空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔補水量的估算

唐 毅，吳曉瑜，曹 敏，林昌元

(1.廣東省建筑科學(xué)研究院，廣州510500；2.廣州市科城建筑設(shè)計院，廣州510663； 3.廣東海外建筑設(shè)計院有限公司，廣州510075)

前言

在公共建筑空調(diào)系統(tǒng)方案比選工作中，采用冷卻塔配套的水冷式冷水機組的空調(diào)系統(tǒng)在運行成本分析中往往容易遺漏冷卻塔補水量這一項，與空調(diào)能耗相比，因其量少而容易被忽視。在建筑節(jié)能評估工作中，也常常發(fā)現(xiàn)冷卻塔補水量完全被忽視或者算少了的現(xiàn)象。在綠色建筑評價工作中，空調(diào)系統(tǒng)的補水量對節(jié)水方案影響很大。因此，如果能采用一種簡單的估算方式，可使上述工作的開展更加順利。

是否采用冷卻塔作為散熱設(shè)備，是空調(diào)系統(tǒng)方案比選的結(jié)果，其主要的判定依據(jù)是空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。有一種觀念：水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)比風冷系統(tǒng)節(jié)能，認為消耗了少量的水，但是帶來了巨大的節(jié)能效果。但是近幾年風冷式多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用日漸廣泛，該現(xiàn)象的出現(xiàn)無疑是對此觀念的一個質(zhì)疑。電和水是完全不同的兩種資源，價格不能完全體現(xiàn)其價值。對于水資源匱乏的地區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與建筑的節(jié)水都應(yīng)得到重視，因此正確估算空調(diào)系統(tǒng)的補水量，有助于節(jié)能與節(jié)水工作的同時開展。

本文將介紹公共建筑冷卻塔補水量的估算方法，結(jié)合單位面積空調(diào)制冷量，推算出單位面積空調(diào)補水量指標，并介紹該指標的使用條件。

1 空調(diào)冷卻塔補水量估算

《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》[1]第3.1.1條：“小區(qū)給水設(shè)計用水量包括：居民生活用水量、公共建筑用水量、綠化用水量、水景娛樂設(shè)施用水量、道路、廣場用水量、公共設(shè)施用水量、未預(yù)見用水量及管網(wǎng)損失水量、消防用水量。”由于空調(diào)系統(tǒng)的耗水量并非每個項目都有，此處沒有作為專項列出，因此在估算總水量時有可能漏掉該項?？照{(diào)系統(tǒng)的耗水量中，冷凍水系統(tǒng)耗水量極少，一般忽略不計，主要指冷卻塔的耗水量。

本文所述空調(diào)冷卻塔補水量是指空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)設(shè)計工況下，通過對建筑物所有房間逐時逐項進行計算而得到的綜合最大冷負荷下冷卻塔所需補充水量。

計算步驟：估算空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷→估算冷卻水量→估算冷卻塔補水量。

1.1 冷卻塔每小時空調(diào)補水量

冷卻塔每小時的補水量，是供給排水專業(yè)設(shè)計管網(wǎng)系統(tǒng)的依據(jù)。

(1)方案設(shè)計時，冷卻水量G(t/h)可按下式估算[2]：

G=αQ

式中：Q——制冷機制冷量，kW；

α——單位制冷量的冷卻水量，壓縮式制冷機α=0.22，溴化鋰吸收式制冷機α=0.3。

選用冷卻塔時，冷卻水量應(yīng)考慮1.1～1.2安全系數(shù)。當ρ=1000kg/h，則α=0.22 m3/(h·kW)(壓縮式制冷機)，α=0.3 m3/(h·kW)(溴化鋰吸收式制冷機)。其中還可推導(dǎo)出：溴化鋰吸收式制冷機的冷卻水量補水量是壓縮式制冷機的0.3/0.22=1.36倍。

