基于焓濕圖的空調冷凝水生成量計算與分析

劉俊紅田宇良張文科劉鳳珍羅南春

(山東建筑大學熱能工程學院,山東濟南250101)

0 引言

水資源是人類生存和社會發展必不可缺的重要資源。根據水利部最新發布的《2018年中國水資源公報》[1],我國水資源總量為2 7462.5億 m3。國家統計局數據顯示,2018年末中國大陸總人口為13.95億人,因此年人均水資源量為1 968 m3。而全球年人均水資源量為8 870 m3,也就是說我國年人均水資源量只能達到全球平均水平的22%,是全球人均水資源最貧乏的國家之一。自20世紀80年代開始,由于人口增長、社會經濟發展和消費模式變化等因素,全球用水量每年增長約1%[2]。隨著需水量不斷增長以及氣候變化影響的愈加顯著,水資源應用面臨的壓力將會持續升高,影響了水資源的可持續利用。

隨著我國經濟的快速發展及城鎮化、工業化的不斷推進,用水需求量也快速增加。與此同時,空調在國民經濟生產和人們社會生活中的使用率也已越來越高。夏季在空調室內制冷的同時,空氣中的水蒸氣會在室內蒸發器表面凝結而產生冷凝水,且濕負荷越大的環境所產生的冷凝水量較多。由GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[3]可知,1 kW冷負荷每1 h能產生0.4～0.8 kg的冷凝水。對于一棟10 000 m2的辦公建筑,冷負荷估算指標取110 W/m2,空調每天開啟時間為7∶00～18∶00,取1 kW 冷負荷每1 h產生0.6 kg的冷凝水,則該辦公樓每天就可以產生7 260 kg的冷凝水,具有很大的可用水量,而且產生的冷凝水是空調工作時的副產品,不需要再額外消耗其他能源。因此,對空調冷凝水的回收利用是對現有水資源的“開源”,是解決水資源緊缺的有效途徑之一。

根據GB 50555—2010《民用建筑節水設計標準》[4],建筑可回收的優質雜排水包含空調冷凝水。而GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》[5]的綠色建筑的評價指標中明確了節水和水資源利用的權重,空調冷凝水屬于其中的非傳統水源利用。因此,不管空調冷凝水是用于建筑還是用于緩解當地水資源緊缺,都具有很大的利用研究價值。

目前,對空調冷凝水回收利用的研究有很多,如將冷凝水用于飲用[6-8]、冷卻塔補水[9-11]、綠化[12]及衛生用水等。由于空調冷凝水的水溫較低,還可用于對冷凝器、壓縮機等的降溫[13-14],以提高空調系統效率。然而,在空調冷凝水的相關研究中,即使對同一種空調系統,冷凝水生成量的計算公式也不相同。因此,文章通過焓濕圖確定不同空調系統冷凝水生成量的計算公式,分析其組成,并計算出我國各省會(首府)城市相同辦公建筑每天生成的空調冷凝水量,為冷凝水收集回收利用提供參考。

1 基于焓濕圖的空調冷凝水生成量計算方法

1.1 集中式空調系統

1.1.1 焓濕圖上夏季過程的表示

對于集中式空調系統,應用最廣泛的是全空氣的一次回風系統,其主要采用夏季再熱法和最大溫差送風法等兩種送風方法。

夏季再熱法和最大溫差送風法的夏季過程在焓濕圖上的表示如圖1所示[15]。其中,夏季再熱法的送風狀態點O由過室內狀態點N的熱濕比線ε與送風溫差Δto確定；最大溫差送風法的送風狀態點L′為過N的熱濕比線ε與相對濕度φ=95%的交點。室內空氣狀態點O和室外狀態點W的空氣混合到C點后,冷卻減濕到露點溫度L(或L′)點,再加熱到O點,由送風狀態點O(或L′)送入房間。

