超高層辦公建筑空調(diào)冷凝水回收利用與探討

羅少良

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 項目概況

該大樓建筑高度為149.3m，總建筑面積為204760m2，其中辦公區(qū)域總建筑面積 52656m2，地下 3 層，地上 31 層（5/13/22 層為避難層）。辦公設(shè)置一套中央空調(diào)冷源系統(tǒng)，冬季不采暖。冷水機組設(shè)置于地下二層制冷機房，冷卻塔設(shè)置于首層下沉空間，冷凍水供回水溫度采用6/13℃，冷卻塔供回水溫度采用31/38℃；計算冷負荷為10368kW，濕負荷6427kg/h（其中室內(nèi)濕負荷4490kg/h，新風(fēng)濕負荷1937kg/h），圖1 為夏季典型日各樓層濕負荷柱狀圖。

圖1 夏季典型日各樓層濕負荷柱狀圖

2 冷凝水量計算

辦公空調(diào)系統(tǒng)采用表冷器對空氣進行冷卻除濕處理，冷凝水形成機理是讓濕空氣流經(jīng)低溫表冷器，使空氣溫度降低至露點溫度以下，冷凝析出濕空氣中的水汽。冷卻除濕的目的是控制空調(diào)環(huán)境的溫濕度，合理的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，冷凝水量等于設(shè)計溫濕度條件下的濕負荷。

室內(nèi)濕負荷主要由人體散濕量、滲透空氣帶入室內(nèi)的濕量、非圍護結(jié)構(gòu)各種潮濕表面、液面或液流的散濕量、食品或其他物料的散濕量、設(shè)備散濕量等組成。該項目使用功能為辦公，且維護結(jié)構(gòu)密封較好，主要散濕源為人體，散濕量與室外空氣溫度波動無關(guān)，僅與空調(diào)區(qū)總?cè)藬?shù)、室內(nèi)設(shè)計溫濕度、集群系數(shù)等有關(guān)，由《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB 50189—2015）可知，辦公建筑房間人員逐時在室率[1]相對穩(wěn)定，即制冷季節(jié)室內(nèi)濕負荷較穩(wěn)定，對應(yīng)風(fēng)機盤管每小時產(chǎn)生的冷凝水量可視為固定值。

新風(fēng)濕負荷：與新風(fēng)量、送風(fēng)狀態(tài)點、室外空氣狀態(tài)點有關(guān)。新風(fēng)量及送風(fēng)狀態(tài)點設(shè)計均為固定值，由于室外空氣狀態(tài)逐時變化，因此新風(fēng)機組產(chǎn)生的冷凝水量隨室外溫濕度逐時波動。

末端采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，處理方式采用新風(fēng)處理至室內(nèi)等濕度線上（機器露點取90%），風(fēng)機盤管負擔(dān)部分室內(nèi)冷負荷及所有的室內(nèi)濕負荷，新風(fēng)機組負擔(dān)新風(fēng)冷負荷及部分室內(nèi)冷負荷、全部新風(fēng)濕負荷，圖2 為夏季風(fēng)機盤管+新風(fēng)處理過程i-d 示意圖。

圖2 夏季風(fēng)機盤管+新風(fēng)處理過程i-d

由《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736—2012）第8.5.23 條及條文說明得知，一般空調(diào)環(huán)境1kW 冷負荷每小時產(chǎn)生0.4~0.8kg 的冷凝水[2]。該項目冷負荷及濕負荷計算結(jié)果顯示，總濕負荷6427kg/h（其中室內(nèi)濕負荷4490kg/h，新風(fēng)濕負荷1937kg/h），折合為1kW 冷負荷每小時約產(chǎn)生0.62kg 的冷凝水，處于0.4~0.8 范圍內(nèi)。

3 冷凝水溫度

新風(fēng)管道溫升取1℃，機器露點取90%。空調(diào)系統(tǒng)處理過程空氣狀態(tài)點如表1 所示。

表1 夏季風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)處理過程空氣狀態(tài)點

冷凝水溫的極限溫度應(yīng)為冷凍水供水溫度（6℃），但考慮冷凝水析出后停滯于盤管表面時間不長，換熱不充分，冷凝水溫度可取各處理線與100%線的交點，空氣溫度則取機器露點溫度（90%）。該工程冷凝水管均設(shè)保溫，不考慮冷凝水管道溫升。即新風(fēng)機組產(chǎn)生的冷凝水溫度可取室內(nèi)空氣狀態(tài)點對應(yīng)的露點溫度（16.3℃），風(fēng)機盤管產(chǎn)生的冷凝水溫度為NM 連接線與100%相對濕度線的交點（≈11.1℃）。