(2)冷卻塔補水量，包括風吹飄逸損失、蒸發(fā)損失、排污損失和泄漏損失。一般按冷卻水量的1%～2%作為補水量。

推算單位制冷量的冷卻塔補水量約為：

Lm=(0.01～0.02)×0.22=0.0022～0.0044 m3/(h·kW)。

當制冷量的單位為1RT(即USRT，1RT=3517W)時，冷卻水補水量為：

Lm=3.517×(0.0022～0.044)=0.007737～0.01547 m3/(h·RT)。

由于補水量為冷卻水量的1%～2%，此范圍的上限約為下線的一倍，取值不同使補水量結(jié)果相差很大。為了方便估算，因此想在該區(qū)域中找出一個更加合理的估算值。在《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》[3]中有冷卻塔補充水的相關(guān)計算公式。由于冷卻水的濃縮比不應(yīng)小于3，濃縮比大于3，冷卻水補水量減少。當濃縮比為3時，其對應(yīng)的冷卻塔補水量約為1.3%。濃縮比越大，補水量越少。因此可取1.3%作為冷卻塔補水量的估算值，此值在1%～2%中接近下限，符合節(jié)水的要求，同時也是一個相對保守的數(shù)據(jù)。

制冷量為1kW所需補水量：

Lm=1×0.22×0.013=0.00286 m3/h，

制冷量為1RT所需補水量：

Lm=1×3.517×0.22×0.013=0.01 m3/h

當制冷量為1RT，按一日運行10小時計算，所需冷卻塔補水量約為0.1 m3/h。

1.2 冷卻塔全年的補水量

《民用建筑節(jié)水設(shè)計標準》[4]第5.1.11條：冷卻塔補水的日均補水量Wtd和補水年用水量Wta應(yīng)分為別按下列公式進行計算：

Wtd=(0.5～0.6)qqT

Wta=Wtd×Dt

式中：Wtd——冷卻塔日均補水水量(m3/h)；

qq——補水定額(m3/h)(即前文中的Lm)，可按冷卻循環(huán)水量1%～2%計算，使用雨水時宜取高限；

T——冷卻塔每天的運行時間(h/d)；

Dt——冷卻塔每年的運行天數(shù)(d/a)；

Wta——冷卻塔補水年用水量(m3/h)。

值得注意的是，Wtd為日平均補水量，是綜合全年的氣候條件計算出的結(jié)果。主要用于估算全年的耗水量。式中系數(shù)0.5～0.6，反映了全年使用空調(diào)的每天、每小時因天氣變化和室內(nèi)使用情況引起空調(diào)負荷變化等綜合因素。參考文獻[2]中的有關(guān)空調(diào)冷負荷的“全國主要城市的折算滿負荷運行時間估算表”，每天的運行時間按正常使用時間計算，其中辦公樓的加班時間折算為上班時間，因此通過分析暫按下面取值：廣州市的商場取0.5，運行210天；辦公樓取0.6，運行210天；酒店取0.5，運行210天(還可考慮再乘以入住率系數(shù)0.5～0.7)。

式中qq被定義為補水定額，實際上是在空調(diào)設(shè)計工況下空調(diào)負荷達到綜合最大值時對應(yīng)的冷卻塔補水量。該水量乘以每日運行時間，即qqT，本文稱為冷卻塔最大日補水量，qqT大于每日逐時累計補水量，它們的差值不大，可作為計算的安全余量。

1.2.1 常見空調(diào)系統(tǒng)形式

空調(diào)系統(tǒng)的冷卻散熱方式主要分為風冷和水冷兩大類，水冷中又分為兩種：一是利用水蒸發(fā)需要大量吸熱的原理帶走制冷設(shè)備排放的熱量，這種方式需要不斷補充水；二是利用水溫差傳熱的原理帶走熱量，吸熱后的水再將熱量通過溫差傳熱傳遞給其他媒體散走或直接排走，這種形式不需要補充水，例如土壤源、水源熱泵等方式。常見系統(tǒng)形式見表1。