圖1 夏季再熱法和最大溫差送風法的夏季過程焓濕圖

夏季再熱法的處理過程為

冷凝水生成量W1由式(1)表示為

式中:W1為冷凝水生成量,kg/h；G為風量,kg/h；dC和dL分別為C、L點的含濕量,g/kg。

最大溫差送風法的處理過程為

冷凝水生成量W2由式(2)表示為

式中:dL′為L′點含濕量,g/kg。

1.1.2 冷凝水生成量分析

室內濕負荷Wn由式(3)表示為

式中:dN、dO分別為N、O點的含濕量,g/kg。

新風濕負荷Wx由式(4)表示為

式中:GW為新風風量,kg/h；dW為W點含濕量,g/kg。

根據線段與風量的比例關系,可得式(5)為

代入式(4),可得式(6)為

則新風濕負荷與室內濕負荷之和由式(7)表示為

即夏季再熱法冷凝水生成量為室內濕負荷與新風濕負荷之和。

同理可得,最大溫差送風法的冷凝水生成量也為室內濕負荷與新風濕負荷之和,即對于不同送風方式的一次回風空調系統,雖然冷凝水產生于各機房內的空調機組(空氣處理機組),但冷凝水量都為室內濕負荷與新風濕負荷之和。

1.2 半集中式空調系統

1.2.1 焓濕圖上夏季過程的表示

半集中式空調系統中應用最廣泛的為風機盤管+新風系統,其夏季處理過程在焓濕圖上的表示如圖2所示。風機盤管承擔變化負荷(如圍護結構和室內冷負荷),而新風處理機組只承擔新風本身的負荷,不承擔室內負荷,且不考慮溫升。因此,新風經處理機組冷卻減濕后的點L為室內空氣焓值線iN與新風處理機組機器露點的相對濕度φW的交點,室內空氣N經風機盤管處理后的點M由送風狀態點O和L混合確定。即新風W處理到L點,室內空氣N點處理到M點,兩者混合到送風狀態點O送到房間。

圖2 風機盤管+新風系統夏季處理過程的焓濕圖

其處理過程為

冷凝水在風機盤管和新風機組上生成。風機盤管的風量GF為總風量G和新風量GW的差值,風機盤管上生成的冷凝水量由式(8)表示為

式中:GF為風機盤管風量,kg/h；dM為M點含濕量,g/kg。

新風機組上生成的冷凝水量由式(9)表示為

即在新風機組上生成的冷凝水為部分新風濕負荷。

1.2.2 冷凝水生成量分析

根據式(8),風機盤管上生成的冷凝水量WF還可由式(10)表示為

根據線段與風量的比例關系,可得式(11)為

代入式(10)并整理,最后得式(12)為

即風機盤管上的冷凝水量為室內濕負荷和部分新風濕負荷之和。

同時,Wx可由式(13)表示為

因此,風機盤管+新風系統系統中總的冷凝水生成量,即為風機盤管和新風機組上生成的冷凝水量,同時也為室內濕負荷和新風濕負荷之和。

1.3 分散式空調系統

目前,對于分散式空調系統,國內應用最多的為適用于建筑面積較大的變制冷劑流量VRV(Varied Refrigerant Volume)空調系統和適用于建筑面積較小的分體式空調(主要有壁掛式和柜式)。

1.3.1 VRV空調系統

VRV空調系統在使用過程中分為設單獨的新風系統和不設新風兩種情況。VRV+新風系統的設計與風機盤管+新風系統類似,冷凝水在室內機和新風機組上生成。其在焓濕圖上的表示、冷凝水生成量的計算分析與風機盤管+新風系統相同。而不設新風的VRV空調系統與分體式空調相同。

1.3.2 分體式空調

分體式空調不設專門的新風系統,新風通過門窗縫隙滲入,其與室內空氣混合后通過室內機冷卻除濕,在室內循環,冷凝水在室內機上生成。分體式空調的夏季處理過程在焓濕圖上的表示如圖3所示。

圖3 分體式空調夏季處理過程的焓濕圖

在室內機上生成的冷凝水量由式(14)為

由一次回風系統的冷凝水生成量分析可知,分體式空調所產生的冷凝水量也為室內濕負荷與新風濕負荷之和。

2 濕負荷的確定

2.1 室內濕負荷

夏季計算散濕量應根據散濕源的種類,分別選用適宜的人員群集系數、同時使用系數以及通風系數等,并根據下列各項確定[3]:(1)人體散濕量；(2)滲透空氣帶入的濕量；(3)化學反應過程的散濕量；(4)非圍護結構各種潮濕表面、液面或液流的散濕量；(5)食品或氣體物料的散濕量；(6)設備的散濕量；(7)圍護結構的散濕量。

設計民用建筑的空調系統時,室內濕負荷一般取人體的散濕量Wr,由式(15)表示為

式中:g為不同室溫和勞動性質時成年男子散濕量,kg/h；n為室內人數；n′為群集系數。不同室溫和勞動性質時成年男子散濕量、群集系數與工作場所有關,或者說與空調房間的使用用途有關,一般可取為定值。而室內人數在空調運行過程中是變化的。

