超高层办公建筑空调冷凝水回收利用与探讨

罗少良

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 项目概况

该大楼建筑高度为149.3m，总建筑面积为204760m2，其中办公区域总建筑面积 52656m2，地下 3 层，地上 31 层（5/13/22 层为避难层）。办公设置一套中央空调冷源系统，冬季不采暖。冷水机组设置于地下二层制冷机房，冷却塔设置于首层下沉空间，冷冻水供回水温度采用6/13℃，冷却塔供回水温度采用31/38℃；计算冷负荷为10368kW，湿负荷6427kg/h（其中室内湿负荷4490kg/h，新风湿负荷1937kg/h），图1 为夏季典型日各楼层湿负荷柱状图。

图1 夏季典型日各楼层湿负荷柱状图

2 冷凝水量计算

办公空调系统采用表冷器对空气进行冷却除湿处理，冷凝水形成机理是让湿空气流经低温表冷器，使空气温度降低至露点温度以下，冷凝析出湿空气中的水汽。冷却除湿的目的是控制空调环境的温湿度，合理的空调系统设计，冷凝水量等于设计温湿度条件下的湿负荷。

室内湿负荷主要由人体散湿量、渗透空气带入室内的湿量、非围护结构各种潮湿表面、液面或液流的散湿量、食品或其他物料的散湿量、设备散湿量等组成。该项目使用功能为办公，且维护结构密封较好，主要散湿源为人体，散湿量与室外空气温度波动无关，仅与空调区总人数、室内设计温湿度、集群系数等有关，由《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）可知，办公建筑房间人员逐时在室率[1]相对稳定，即制冷季节室内湿负荷较稳定，对应风机盘管每小时产生的冷凝水量可视为固定值。

新风湿负荷：与新风量、送风状态点、室外空气状态点有关。新风量及送风状态点设计均为固定值，由于室外空气状态逐时变化，因此新风机组产生的冷凝水量随室外温湿度逐时波动。

末端采用风机盘管加新风空调系统，处理方式采用新风处理至室内等湿度线上（机器露点取90%），风机盘管负担部分室内冷负荷及所有的室内湿负荷，新风机组负担新风冷负荷及部分室内冷负荷、全部新风湿负荷，图2 为夏季风机盘管+新风处理过程i-d 示意图。

图2 夏季风机盘管+新风处理过程i-d

由《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）第8.5.23 条及条文说明得知，一般空调环境1kW 冷负荷每小时产生0.4~0.8kg 的冷凝水[2]。该项目冷负荷及湿负荷计算结果显示，总湿负荷6427kg/h（其中室内湿负荷4490kg/h，新风湿负荷1937kg/h），折合为1kW 冷负荷每小时约产生0.62kg 的冷凝水，处于0.4~0.8 范围内。

3 冷凝水温度

新风管道温升取1℃，机器露点取90%。空调系统处理过程空气状态点如表1 所示。

表1 夏季风机盘管+新风系统处理过程空气状态点

冷凝水温的极限温度应为冷冻水供水温度（6℃），但考虑冷凝水析出后停滞于盘管表面时间不长，换热不充分，冷凝水温度可取各处理线与100%线的交点，空气温度则取机器露点温度（90%）。该工程冷凝水管均设保温，不考虑冷凝水管道温升。即新风机组产生的冷凝水温度可取室内空气状态点对应的露点温度（16.3℃），风机盘管产生的冷凝水温度为NM 连接线与100%相对湿度线的交点（≈11.1℃）。

4 冷凝水回收利用方案

根据超高层办公建筑的竖向分布特点，通常为多个避难层加标准办公层。新风机组可分层设置，也可集中设置于避难层或屋面层。冷凝水回收利用可从三个方面探讨：冷量回收、水量回收、冷量与水量均回收。

冷量回收潜力与温升有关，广州夏季空调室外计算干球温度34.2℃与冷凝水温度（11.1℃/16.3℃）差值较大，冷量回收利用的研究重点可放在室外新风预冷处理上。

水量回收可用于冷却塔补水、蒸发全热回收机组补水、绿化浇灌用水、卫生冲洗用水、景观水池补水等方面。该项目冷却水系统已设化学加药处理，且冷却塔位于首层下沉空间，考虑冷凝水作为冷却水补水，无须增加提升泵及额外的水质处理设施，具有较高的应用价值。

该项目新风机组集中设置于避难层及屋面层，可采用两者同时回收的方案，即给新风预冷处理后，于低位收集后作为冷却塔补水用。

4.1 冷量回收计算

按温度可分为室内冷凝水及新风冷凝水，其中室内冷凝水温度取11.1℃，新风冷凝水温度取16.3℃。

收集后作为集中新风空调机组的预冷处理时，采用表面式空气冷却器，由逆流理论推导可知，水终温可达空气初温（34.2℃），但达到该极限值所需换热面积、传热系数等代价较大，因此按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）第7.5.4 条及条文说明，冷媒温升宜为5~10℃[2]，本文计算按10℃温升并作为预冷盘管选型依据。

（1）室内冷凝水：回收冷量Qn为：

（2）新风冷凝水：回收冷量Qw为：

（3）可回收总冷量为Q=Qn+Qw=52.2+22.53=74.73kW，为总冷负荷10368kW 的0.72%。冷水机组COP 按5.32，折合可节约制冷功率74.73/5.32=14.1kW。

（4）分散作为各避难层新风机组预冷处理：增加表冷器盘管阻力按100Pa 计算，预冷处理新风量130200m3/h，风机综合效率按70%，则增加耗功率：

共节约耗功率14.1-5.2=8.9kW。

（5）仅作为低区1 台新风机预冷处理：增加表冷器盘管阻力按100Pa 计算，预冷处理新风量25000m3/h，风机综合效率按70%，则增加耗功率：

共节约耗功率14.1-0.99=13.11kW。

4.2 水量回收计算

室内冷凝水总量为4490kg/h（4.49m3/h），新风冷凝水总量为1937kg/h（1.94m3/h），总冷凝水量为 6427kg/h（6.43m3/h），占冷却水补水量27m3/h 的23.8%。

4.3 经济分析（见表2）

表2 各回收方案经济性分析

以表2 统计结果可知，冷量回收用于低区新风预冷却方案优于避难层新风分散预冷却方案：节约费用相差较小，而增加表冷器越多，增加投资额成倍增长。冷凝水回收利用的最优方案是水量回收，其次是冷量回收+水量回收（作为低区冷却水补水用）。

5 结语

冷凝水冷量回收的节能潜值较低，回收总冷量仅占总冷负荷为0.72%。采用合理的配置方案，静态投资回收期为0.43 年，在当前能源日益紧张的形势下，也具有一定回收价值。冷凝水水量回收作为冷却水补水使用，回收量占冷却水补水量的23.8%，节能潜值较为可观。