基于焓湿图的空调冷凝水生成量计算与分析

刘俊红田宇良张文科刘凤珍罗南春

(山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101)

0 引言

水资源是人类生存和社会发展必不可缺的重要资源。根据水利部最新发布的《2018年中国水资源公报》[1],我国水资源总量为2 7462.5亿 m3。国家统计局数据显示,2018年末中国大陆总人口为13.95亿人,因此年人均水资源量为1 968 m3。而全球年人均水资源量为8 870 m3,也就是说我国年人均水资源量只能达到全球平均水平的22%,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。自20世纪80年代开始,由于人口增长、社会经济发展和消费模式变化等因素,全球用水量每年增长约1%[2]。随着需水量不断增长以及气候变化影响的愈加显著,水资源应用面临的压力将会持续升高,影响了水资源的可持续利用。

随着我国经济的快速发展及城镇化、工业化的不断推进,用水需求量也快速增加。与此同时,空调在国民经济生产和人们社会生活中的使用率也已越来越高。夏季在空调室内制冷的同时,空气中的水蒸气会在室内蒸发器表面凝结而产生冷凝水,且湿负荷越大的环境所产生的冷凝水量较多。由GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[3]可知,1 kW冷负荷每1 h能产生0.4～0.8 kg的冷凝水。对于一栋10 000 m2的办公建筑,冷负荷估算指标取110 W/m2,空调每天开启时间为7∶00～18∶00,取1 kW 冷负荷每1 h产生0.6 kg的冷凝水,则该办公楼每天就可以产生7 260 kg的冷凝水,具有很大的可用水量,而且产生的冷凝水是空调工作时的副产品,不需要再额外消耗其他能源。因此,对空调冷凝水的回收利用是对现有水资源的“开源”,是解决水资源紧缺的有效途径之一。

根据GB 50555—2010《民用建筑节水设计标准》[4],建筑可回收的优质杂排水包含空调冷凝水。而GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》[5]的绿色建筑的评价指标中明确了节水和水资源利用的权重,空调冷凝水属于其中的非传统水源利用。因此,不管空调冷凝水是用于建筑还是用于缓解当地水资源紧缺,都具有很大的利用研究价值。

目前,对空调冷凝水回收利用的研究有很多,如将冷凝水用于饮用[6-8]、冷却塔补水[9-11]、绿化[12]及卫生用水等。由于空调冷凝水的水温较低,还可用于对冷凝器、压缩机等的降温[13-14],以提高空调系统效率。然而,在空调冷凝水的相关研究中,即使对同一种空调系统,冷凝水生成量的计算公式也不相同。因此,文章通过焓湿图确定不同空调系统冷凝水生成量的计算公式,分析其组成,并计算出我国各省会(首府)城市相同办公建筑每天生成的空调冷凝水量,为冷凝水收集回收利用提供参考。

1 基于焓湿图的空调冷凝水生成量计算方法

1.1 集中式空调系统

1.1.1 焓湿图上夏季过程的表示

对于集中式空调系统,应用最广泛的是全空气的一次回风系统,其主要采用夏季再热法和最大温差送风法等两种送风方法。

夏季再热法和最大温差送风法的夏季过程在焓湿图上的表示如图1所示[15]。其中,夏季再热法的送风状态点O由过室内状态点N的热湿比线ε与送风温差Δto确定；最大温差送风法的送风状态点L′为过N的热湿比线ε与相对湿度φ=95%的交点。室内空气状态点O和室外状态点W的空气混合到C点后,冷却减湿到露点温度L(或L′)点,再加热到O点,由送风状态点O(或L′)送入房间。

图1 夏季再热法和最大温差送风法的夏季过程焓湿图

夏季再热法的处理过程为

冷凝水生成量W1由式(1)表示为

式中:W1为冷凝水生成量,kg/h；G为风量,kg/h；dC和dL分别为C、L点的含湿量,g/kg。

最大温差送风法的处理过程为

冷凝水生成量W2由式(2)表示为

式中:dL′为L′点含湿量,g/kg。

1.1.2 冷凝水生成量分析

室内湿负荷Wn由式(3)表示为

式中:dN、dO分别为N、O点的含湿量,g/kg。

新风湿负荷Wx由式(4)表示为

式中:GW为新风风量,kg/h；dW为W点含湿量,g/kg。

根据线段与风量的比例关系,可得式(5)为

代入式(4),可得式(6)为

则新风湿负荷与室内湿负荷之和由式(7)表示为

即夏季再热法冷凝水生成量为室内湿负荷与新风湿负荷之和。

同理可得,最大温差送风法的冷凝水生成量也为室内湿负荷与新风湿负荷之和,即对于不同送风方式的一次回风空调系统,虽然冷凝水产生于各机房内的空调机组(空气处理机组),但冷凝水量都为室内湿负荷与新风湿负荷之和。

