浅谈住宅冷凝水设计及回收潜力

钱子俊,吴文坚

(浙江绿城建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007)

城市小区空调使用普遍,空调在制冷时会产生冷凝水。目前,对空调冷凝水的处理主要是通过竖向管道系统对其收集,间接排放至室外雨水管道系统。空调冷凝水具有非连续流、小流量和明显的季节性等特征,另外冷凝水的水质要明显好于其他生活杂排水。由于《建筑给水排水设计规范(GB 50015—2003)》[1]未给出冷凝水量计算公式,也未对冷凝水管径作出相应规定。

本文以住宅小区为例,结合冷凝水形成原理,对不同地区空调冷凝水水量的计算作一些研究分析,给出空调冷凝水立管经济合理的管径取值,结合海绵城市的要求,分析住宅小区冷凝水回收潜力。

1 空调冷凝水理论计算水量

夏季空调运行时,空气露点温度要大于蒸发器表面的温度,空气中水蒸气在空调蒸发器表面凝结成水膜,室内空气与水膜不断进行热质交换从而产生冷凝水,冷凝水温度一般约为13℃～15℃[2]。

空调产生的冷凝水量,可由进入室内空气的总含湿量减去室内空气含湿量得到。室外空气W 和室内空气N 混合,混合后达到状态C,混合空气进入风机盘管或者表冷器冷却,与相对湿度线φ=95%相交于送风状态点L,之后送入室内对室内空气进行降温除湿,墙壁等对室内空气的辐射加热,室外湿空气补充至室内混合到C点,空气的处理过程如此循环进行。

图1 混合循环过程焾湿图

冷凝水的生成量计算公式如下：

Q1=ρV(dC-dL)

(1)

式中：W为冷凝水的生成量,kg/h；

ρ为空气密度,取ρ=1.2 kg/m3；

V为空调循环风量,m3/h；

dC为混合状态点C 的焓值,g/kg；

dL为送风状态点L 的焓值,g/kg。

为简化计算,假定以下边界条件：1)用户选用的分体空调额定制冷量均为3 500 W,壁挂式空调标准循环风量取800 m3/h；2)分体空调室内设定参数相同；3)用户家庭人数、生活习惯等相同；4)不考虑建筑结构、房间布局等因素对各用户室内冷负荷的影响。

以杭州为例,室外空气设计参数取室外干球温度tw=35.7 ℃,相对湿度为80%。大气压力按1 00.05 kPa计,室内空气参数按空调房室内设计标准来选取,室内干球温度tN=26 ℃,室内相对湿度φN=60%。空气的机器露点温度tL=15 ℃,相对湿度为φL=95%。

查焓湿图可知以下参数:dN=12.71 g /kg,hN=58.6 kJ/kg,dw=30.28 g/kg,hw=113.7 kJ/kg,dL=10.16 g /kg,hL=40.8 kJ/kg。

根据空气混合原理可知,混合状态点C 的焓值为：

dC=(qW×dW+qN×dN)/(qW+qN)

(2)

式中:qw为新风量,qW=q×m=800×15%=120 m3/h;

qN为回风量,qN=q-qw=800-120=680 m3/h。

代入式(2)计算,dC=120×30.28+680×12.71/800=15.34 g/kg。

将dC代入式(1)计算,冷凝水量Q1=4.978 kg/h。

现阶段户式中央空调普及率越来越高,其循环风量比单台壁挂式空调大很多,由于中央空调产品种类较多,本次假定中央空调循环风量为3 000 m3/h。同时,选取北京、太原、郑州、石家庄、徐州、长沙、广州、海口、上海等城市的空调季的平均气象数据,分别计算在不同风量下的冷凝水量Q1的差异,结果见表1。

从表1可知：1)在相同循环风量下,各地区冷凝水量差异不大。

2)循环风量对冷凝水量有较大影响,中央空调比壁挂式空调产生的冷凝水量大。

表1 冷凝水量计算表

此外空调系统还需要处理室内人员散湿量Q2、食物散湿量Q3,每个家庭按3.5人计算。依据《实用供热空调设计手册》[3]提供的数据,在室温26 ℃,劳动强度为轻度的前提下一名成年男子的散湿量为184 g/h,食物散湿量为每人11.5 g/h。则室内人员散湿量和食物散湿量为：

Q2+Q3=184×3.5+11.5×3.5=684.25 g/h

因此,当风量在800 m3/h时,不同地区冷凝水量变化范围在4.66～9.74 kg/h之间；当风量在3 000 m3/h 时,不同地区冷凝水量变化范围在5.58～34.65 kg/h之间。以上计算的冷凝水量为空调稳定运行产生的理论冷凝水量,而实际产生的冷凝水量与空调运行状况有关。