其中蒸發(fā)式冷凝機組的補水量，可參照冷卻塔補水量進行計算。

1.2.2 空調(diào)冷負荷的估算

(1)已有空調(diào)冷負荷計算結(jié)果，了解采用空調(diào)系統(tǒng)形式，只統(tǒng)計空調(diào)系統(tǒng)采用冷卻塔(或采用蒸發(fā)式冷凝器機組)的總冷負荷。

(2)無空調(diào)冷負荷數(shù)據(jù)，通過單位面積空調(diào)冷指標估算制冷量。需要注意的是，空調(diào)冷指標對應(yīng)的面積不是建筑面積，而是空調(diào)面積。因此建筑面積應(yīng)該乘以空調(diào)有效面積系數(shù)，常取0.8～0.9。若方案階段，還可能包括地下室，可取0.75～0.85，視項目情況而定。

(3)在步驟(2)的基礎(chǔ)上，再重復(fù)步驟(1)。

(4)再按2.1節(jié)內(nèi)容可直接估算空調(diào)補水量。

表1 常見空調(diào)冷源系統(tǒng)冷卻水補水位置

散熱方式散熱原理常見形式冷卻散熱補水位置風冷利用空氣吸熱升溫風冷式冷水機組無空氣源熱泵機組無風冷多聯(lián)機無水冷利用水的蒸發(fā)散熱水冷式冷水機組冷卻塔水環(huán)熱泵機組冷卻塔水冷多聯(lián)機冷卻塔蒸發(fā)式冷凝機組機組自身利用水的溫升帶走熱量水源熱泵機組無地源熱泵機組無

2 常見公共建筑冷卻塔補水量的估算

以商場、辦公、酒店三類建筑為例，對冷卻塔日補水量、年補水量及年總水費進行估算，假設(shè)這三類建筑全部采用配套使用冷卻塔的水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)，其中冷卻塔補水量占冷卻水量的比例為1.3%，計算結(jié)果見表2；冷卻塔補水量占冷卻水量的比例為1%～2%的計算結(jié)果見表3。

表2 冷卻塔補水量占冷卻水量1.3%的計算結(jié)果

單位辦公商場酒店冷卻塔補充水量占冷卻水量的比例%1.31.31.3單位制冷量每小時空調(diào)補水量LL/(h·kW)2.862.862.86單位空調(diào)面積冷指標qW/m2150230120空調(diào)有效面積系數(shù)a 0.850.850.75單位建筑面積空調(diào)冷負荷=q×aW/m212819690單位建筑面積冷卻塔每小時補水量L/(m2·h)0.370.560.26每日冷卻塔運行小時數(shù)Th111324單位建筑面積冷卻塔日最大補水量Lm=qq×TL/(m2·日)4.07.36.2折算系數(shù) 0.60.60.55全年空調(diào)天數(shù)Dt日210210210單位建筑面積冷卻塔日均補水量WtdL/(m2·日)2.44.43.4單位建筑面積冷卻塔年用水量Wtam3/(m2·a)0.50.90.7單位建筑面積全年水費 W=P×Dt元/m22.54.53.5

表3 冷卻塔補水量占冷卻水量1%～2%的計算結(jié)果

單位辦公商場酒店冷卻塔補充水量占冷卻水量的比例%1～21～21～2單位制冷量每小時空調(diào)補水量L/(h·kW)2.2～4.42.2～4.42.2～4.4單位建筑面積冷卻塔每小時補水量L/(m2·h)0.28～0.560.43～0.860.2～0.4單位建筑面積日最大冷卻塔補水量 Lm=qq×TL/(m2·日)2.8～5.65.2～10.34.8～9.5單位建筑面積冷卻塔日均補水量WtdL/(m2·日)1.9～3.73.4～6.72.6～5.2單位建筑面積冷卻塔年補水量Wtam3/(m2·a)0.4～0.80.7～1.40.6～1.1單位建筑面積全年水費 W=P×Dt元/(m2·a)1.9～3.83.4～6.82.7～5.3