1.2 半集中式空调系统

1.2.1 焓湿图上夏季过程的表示

半集中式空调系统中应用最广泛的为风机盘管+新风系统,其夏季处理过程在焓湿图上的表示如图2所示。风机盘管承担变化负荷(如围护结构和室内冷负荷),而新风处理机组只承担新风本身的负荷,不承担室内负荷,且不考虑温升。因此,新风经处理机组冷却减湿后的点L为室内空气焓值线iN与新风处理机组机器露点的相对湿度φW的交点,室内空气N经风机盘管处理后的点M由送风状态点O和L混合确定。即新风W处理到L点,室内空气N点处理到M点,两者混合到送风状态点O送到房间。

图2 风机盘管+新风系统夏季处理过程的焓湿图

其处理过程为

冷凝水在风机盘管和新风机组上生成。风机盘管的风量GF为总风量G和新风量GW的差值,风机盘管上生成的冷凝水量由式(8)表示为

式中:GF为风机盘管风量,kg/h；dM为M点含湿量,g/kg。

新风机组上生成的冷凝水量由式(9)表示为

即在新风机组上生成的冷凝水为部分新风湿负荷。

1.2.2 冷凝水生成量分析

根据式(8),风机盘管上生成的冷凝水量WF还可由式(10)表示为

根据线段与风量的比例关系,可得式(11)为

代入式(10)并整理,最后得式(12)为

即风机盘管上的冷凝水量为室内湿负荷和部分新风湿负荷之和。

同时,Wx可由式(13)表示为

因此,风机盘管+新风系统系统中总的冷凝水生成量,即为风机盘管和新风机组上生成的冷凝水量,同时也为室内湿负荷和新风湿负荷之和。

1.3 分散式空调系统

目前,对于分散式空调系统,国内应用最多的为适用于建筑面积较大的变制冷剂流量VRV(Varied Refrigerant Volume)空调系统和适用于建筑面积较小的分体式空调(主要有壁挂式和柜式)。

1.3.1 VRV空调系统

VRV空调系统在使用过程中分为设单独的新风系统和不设新风两种情况。VRV+新风系统的设计与风机盘管+新风系统类似,冷凝水在室内机和新风机组上生成。其在焓湿图上的表示、冷凝水生成量的计算分析与风机盘管+新风系统相同。而不设新风的VRV空调系统与分体式空调相同。

1.3.2 分体式空调

分体式空调不设专门的新风系统,新风通过门窗缝隙渗入,其与室内空气混合后通过室内机冷却除湿,在室内循环,冷凝水在室内机上生成。分体式空调的夏季处理过程在焓湿图上的表示如图3所示。

图3 分体式空调夏季处理过程的焓湿图

在室内机上生成的冷凝水量由式(14)为

由一次回风系统的冷凝水生成量分析可知,分体式空调所产生的冷凝水量也为室内湿负荷与新风湿负荷之和。

2 湿负荷的确定

2.1 室内湿负荷

夏季计算散湿量应根据散湿源的种类,分别选用适宜的人员群集系数、同时使用系数以及通风系数等,并根据下列各项确定[3]:(1)人体散湿量；(2)渗透空气带入的湿量；(3)化学反应过程的散湿量；(4)非围护结构各种潮湿表面、液面或液流的散湿量；(5)食品或气体物料的散湿量；(6)设备的散湿量；(7)围护结构的散湿量。

设计民用建筑的空调系统时,室内湿负荷一般取人体的散湿量Wr,由式(15)表示为

式中:g为不同室温和劳动性质时成年男子散湿量,kg/h；n为室内人数；n′为群集系数。不同室温和劳动性质时成年男子散湿量、群集系数与工作场所有关,或者说与空调房间的使用用途有关,一般可取为定值。而室内人数在空调运行过程中是变化的。