4 冷凝水回收利用方案

根據(jù)超高層辦公建筑的豎向分布特點，通常為多個避難層加標準辦公層。新風(fēng)機組可分層設(shè)置，也可集中設(shè)置于避難層或屋面層。冷凝水回收利用可從三個方面探討：冷量回收、水量回收、冷量與水量均回收。

冷量回收潛力與溫升有關(guān)，廣州夏季空調(diào)室外計算干球溫度34.2℃與冷凝水溫度（11.1℃/16.3℃）差值較大，冷量回收利用的研究重點可放在室外新風(fēng)預(yù)冷處理上。

水量回收可用于冷卻塔補水、蒸發(fā)全熱回收機組補水、綠化澆灌用水、衛(wèi)生沖洗用水、景觀水池補水等方面。該項目冷卻水系統(tǒng)已設(shè)化學(xué)加藥處理，且冷卻塔位于首層下沉空間，考慮冷凝水作為冷卻水補水，無須增加提升泵及額外的水質(zhì)處理設(shè)施，具有較高的應(yīng)用價值。

該項目新風(fēng)機組集中設(shè)置于避難層及屋面層，可采用兩者同時回收的方案，即給新風(fēng)預(yù)冷處理后，于低位收集后作為冷卻塔補水用。

4.1 冷量回收計算

按溫度可分為室內(nèi)冷凝水及新風(fēng)冷凝水，其中室內(nèi)冷凝水溫度取11.1℃，新風(fēng)冷凝水溫度取16.3℃。

收集后作為集中新風(fēng)空調(diào)機組的預(yù)冷處理時，采用表面式空氣冷卻器，由逆流理論推導(dǎo)可知，水終溫可達空氣初溫（34.2℃），但達到該極限值所需換熱面積、傳熱系數(shù)等代價較大，因此按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736—2012）第7.5.4 條及條文說明，冷媒溫升宜為5~10℃[2]，本文計算按10℃溫升并作為預(yù)冷盤管選型依據(jù)。

（1）室內(nèi)冷凝水：回收冷量Qn為：

（2）新風(fēng)冷凝水：回收冷量Qw為：

（3）可回收總冷量為Q=Qn+Qw=52.2+22.53=74.73kW，為總冷負荷10368kW 的0.72%。冷水機組COP 按5.32，折合可節(jié)約制冷功率74.73/5.32=14.1kW。

（4）分散作為各避難層新風(fēng)機組預(yù)冷處理：增加表冷器盤管阻力按100Pa 計算，預(yù)冷處理新風(fēng)量130200m3/h，風(fēng)機綜合效率按70%，則增加耗功率：

共節(jié)約耗功率14.1-5.2=8.9kW。

（5）僅作為低區(qū)1 臺新風(fēng)機預(yù)冷處理：增加表冷器盤管阻力按100Pa 計算，預(yù)冷處理新風(fēng)量25000m3/h，風(fēng)機綜合效率按70%，則增加耗功率：

共節(jié)約耗功率14.1-0.99=13.11kW。

4.2 水量回收計算

室內(nèi)冷凝水總量為4490kg/h（4.49m3/h），新風(fēng)冷凝水總量為1937kg/h（1.94m3/h），總冷凝水量為 6427kg/h（6.43m3/h），占冷卻水補水量27m3/h 的23.8%。

4.3 經(jīng)濟分析（見表2）

表2 各回收方案經(jīng)濟性分析

以表2 統(tǒng)計結(jié)果可知，冷量回收用于低區(qū)新風(fēng)預(yù)冷卻方案優(yōu)于避難層新風(fēng)分散預(yù)冷卻方案：節(jié)約費用相差較小，而增加表冷器越多，增加投資額成倍增長。冷凝水回收利用的最優(yōu)方案是水量回收，其次是冷量回收+水量回收（作為低區(qū)冷卻水補水用）。

5 結(jié)語

冷凝水冷量回收的節(jié)能潛值較低，回收總冷量僅占總冷負荷為0.72%。采用合理的配置方案，靜態(tài)投資回收期為0.43 年，在當(dāng)前能源日益緊張的形勢下，也具有一定回收價值。冷凝水水量回收作為冷卻水補水使用，回收量占冷卻水補水量的23.8%，節(jié)能潛值較為可觀。