2 冷凝水立管的设计

《实用供热空调设计手册》冷凝水排水系统设计注意事项中要求：由于冷凝水在管道内是依靠位差自流的,因此,极易腐蚀管道,故管材宜优先采用塑料管,如PVC、UPVC管或钢衬塑管,避免采用金属管道；冷凝水立管的直径应与水平干管的直径保持相同；冷凝水立管的顶部应设置通向大气的透气管。但在《建筑给水排水设计规范(GB 50015—2003)》中,仅在第4.3.13条规定冷凝水的排水应采取间接排水的方式,未对立管的管材、管径、通气管等作具体规定。实际工程设计中,冷凝水常结合设备平台的雨水管一起排放,主要差异在于是否设置伸顶通气管和立管管径取值不同。杨琦[4]认为,空调机的冷凝水应设专用的排水管并间接排放。由于该排水具有季节性的特点,需要防止总体的排水管臭气与室内串通。因此,设置伸顶通气管有助于防止臭气并改善通水能力,对造价的影响也有限。由《建筑给水排水设计规范(GB 50015—2003)》表4.4.11可知,DN50伸顶通气排水立管的流量为0.8 L/s,对于层数大于15层高层建筑,排水流量乘0.9系数,也能达到0.72 L/s的排水能力,远大于表1中冷凝水生成量。《建筑排水塑料管道工程技术规程(CJJ/T 29—2010)》[5]第4.4.3条规定,18层及以上建筑的空调凝结水排水立管的管径宜为50 mm,18层以下的建筑宜为40 mm,空调凝结水排水连接管的管径不宜小于25 mm。实际使用中,排水DN40塑料管使用很少,冷凝水与空气接触后,水的黏稠度增大,长期使用后管径变小,从而导致管道易堵塞和流水不畅,再加上小管刚度差容易变形的特点。 因此笔者建议住宅空调冷凝水管径不宜小于DN50。

3 小区冷凝水回收潜力分析

在国内,收集利用全部的、区域性的雨水较困难,但收集利用居住小区等小范围内的雨水则比较容易实现,造价低廉,效果较好。收集屋面雨水更为简单易行,因为一般情况下,屋面雨水很清洁,对含有极少的杂质可不处理,并且管道系统也比较简单。

以杭州某小区为例,该小区1 046户,规划用地面积47 296 m2,地上由16幢17～19层的高层住宅组成。其中绿化面积14 188.4 m2,道路面积为20 080.6 m2。小区精装交付,均配置户式中央空调。由于受到覆土深度和室外管网走向的限制,可利用屋面为4#、5#、6#、15#、16#楼,共300户,屋顶汇水面积为3 514 m2。

雨水回用系统的设计规模应根据实际情况综合考虑确定,雨水量充裕的月份,即可收集雨水量大于雨水用水量的月份,回用管网的用水应尽量由雨水供应,少用甚至不用自来水补水,在雨水量不足的月份才使用自来水补水。该套雨水回收系统流程如下,将4#、5#、6#、15#、16#楼的冷凝水管和屋面雨水管接到单独的室外雨水管网收集系统,再经初期弃流后接到雨水回用系统中,雨水收集原理图见图2。降雨时,该系统主要在收集雨水,不考虑冷凝水的汇入；而在未降雨时,大多数家庭会开启空调,冷凝水通过该管网系统进入雨水回用系统。因此该系统能在空调季始终有雨水或冷凝水进入回用系统,从而保证了雨水回用系统的可持续性,减少了对自来水的使用。

图2 雨水收集原理图

杭州市降雨量(2017)统计数据见表2。

表2 杭州市月累计雨量统计数据(2017)

各月份雨水收集量需求量平衡分析见表3。水量平衡计算表编制说明：

1)每月可收集雨水量WS=ψC(hy-δ×n)F/1 000。

ΨC为屋面径流系数,取0.9；

δ为初期雨水弃流厚度,取3 mm;

n为每月降雨次数,取月均降雨天数。

2)表3中水量平衡项的负数项说明雨水收集不足,需通过自来水补水以满足用水点水量要求,正数项则需要通过溢流措施溢流。

从表3可知,杭州降水量主要集中在5～10月份,约占全年降水量的71%。在此期间,6月份由于雨水充沛,收集的雨水量大于绿化和道路浇洒用水需求量,而5、7、8、9、10月份雨水可收集量小于雨水用水量,需要通过补水以满足绿化和道路浇洒的水量要求。

假定该小区入住率为80%,可收集冷凝水的中央空调台数约240台,6～9月空调季节平均每月开启15 d,每次4 h,则空调季每月产生的理论冷凝水量：

V冷凝=18.71×4×15×240/1 000=269.4 m3

若蒸发量、管网漏损等不可预见的损失量按理论冷凝水量10%计,实际可收集的水量约为242.5 m3。对比表3的水量平衡可知,在6～10月份,雨水回用系统约需补水945 m3,7～9月空调季节冷凝水可补充727.5 m3,因此能满足雨水回用系统76%的补水量要求,减小了自来水的消耗。

表3 水量平衡计算表

4 结 语

目前各地区都在大力推行住宅精装修交付和海绵城市设计,因此在弄清冷凝水生成原理的基础上,明确冷凝水设计的相关要点,结合海绵城市的有关要求,对冷凝水和屋面雨水一起加以回收利用,有助于提高住宅的设计品质和水资源的可持续利用。

1) 不同地区的气象条件下住宅小区空调冷凝水量变化范围不大,但空调循环风量对冷凝水的水量有较大影响。

2) 住宅小区的冷凝水立管管径取DN50,既能满足冷凝水排放要求,又经济合理,安全可靠。

3) 住宅小区收集冷凝水量用于雨水回用,简单易行,造价低廉,效果较好,在夏季可大大减少对自来水的使用。