2.2 新风湿负荷

新风湿负荷为空调系统新风量与室内外含湿量差值的乘积。

2.2.1 新风量的确定

空调系统新风量根据卫生要求、补充局部排风和保持空调房间的“正压”要求确定。民用建筑空调系统的新风量一般按照卫生要求确定,为室内人数和新风量标准的乘积。室内人数、新风量标准与空调房间的用途有关,设计时一般取为定值,但在空调运行过程中室内人数是变化的。

对于不专门设新风的空调系统,如分体式空调,新风通过门窗缝隙渗入。不同的研究人员在研究过程中取不同的新风量。丁勇等[13]对重庆地区常规运行模式下空调器冷凝水量进行测试,取新风量为总风量的10%,测试结果为冷凝水量实际测量值相较于理论值偏小,其约为27.8%。这说明新风量取值偏大,实际没有那么多新风进入房间。任晶[16]取新风量为外门开启进入的空气量和通过门窗缝隙渗入的空气量(根据换气次数计算)的总和,计算了厦门华侨大学教室空调冷凝水生成量,结果发现理论计算值比实测值小很多,说明新风量取值偏小,低估了测试过程中进入的新风量。

准确计算无组织进入室内的新风量是一个难点。目前,外门窗渗透和侵入的风量计算主要是针对于冬季而言,而夏季不设新风系统的空调房间室温比室外低,空气密度大于室外,在热压作用下室内空气向外渗透,而非冬季室外空气向室内渗透。只有在风压作用下低密度的室外空气才能进入室内。进入的新风量与风压、外窗气密性和外窗缝隙大小有关。

2.2.2 室内外含湿量差值

相同新风量时,新风湿负荷的大小取决于室内外含湿量的差值。室内外含湿量的差值越大,表示可以从新风中回收的冷凝水量越多,冷凝水的收集潜力越大。

3 空调冷凝水生成量的计算结果与分析

根据冷凝水生成量的计算公式,针对某一办公建筑,计算夏季我国各省会和首府城市在相同条件下每天可以生成的空调冷凝水量,从而分析比较各地冷凝水的收集潜力。

3.1 设定建筑物的各项取值

取某一办公建筑,其空调面积为10 000 m2。室内设计温度取26℃,为比较室内相对湿度的影响,室内相对湿度取50%和55%两种常用情况。

取该办公建筑的人均占有建筑面积为10 m2/人[17],则建筑物内人数为1 000。群集系数取0.96,成年男子散湿量按极轻劳动性质取值为109 g/h。取室内湿负荷为人体散湿量,不考虑办公室内花草、茶水等的散湿,该室内湿负荷值为最小室内湿负荷。人员所需最小新风量标准取30 m3/(h·人)。

3.2 冷凝水生成量

根据式(15)计算得室内湿负荷为104.64 kg/h。根据室内人数和新风量标准确定新风量后,查各城市夏季室外空调计算干球温度下的空气密度,结合室内外含湿量差计算出新风湿负荷,该值为最小新风湿负荷(新风量最小)。室内湿负荷与新风湿负荷之和为空调冷凝水生成量。

用鸿业暖通软件计算室内外含湿量差值比天正暖通计算结果略大,相差2%,但趋势相同。鸿业暖通计算结果见表1,按照冷凝水生成量的计算值从大到小对各城市进行排序,计算值为单位时间的冷凝水生成量。情况1和2分别表示室内相对湿度为50%和55%的情况。

表1 31个城市冷凝水生成量计算结果表

续表1

3.3 冷凝水生成量的分析

3.3.1 冷凝水生成量总趋势

对于室内外含湿量差、新风湿负荷和单位时间空调冷凝水生成量,总体来说夏热冬冷地区最大,其次是夏热冬暖地区、寒冷地区、温和地区和严寒地区。其中,部分夏热冬暖地区城市的单位时间冷凝水量大于夏热冬冷地区部分城市的值。对于同一气候区,西部的冷凝水生成量小于东部的。而对于西部的寒冷地区和严寒地区,室内外含湿量差、新风湿负荷在两种室内相对湿度情况下都为负值,不具有回收价值。

