某大廈中央空調冷凝水回收利用節能改造

文_曾浩然 深圳市寶鷹建設集團股份有限公司

1 大廈中央空調系統概況

某大廈位于深圳市福田區CBD中央商務中心，是一幢超高層甲級寫字樓，空調使用面積72000m2，地面以上總高度193m。主樓部分地下4層，地上40層，分高、中、低三個區。主要用途為辦公寫字樓，同時設有銀行、高檔餐飲等商業機構，是一座功能齊全、技術先進、造型新穎的綜合性智能辦公大樓。每天供冷高峰期從早上（8:00-18:00），晚上（18:00-22:30）及節假日（8:00-22:30）的空調平均負荷約為高峰期的30%，空調系統能耗所占大廈總能耗比例較高，相關能源費用支出較大。

該大廈的中央空調設計裝機容量為3346RT，共配置了4臺水冷式冷水機組，其中3臺離心式水冷機組，1臺螺桿式冷水機組，部分主要空調設備安裝位置、參數（見表1）。

表1 主要空調設備參數表

2 大廈冷凝水回收利用的可行性分析

進行冷凝水回收節能改造，首先必須考慮冷凝水水質是否達標，其次需考慮現場施工條件，以及工程量、投入成本、回報率等。只有對上述因素予以充分調查、研究，才能做出合理的判斷和選擇，才能確保節能改造工程的順利實施。

2.1 冷凝水水質及利用方式分析

為確保回收的冷凝水滿足冷卻水水質要求，首先對冷凝水進行了抽樣檢查，并出具了水質檢驗報告，結果表明冷凝水水質酸堿度及各種離子濃度、細菌數等均合乎要求，是一種高品質的空調冷卻水水源。

該大廈樓層冷凝水均采取集中排入本層管井地漏的方式排放。由于大廈各樓層平面布局基本一致，因此實施冷凝水回收利用只需按照大廈中、高區與低區兩個區分別進行冷凝水收集，將冷卻塔安裝位置以上樓層的冷凝水直接收集至冷卻塔，冷卻塔以下樓層的冷凝水收集至水箱后再通過水泵將水泵入冷卻塔，即可完成對大廈冷凝水的回收利用。

2.2 全年空調負荷分布情況

首先對該大廈空調系統設置情況進行了綜合分析和研究，發現末端總冷負荷為明顯超出冷水機組的設計總冷負荷（Q總）3346RT，低區冷負荷約為總冷負荷的36%，高、中區冷負荷約為64%。考慮到供冷季節的變化性，正常工作日高峰期、節假日及晚上冷負荷的差異，并結合冷水機組不同時段的實際運行負荷，將空調冷負荷根據環境氣候變化大體分為三個階段（見表2）。

表2 空調運行各階段平均冷負荷

2.3 冷凝水水量、水費計算

據《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003有關條文說明：“1kW冷負荷每小時約產生0.4～0.8kg冷凝水。在潛熱負荷較高的場合，每1kW冷負荷每小時約產生0.8kg左右的冷凝水。”該大廈按平均每1kW冷負荷每小時產生0.6kg的冷凝水計算。

據大廈各階段空調冷負荷、每小時產生的冷凝水量、空調運行時間，計算得出各階段冷凝水量（見表3）。

由表3可知，如對該大廈每年排入市政管網的冷凝水加以利用，可直接節約用水13459m3/a，節約水費60566元（取綜合水價4.5元/m3）。

表3 大廈中央空調冷凝水量測算匯總表

3 電量、電費節約分析

根據表1得知：空調轉輸泵電機功率為18.5kW/臺,流量為30m3/h,冷卻塔補水泵電機功率為2.2kW/臺,補水流量為30m3/h，則二者合計功率為20.7kW。

因高、中區的空調負荷為總冷負荷的64%，故高、中區的冷凝水回收水量為：13459m3×64%=8614m3（該部分冷凝水可直接進入冷卻塔）。如通過空調轉輸泵和冷卻塔補水泵向冷卻塔補水8614m3，則2臺泵需連續運行約為287h，需消耗電功率約為5941kWh。