2.2 新風濕負荷

新風濕負荷為空調系統新風量與室內外含濕量差值的乘積。

2.2.1 新風量的確定

空調系統新風量根據衛生要求、補充局部排風和保持空調房間的“正壓”要求確定。民用建筑空調系統的新風量一般按照衛生要求確定,為室內人數和新風量標準的乘積。室內人數、新風量標準與空調房間的用途有關,設計時一般取為定值,但在空調運行過程中室內人數是變化的。

對于不專門設新風的空調系統,如分體式空調,新風通過門窗縫隙滲入。不同的研究人員在研究過程中取不同的新風量。丁勇等[13]對重慶地區常規運行模式下空調器冷凝水量進行測試,取新風量為總風量的10%,測試結果為冷凝水量實際測量值相較于理論值偏小,其約為27.8%。這說明新風量取值偏大,實際沒有那么多新風進入房間。任晶[16]取新風量為外門開啟進入的空氣量和通過門窗縫隙滲入的空氣量(根據換氣次數計算)的總和,計算了廈門華僑大學教室空調冷凝水生成量,結果發現理論計算值比實測值小很多,說明新風量取值偏小,低估了測試過程中進入的新風量。

準確計算無組織進入室內的新風量是一個難點。目前,外門窗滲透和侵入的風量計算主要是針對于冬季而言,而夏季不設新風系統的空調房間室溫比室外低,空氣密度大于室外,在熱壓作用下室內空氣向外滲透,而非冬季室外空氣向室內滲透。只有在風壓作用下低密度的室外空氣才能進入室內。進入的新風量與風壓、外窗氣密性和外窗縫隙大小有關。

2.2.2 室內外含濕量差值

相同新風量時,新風濕負荷的大小取決于室內外含濕量的差值。室內外含濕量的差值越大,表示可以從新風中回收的冷凝水量越多,冷凝水的收集潛力越大。

3 空調冷凝水生成量的計算結果與分析

根據冷凝水生成量的計算公式,針對某一辦公建筑,計算夏季我國各省會和首府城市在相同條件下每天可以生成的空調冷凝水量,從而分析比較各地冷凝水的收集潛力。

3.1 設定建筑物的各項取值

取某一辦公建筑,其空調面積為10 000 m2。室內設計溫度取26℃,為比較室內相對濕度的影響,室內相對濕度取50%和55%兩種常用情況。

取該辦公建筑的人均占有建筑面積為10 m2/人[17],則建筑物內人數為1 000。群集系數取0.96,成年男子散濕量按極輕勞動性質取值為109 g/h。取室內濕負荷為人體散濕量,不考慮辦公室內花草、茶水等的散濕,該室內濕負荷值為最小室內濕負荷。人員所需最小新風量標準取30 m3/(h·人)。

3.2 冷凝水生成量

根據式(15)計算得室內濕負荷為104.64 kg/h。根據室內人數和新風量標準確定新風量后,查各城市夏季室外空調計算干球溫度下的空氣密度,結合室內外含濕量差計算出新風濕負荷,該值為最小新風濕負荷(新風量最小)。室內濕負荷與新風濕負荷之和為空調冷凝水生成量。

用鴻業暖通軟件計算室內外含濕量差值比天正暖通計算結果略大,相差2%,但趨勢相同。鴻業暖通計算結果見表1,按照冷凝水生成量的計算值從大到小對各城市進行排序,計算值為單位時間的冷凝水生成量。情況1和2分別表示室內相對濕度為50%和55%的情況。

表1 31個城市冷凝水生成量計算結果表

續表1

3.3 冷凝水生成量的分析

3.3.1 冷凝水生成量總趨勢

對于室內外含濕量差、新風濕負荷和單位時間空調冷凝水生成量,總體來說夏熱冬冷地區最大,其次是夏熱冬暖地區、寒冷地區、溫和地區和嚴寒地區。其中,部分夏熱冬暖地區城市的單位時間冷凝水量大于夏熱冬冷地區部分城市的值。對于同一氣候區,西部的冷凝水生成量小于東部的。而對于西部的寒冷地區和嚴寒地區,室內外含濕量差、新風濕負荷在兩種室內相對濕度情況下都為負值,不具有回收價值。