需要注意的是:日冷凝水生成量为单位时间冷凝水量与每日工作时间的乘积,而年冷凝水生成量为单位时间冷凝水量与每年总工作时间的乘积。办公建筑工作日空调系统的运行时间在7∶00～18∶00内,夏热冬冷地区的日冷凝水生成量可能大于夏热冬暖地区,而对于年冷凝水生成量,夏热冬暖地区的要大于夏热冬冷地区。

因此,冷凝水生成量总趋势为夏热地区可产生的量最大,然后是寒冷地区和温和地区,严寒地区无收集价值。从空间分布上来看,冷凝水生成量总趋势是南方地区大于北方地区,东部地区大于西部地区。

3.3.2 室内相对湿度的影响

对于相同室内设计温度,当室内相对湿度由50%增加到55%时,室内空气含湿量增大,新风湿负荷和冷凝水生成量减小。也就是说,随着室内相对湿度设定值的增加,室内空气含湿量增大,室内外含湿量差值减小,空调新风湿负荷和冷凝水生成量也相应减小。

当室内相对湿度为50%时,西宁、乌鲁木齐和拉萨的室内外含湿量差为负值；而当室内相对湿度为55%时,室内外含湿量差为负值的城市又增加了一个(兰州),而且冷凝水生成量为负值的城市也由一个城市(拉萨)增加到两个城市(拉萨和乌鲁木齐)。室内外含湿量差为负值表示这些地区夏天空调系统的新风不会有冷凝水产生,反而可能需要对新风加湿处理。只有当室内湿负荷大于新风湿负荷的绝对值时,这些地区的空调系统才会有冷凝水生成。空调冷凝水量为负值表示这些地区的空调系统不会产生冷凝水,反而需要补水。这也从另外一个方面说明了西部寒冷地区和严寒地区没有回收空调冷凝水的价值。

3.3.3 室外相对湿度的影响

从表1中还可以看出,虽然成都的室外相对湿度最大,但由于其温度低,空调冷凝水生成量不如其他城市。当室外相对湿度相近时,室外温度高的城市其空调冷凝水生成量就大(如相对湿度60%～61%时,武汉>南京>合肥；相对湿度61%～62%时,南宁>上海>沈阳)。当室外温度相近时,室外相对湿度高的城市其空调冷凝水生成量就大(如温度35.0～35.2℃时,武汉>合肥>海口>石家庄>西安)。这说明冷凝水生成量与室外空气的湿热程度有关,室外温度高,相对湿度大的环境会生成更多的冷凝水。

乌鲁木齐和拉萨室外空气的相对湿度小,低于室内设计参数相对湿度的最小取值(40%)。对这些地区,当室内相对湿度取值大时,即使有室内湿负荷,干燥的室外空气会使整个空调系统需要补水。室内相对湿度取值越大,空调系统中需要的补水量也越多。因此,对于室外相对湿度小的地区,建议室内相对湿度在设计范围内取低值,以增加空调冷凝水的生成量,或减少空调系统的补水量。同时,降低室内相对湿度设计值还可以使室内外相对湿度差值不会太大,以免引起人的不适。

3.3.4 潜力分析

对所计算的办公建筑,因为室内湿负荷和新风湿负荷都为可能情况下的最小值,所以计算所得的空调冷凝水产生量也为最小生成量。当室内相对湿度取50%时,单位空调面积产生最小空调冷凝水量>30 g/h的城市有21个,而>40 g/h的地区有14个。而且建筑物的空调面积越大,空调系统工作时间越长,冷凝水产生量就更多。因此空调冷凝水具有很大的回收潜力,是解决水资源紧缺的有效途径之一。

4 结论

文章基于不同空调系统在焓湿图上的表示,确定了其冷凝水生成量的计算公式,针对相同办公建筑,计算了夏季我国各省会和首府城市的单位空调冷凝水量,主要结论如下:

(1)夏热地区可产生的冷凝水量最大,其次是寒冷地区、严寒地区和温和地区,而西部的寒冷地区和严寒地区无收集价值。总体来说是南方地区大于北方地区,东部地区大于西部地区。

(2)相同室内设计温度时,室内相对湿度取值越小,空调冷凝水生成量越多；温度高、相对湿度大的室外环境有利于生成更多的冷凝水。

(3)实际运行过程中空调冷凝水量不是固定值。当室内空气参数保持恒定时,空调冷凝水量随室外空气的状态参数、新风引入量、室内人员数、室内散湿源等的变化而变化。