注： 1.不采用冷卻塔方式散熱的空調(diào)區(qū)域的面積不應(yīng)統(tǒng)計；

2.自來水價格按廣州市的水費標準取值，其中非居民用水：3.46元/m3，污水處理費收費標準：商業(yè)1.4元/m3，總水費4.86元/m3。

3 建筑的生活給水最高日用水定額與冷卻塔補水量的對比

建筑總用水量主要包括生活用水量與空調(diào)補水量。下面的數(shù)據(jù)是按全部面積都采用利用冷卻塔散熱的中央空調(diào)系統(tǒng)來進行計算的。冷卻塔補水量取本文估算結(jié)果。

(1)辦公樓最高日生活用水定額為30～50L/人[2]，人員密度按建筑面積1人/8 m2，因此辦公樓的生活用水量約為3.8～6.3L/ m2。若密度大，為1人/5 m2，辦公樓的生活用水量約為6～10L/ m2。冷卻塔日最大補水量4.0L/(m2·d)?？赏扑愠隼鋮s塔的日補水量占建筑總用水量的比例可達30%～50%。

(2)商場最高日生活用水定額5～8L/m2，冷卻塔日最大補水量7.3L/(m2·d)。可推算出冷卻塔補水量約占建筑用水量的60%～48%。

(3)酒店由于客房與配套功能種類多，用水種類多，為了方便比較，取客房的生活熱水用水量進行對比，一個客人的日用水定額為120～160L/日，一間客房的面積約25～35 m2，若取30 m2，按兩個人計算，則平均每m2的熱水用水量約為8～10.7L/(日·m2)。酒店冷卻塔日最大補水量6.2L/(m2·d)?？梢姸邤?shù)值接近。

4 結(jié)論

(1)本文整理了一種對全年冷卻水補水量的估算方法，可快速估算冷卻塔補水量。在工程的前期咨詢和空調(diào)系統(tǒng)方案比較工作中，可節(jié)省計算工作量。

(2)通過對廣州市的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，得出在辦公、商場類公共建筑中全部采用冷卻塔散熱的空調(diào)系統(tǒng)，在空調(diào)設(shè)計工況下，冷卻塔日最大補水量可分別達到建筑總用水量的30%～50%、48%～60%。

(3)由空調(diào)制冷量估算空調(diào)補水量的經(jīng)驗值為：空調(diào)制冷量為1RT，運行10小時，所需空調(diào)補水量約為0.1 m3/h；空調(diào)制冷量為1kW，運行10小時，空調(diào)補水量約為0.028 m3/h。

(4)廣州市單位建筑面積空調(diào)冷卻塔每日補水量估算值為：辦公4.0L/m2·d、商場7.3L/m2·d、酒店6.2L/m2·d，單位建筑面積空調(diào)年補水量約為：辦公0.5 m3/m2·a、商場0.9 m3/m2·a、酒店0.7 m3/m2·a。

(5)酒店的空調(diào)補水量與相同面積客房的熱水最高日用水定額接近。但全年的補水量受入住率影響大，可酌情乘以折減系數(shù)。

本文的計算方法及結(jié)果有助于給排水設(shè)計師在空調(diào)尚未提資，但明確了采用冷卻塔配套系統(tǒng)的空調(diào)范圍的前提下，可自行估算冷卻塔的補水量，適用于方案階段?？晒浪愠隼鋮s塔補水量在建筑總用水量的大致比例。結(jié)論的應(yīng)用還需要對計算過程中的取值進行理解與核算，并復(fù)核項目所在地的氣象參數(shù)、空調(diào)冷負荷指標、日運行時間、年運行時間等影響因素。在施工圖設(shè)計階段不宜采用本結(jié)論，應(yīng)以暖通專業(yè)提供的冷卻塔補水量為最終依據(jù)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國規(guī)矩質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50015-2003(2009年版)建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010

[2] 陸耀慶.實用供熱通風空調(diào)設(shè)計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008，5

[3]中國工程建設(shè)標準化協(xié)會化工分會.GB50050-2007 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2008

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50555-2010 民用建筑節(jié)水設(shè)計標準[S].北京：中國計劃出版社，2010