超高層辦公建筑空調冷凝水回收利用與探討

羅少良

（廣東省建筑設計研究院有限公司，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）。辦公設置一套中央空調冷源系統，冬季不采暖。冷水機組設置于地下二層制冷機房，冷卻塔設置于首層下沉空間，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（其中室內濕負荷4490kg/h，新風濕負荷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

辦公空調系統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環境的溫濕度，合理的空調系統設計，冷凝水量等于設計溫濕度條件下的濕負荷。

室內濕負荷主要由人體散濕量、滲透空氣帶入室內的濕量、非圍護結構各種潮濕表面、液面或液流的散濕量、食品或其他物料的散濕量、設備散濕量等組成。該項目使用功能為辦公，且維護結構密封較好，主要散濕源為人體，散濕量與室外空氣溫度波動無關，僅與空調區總人數、室內設計溫濕度、集群系數等有關，由《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）可知，辦公建筑房間人員逐時在室率[1]相對穩定，即制冷季節室內濕負荷較穩定，對應風機盤管每小時產生的冷凝水量可視為固定值。

新風濕負荷：與新風量、送風狀態點、室外空氣狀態點有關。新風量及送風狀態點設計均為固定值，由于室外空氣狀態逐時變化，因此新風機組產生的冷凝水量隨室外溫濕度逐時波動。

末端采用風機盤管加新風空調系統，處理方式采用新風處理至室內等濕度線上（機器露點取90%），風機盤管負擔部分室內冷負荷及所有的室內濕負荷，新風機組負擔新風冷負荷及部分室內冷負荷、全部新風濕負荷，圖2 為夏季風機盤管+新風處理過程i-d 示意圖。

圖2 夏季風機盤管+新風處理過程i-d

由《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）第8.5.23 條及條文說明得知，一般空調環境1kW 冷負荷每小時產生0.4~0.8kg 的冷凝水[2]。該項目冷負荷及濕負荷計算結果顯示，總濕負荷6427kg/h（其中室內濕負荷4490kg/h，新風濕負荷1937kg/h），折合為1kW 冷負荷每小時約產生0.62kg 的冷凝水，處于0.4~0.8 范圍內。

3 冷凝水溫度

新風管道溫升取1℃，機器露點取90%。空調系統處理過程空氣狀態點如表1 所示。

表1 夏季風機盤管+新風系統處理過程空氣狀態點

冷凝水溫的極限溫度應為冷凍水供水溫度（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保溫，不考慮冷凝水管道溫升。即新風機組產生的冷凝水溫度可取室內空氣狀態點對應的露點溫度（16.3℃），風機盤管產生的冷凝水溫度為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。新風機組可分層設置，也可集中設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，廣州夏季空調室外計算干球溫度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預冷處理上。

水量回收可用于冷卻塔補水、蒸發全熱回收機組補水、綠化澆灌用水、衛生沖洗用水、景觀水池補水等方面。該項目冷卻水系統已設化學加藥處理，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處理設施，具有較高的應用價值。

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

4.1 冷量回收計算

按溫度可分為室內冷凝水及新風冷凝水，其中室內冷凝水溫度取11.1℃，新風冷凝水溫度取16.3℃。

收集后作為集中新風空調機組的預冷處理時，采用表面式空氣冷卻器，由逆流理論推導可知，水終溫可達空氣初溫（34.2℃），但達到該極限值所需換熱面積、傳熱系數等代價較大，因此按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（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℃溫升并作為預冷盤管選型依據。

（1）室內冷凝水：回收冷量Qn為：

（2）新風冷凝水：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，折合可節約制冷功率74.73/5.32=14.1kW。

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

共節約耗功率14.1-5.2=8.9kW。

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

共節約耗功率14.1-0.99=13.11kW。

4.2 水量回收計算

室內冷凝水總量為4490kg/h（4.49m3/h），新風冷凝水總量為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 經濟分析（見表2）

表2 各回收方案經濟性分析

以表2 統計結果可知，冷量回收用于低區新風預冷卻方案優于避難層新風分散預冷卻方案：節約費用相差較小，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方案是水量回收，其次是冷量回收+水量回收（作為低區冷卻水補水用）。

5 結語

冷凝水冷量回收的節能潛值較低，回收總冷量僅占總冷負荷為0.72%。采用合理的配置方案，靜態投資回收期為0.43 年，在當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%，節能潛值較為可觀。