿负荷较少。其余各类功能的建筑实际计算的冷凝水水量b1结果接近理论计算结果。

图1 不同建筑类型的分布

1.3 新风冷凝水量

通过对重庆地区各类建筑（办公、商业、博物馆、超市、酒店、电影院）空调负荷的大量计算发现，对于新风系统，各功能类型的空调建筑1kW冷负荷每小时约产生的冷凝水水量介于0.96～1.17kg。图2是不同功能类型的建筑新风每1kW冷负荷每小时约产生的冷凝水水量的分布图。

图2 每1kW新风冷负荷每小时产生的冷凝水水量的分布

1.4 空调区总冷凝水量

按照目前我国暖通规范现有新风量指标，计算得到的高密度人群建筑新风量所形成的新风负荷在空调负荷中的比重一般高达20%～40%，对于人员密度超高建筑，新能能耗通常更高。吕莉[3]对空调冷负荷进行计算分析，也发现新风冷负荷在空调系统总冷负荷中占有较大比重，一般在35%～50%之间，处理新风要消耗大量能源。

对于高层建筑来讲，人员密度更大，所以取新风量所形成的冷负荷在空调负荷中的比重为最大值50%，室内负荷在空调负荷中的比重为50%。所以各区空调季节1kW空调冷负荷每小时产生冷凝水水量b（kg/h）的最大值计算公式为：

b=0.5b1+0.5b2（1）

计算可得，各区域空调季节1kW空调冷负荷每小时产生冷凝水水量的最大值介于0.63～0.85kg之间。

2 经济性

2.1 节水能力

冷却塔循环水量为[4]：

式中：G-冷却塔循环水量，kg/h；Q0-制冷机冷负荷，kW；Qc-冷却塔冷负荷，kW；k-制冷机制冷时耗功的热量系数：本文取1.2；c-水的比热容，kJ/（kg·℃），取 4.19；tw1、tw2-冷却塔进出水温度，℃。

空调冷凝水最大水量为：

式中：Gl-空调冷凝水水量，kg/h。

从式（3）可以看出，空调冷凝水量在冷却塔循环水量中的比例。在工程设计过程中，冷却水的进出水水温一般为37℃/32℃，所以冷却塔进出水温差可以近似认为5℃，因而（3）式可以写为：

而冷却塔补水量为[4]：

式中：Gb-冷却塔补水量，kg/h。

通过（4）、（5）式计算得到，冷凝水回收量占冷却塔补水量的比例在21%～42%之间。且此过程不需要依靠水泵来提升冷却塔的补水，减少补水能耗，节约补水成本。

2.2 节能能力

目前大多数空调系统的进出水温度大多是7/12℃，所以经过处理的空气中凝结的冷凝水水温一般在13℃～18℃[4]。

所以冷凝水能够提供的冷量为：

式中：Ql-冷凝水提供的冷量，kW；tl-空调冷凝水水温，℃。

冷却塔提供的冷量为：

通过（6）、（7）式可以计算得到，冷凝水提供的冷量占冷却塔所需冷量的比例在1.6%～2.02%之间。由此减少冷却塔运行能耗。

同时，冷凝水的温度对冷水主机的冷却水温有积极的影响。冷凝水与冷却塔出水混合后的水温为：

式中：t-混合后冷却水水温，℃；A-冷凝水在循环冷却水总的占比，%；B-冷却塔供水在循环冷却水总的占比，%。

图3 冷凝水占比及温度对供冷主机冷却水水温的影响

从图3中可以看出，随着冷却水温的降低以及冷凝水在冷却塔循环冷却水中占比的增加，冷水主机的冷却水温在不断降低。冷水主机的水温分布在31.5℃～31.8℃之间，与32℃相比，降低了0.2℃～0.5℃。已有研究表明，当蒸发温度一定时，冷凝温度每增加1℃，压缩机单位制冷量耗功率约增加3%～4%。所以当冷却水水温降低后会不同程度的提高冷水主机的COP，减小冷水主机能耗，节约电能。

3 结论

本文通过对空调冷凝水产生原理进行分析，得到各区冷凝水产生量。以此为基础，探究了高层建筑集中空调冷凝水收集用于冷却塔补水的技术经济性问题。研究表明，高层建筑集中空调冷凝水收集用于冷却塔补水方案可行，不仅可以节约冷却塔补水21%～42%，而且可以节约冷却塔提供冷量1.6%～2.02%，并且可以降低冷水主机的冷却水温，提高冷水主机的COP。因此高层建筑冷凝水回收用于冷却塔补水，即可以节约水资源，也能减少冷却塔运行能耗，还能提高空调冷冻主机设备的COP，从而达到了节水、节能的效果。