由此可知，僅高、中區冷凝水收集一項一年便可節約空調補水電量5941kWh、節約冷卻水補水電費6875元（綜合電價1.15元/kWh）。

4 冷凝水水溫及對冷水機組的影響

根據大廈空調系統設計說明，其夏季室外設計參數為：空調計算干球溫度33℃，空調計算濕球溫度27.9℃；室內設計參數為：溫度24～26℃，相對濕度40%～60%,新風量30m3/h人。

根據新風量的設計參數及風機盤管技術參數得出：每臺風機盤管新風量約為150m3/h、回風量為1500m3/h。由此可以確定新風狀態點和回風狀態點，并找到二者的混合點，混合點溫度為25.8℃,相對濕度53%，露點溫度15.5℃，由此可以得出冷凝水溫度為15.5℃，考慮到吸熱及溫升，取冷凝水溫度為16℃。

大廈中央空調冷卻塔進、出水的設計溫度為32℃/37℃，冷卻系統總水量為85 m3,從空調使用的三個不同階段可知：第一、第二、第三階段正常工作時段單位時間內空調冷凝水水量分別約為:2.1m3/h、3.5m3/h、5.6m3/h。

設各階段冷凝水（M1）的溫升為△T1，冷卻水（M2）的降溫為△T2，二者混合后溫度為T，根據式（1）：

可得：

即：

式中 C為水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

由此可求得第一、二、三階段的混合冷卻水水溫分別為 31.7℃、31.4℃、31.0℃。即各階段冷卻水水溫分別降低了0.3℃、0.6℃、1.0℃。則月度加權平均降溫（T降）為：

由于冷卻水溫度降低，從而冷凝溫度也跟著降低。

根據分析可知：制冷循環過程中，在蒸發溫度不變的條件下，當冷凝溫度降低時，單位質量制冷量增加、功耗減少，即冷水機組的制冷量上升、功耗減少、制冷系數提高。結合機組的性能測試數據可知：當機組冷凝水溫度由32℃降低至31℃時，機組產生同樣的制冷量所需功耗相應降低約3%，當機組冷凝水溫度由32℃降低至31.25℃時，機組產生同樣的制冷量所需功耗相應降低約2.2%（按2%測算）。

5 冷凝水回收利用改造方案

由于冷卻塔位于第一避難層，所以中、高區冷凝水可通過水管井內冷凝水主管直接引入第一避難層的冷卻塔塔盤；低區冷凝水通過水管井內冷凝水立管及水平管引入地下室（負4層）冷凝水回收水箱，然后通過加壓水泵把水箱冷凝水泵入冷卻塔內。在冷凝水回收水箱內加裝液位浮球控制閥，通過浮球控制閥自動控制水泵的啟停。同時，為確保冷凝水不至于因浮球控制閥失靈而導致冷凝水外溢造成浪費，把水箱的溢水管直接引入冷卻塔的補水池，從而確保冷凝水的充分回收利用。

6 改造效果

改造工程實際投資費用約36000元，基本合乎投資預期。工程實施一年后,對日常抄表數據進行了統計，并將各階段冷凝水實際回收量與測算量進行了對比，如表4所示。

表4 冷凝水實際回收量與測算量對比表

由表4可知：冷凝水實際回收量與測算量各階段偏差范圍在-6.7%～+3.9%之間，年平均偏差率約1%，整體效果符合預期。

根據日常冷凝水溫度測量，冷凝水水溫在15.5～16.5℃，與理論分析值16℃基本相符。冷凝水實際回收量為13588m3/a，冷卻塔補水泵實際節電6000kWh/a,空調主機實際運行效率年平均提高2%左右，空調主機年節電約93000kWh。

實施該工程一年實際節省費用為：冷凝水水費+冷卻塔補水泵節約電費+空調主機節約電費=(13588m3×4.5元/m3)+(6000kWh×1.1元/kWh)+ (93000kWh×1.15元/ kWh)=174996元。

全年節約能源費用174996元，超出投入費用36000元，因此實施該工程3個月內就可收回改造投資費用。

7 結語

通過對空調冷凝水回收利用的節能改造，有效減少了空調冷卻水的消耗，改善了冷水機組的運行條件，提高了機組運行效率，降低了冷水機組的功耗；縮短了冷卻水補水泵的運行時間，節約了電能，并減少了水泵的機械磨損，從而降低了維護成本。冷凝水回收利用節能改造工程不僅減少了企業的直接能源費用支出，提高了企業的經濟效益，同時也具有一定的環保價值。