需要注意的是:日冷凝水生成量為單位時間冷凝水量與每日工作時間的乘積,而年冷凝水生成量為單位時間冷凝水量與每年總工作時間的乘積。辦公建筑工作日空調系統的運行時間在7∶00～18∶00內,夏熱冬冷地區的日冷凝水生成量可能大于夏熱冬暖地區,而對于年冷凝水生成量,夏熱冬暖地區的要大于夏熱冬冷地區。

因此,冷凝水生成量總趨勢為夏熱地區可產生的量最大,然后是寒冷地區和溫和地區,嚴寒地區無收集價值。從空間分布上來看,冷凝水生成量總趨勢是南方地區大于北方地區,東部地區大于西部地區。

3.3.2 室內相對濕度的影響

對于相同室內設計溫度,當室內相對濕度由50%增加到55%時,室內空氣含濕量增大,新風濕負荷和冷凝水生成量減小。也就是說,隨著室內相對濕度設定值的增加,室內空氣含濕量增大,室內外含濕量差值減小,空調新風濕負荷和冷凝水生成量也相應減小。

當室內相對濕度為50%時,西寧、烏魯木齊和拉薩的室內外含濕量差為負值；而當室內相對濕度為55%時,室內外含濕量差為負值的城市又增加了一個(蘭州),而且冷凝水生成量為負值的城市也由一個城市(拉薩)增加到兩個城市(拉薩和烏魯木齊)。室內外含濕量差為負值表示這些地區夏天空調系統的新風不會有冷凝水產生,反而可能需要對新風加濕處理。只有當室內濕負荷大于新風濕負荷的絕對值時,這些地區的空調系統才會有冷凝水生成。空調冷凝水量為負值表示這些地區的空調系統不會產生冷凝水,反而需要補水。這也從另外一個方面說明了西部寒冷地區和嚴寒地區沒有回收空調冷凝水的價值。

3.3.3 室外相對濕度的影響

從表1中還可以看出,雖然成都的室外相對濕度最大,但由于其溫度低,空調冷凝水生成量不如其他城市。當室外相對濕度相近時,室外溫度高的城市其空調冷凝水生成量就大(如相對濕度60%～61%時,武漢>南京>合肥；相對濕度61%～62%時,南寧>上海>沈陽)。當室外溫度相近時,室外相對濕度高的城市其空調冷凝水生成量就大(如溫度35.0～35.2℃時,武漢>合肥>海口>石家莊>西安)。這說明冷凝水生成量與室外空氣的濕熱程度有關,室外溫度高,相對濕度大的環境會生成更多的冷凝水。

烏魯木齊和拉薩室外空氣的相對濕度小,低于室內設計參數相對濕度的最小取值(40%)。對這些地區,當室內相對濕度取值大時,即使有室內濕負荷,干燥的室外空氣會使整個空調系統需要補水。室內相對濕度取值越大,空調系統中需要的補水量也越多。因此,對于室外相對濕度小的地區,建議室內相對濕度在設計范圍內取低值,以增加空調冷凝水的生成量,或減少空調系統的補水量。同時,降低室內相對濕度設計值還可以使室內外相對濕度差值不會太大,以免引起人的不適。

3.3.4 潛力分析

對所計算的辦公建筑,因為室內濕負荷和新風濕負荷都為可能情況下的最小值,所以計算所得的空調冷凝水產生量也為最小生成量。當室內相對濕度取50%時,單位空調面積產生最小空調冷凝水量>30 g/h的城市有21個,而>40 g/h的地區有14個。而且建筑物的空調面積越大,空調系統工作時間越長,冷凝水產生量就更多。因此空調冷凝水具有很大的回收潛力,是解決水資源緊缺的有效途徑之一。

4 結論

文章基于不同空調系統在焓濕圖上的表示,確定了其冷凝水生成量的計算公式,針對相同辦公建筑,計算了夏季我國各省會和首府城市的單位空調冷凝水量,主要結論如下:

(1)夏熱地區可產生的冷凝水量最大,其次是寒冷地區、嚴寒地區和溫和地區,而西部的寒冷地區和嚴寒地區無收集價值。總體來說是南方地區大于北方地區,東部地區大于西部地區。

(2)相同室內設計溫度時,室內相對濕度取值越小,空調冷凝水生成量越多；溫度高、相對濕度大的室外環境有利于生成更多的冷凝水。

(3)實際運行過程中空調冷凝水量不是固定值。當室內空氣參數保持恒定時,空調冷凝水量隨室外空氣的狀態參數、新風引入量、室內人員數、室內散濕源等的變化而變化。