1背景介绍根据《中国建筑能耗研究报告》提供的统计数据[1-4]，从我国不同行业的能源消费总量来看，建筑能耗占比较大。建筑能耗中又以空调能耗占比最大，空调能耗占比情况如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F001图1建筑运行能耗分项占比对于空调系统节能的研究较多。Sheng[5]等提出一种基于中央空调系统预测控制的节能控制策略。Xu[6]等以终端用户负荷需求为导向，建立预测模型对中央空调系统的节能进行优化。Ma[7]等对复杂建筑中央空调系统中变速泵的节能控制进行研究，提出变速泵的最优控制策略，提高输配系统的能源效率。对于空调系统节能的研究，目前提出的措施主要包括：建立基础热望计算模型，减少输配系统电耗；水泵、电机变频调节，变流量运行；减小阀门阻力，提高设备运行效率[8-10]。在空调领域里，冷却塔设备是用于水冷却的关键且设备耗能巨大。郭锐[11]对制冷站冷却塔的节能控制展开研究，提出基于数值模拟技术的冷却塔运行管控，减少冷却塔运行中的能耗。在空调节能技术的研究中，空调控制系统节能所占的比例较大，其次对输配系统进行设计节能也较多，例如变速调频泵的设计。冷却塔作为空调系统中水冷却的关键设备，消耗大量能源，围绕冷却塔的节能研究多数是对于本身结构系统进行改进和完善。参考上述研究成果，提出一种新型节能方式，联系空调主系统和冷却塔，收集系统产生的冷凝水，并基于冷却塔出口风力发电驱动对空调系统进行散热。本装置中冷凝水回收利用的动力，来源于冷却塔出口风力发电装置，产生的作用反哺于空调系统，降低能源消耗，形成良性循环。2装置组成2.1设计总思路基于冷却塔风力发电——零能耗回收利用空调冷凝水装置，集中收集空调系统产生的低温冷凝水，利用空调系统的冷却塔出风进行风力发电，储存于蓄电池中。蓄电池电能供给水泵将低温冷凝水输送至冷却水出水管用于散热，提高空调系统的运行效率，解决空调冷凝水无组织排放影响环境的问题，并且改善冷却塔运行状况。本装置中冷凝水回收利用动力来源于冷却塔出口的风力发电装置，空调冷凝水回收装置结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F002图2空调冷凝水回收装置结构注：1.发电装置（a：风轮；b：电机；c：整流桥；d：蓄电池）；2.冷凝水收集装置3.冷凝水输送装置（a：动力装置；b：出水末端）；4.冷凝水回收排放装置。2.2发电装置空调冷凝水回收装置的发电装置分为4个部件，分别为风轮、电机、整流桥、蓄电池，如图3所示。通过冷却塔上部出风带动风扇转动，驱动电机产生电能，经过整流桥将直流电储存在蓄电池中。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F003图3空调冷凝水回收装置的发电装置风轮-电机装置：风轮安装在冷却塔出风口处，在冷却塔风力的带动下旋转，将冷却塔出风动能转化为风轮轴的机械能，电机在风轮轴的带动旋转下发电。整流桥-蓄电池装置：电机输出的电能首先经过整流桥的整流作用，将交流电转化为直流电再对蓄电池进行充电，此部分使得风力发电机产生的电能转化为化学能。整流桥原理及作用分别如图4和图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F004图4整流器原理图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F005图5整流器作用图2.3冷凝水收集装置在空调系统中，末端设备下装有接水盘收集设备所产生的低温冷凝水，冷凝水滴落在凝水盘后经收集汇入冷凝水管道，管道接入本装置中的冷凝水箱，收集低温冷凝水。2.4冷凝水输送装置冷凝水经过收集后需输送至冷凝器末端冷却水出口处，对冷凝器换热后的冷却水进行降温，实现冷凝水的输送及后续的降温工作则需要设计一组输送冷却装置。该输送冷却装置主要由水泵、输送管路、末端胶管组成，外观结构如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F006图6冷凝水输送装置水泵选择：对比自吸泵和潜水泵的特点[12]，自吸泵相比潜水泵能适用在环境更加苛刻的地方，且性能相对较好，因此本设计选择自吸直流泵作为动力驱动。末端喷水装置设计：冷凝水运输采用金属管路，可同时起到抗压和支撑作用，并在运输管道上设置一层保温海绵，尽可能减少冷量的散失。末端喷水管道采用胶质管道，管道下部均匀排列一排小孔用于喷出细小水滴。2.5冷凝水回收排放装置冷凝水回收排放装置接收喷淋管道喷出后的冷凝水，防止冷凝水泄露造成污染，另外此装置还起到暂时储存冷凝水作用，当系统运行后出现产水不足的情况时，低温冷凝水可二次利用，系统产水充足后，二次利用冷凝水再排放出去。回收利用装置包裹喷淋、冷却水管道，增加液滴与管道的接触机会从而增加散热，箱体宽度在管径的基础上富余20%。冷凝水回收排放装置结构如图7所示，装置结构细节图如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F007图7冷凝水回收排放装置图8冷凝水回收排放装置细节10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F8a1（a）装置细节110.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.F8a2（b）装置细节23理论设计计算理论计算以衡阳市一建筑面积为5 000 m2的商场为例，衡阳市夏季气象参数及相关标准，计算参数依据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.T001表1计算参数依据参数数值室外温度/℃36.0室内温度/℃27.4商场内部温度/℃26.0室内湿度/%50商场人流量/（人/h）1 200系统总制冷量/kW5003.1空调系统冷凝水生成量空调运行所产生的冷凝水包括室外的空气与换热器温度差所产生的冷凝水以及由室内人员运动产生余湿所产生的冷凝水[13]，计算冷凝水生成总量：m总=m+mτ (1)式中：m——空调引进新风产生冷凝水量，kg/h；mτ——室内人员运动产生的余湿，kg/h。带入数据，得到冷凝水生成总量为472 kg/h。3.2输配系统计算计算水泵扬程为6 m，流量为0.6 m3/h（取20%的冷凝水富裕量），根据扬程及流量选定水泵并计算相关数值如表2所示。计算出水泵选配电机功率21.56 W，与水泵实际运行功率21.6 W相近，可作为后续发电机选型依据。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.T002表2水泵参数计算参数数值比转速/（r/min）36进水流速/（m/s）1.08出水流速/（m/s）2.12总效率/%50电机功率理论值/W21.563.3发电装置计算冷却塔进风量计算：q=Q72×(i1- i2)=13.7 m3/s，乘以修正值1.04得出风量q'=14.2 m3/s。计算出口风速为9.22 m/s，达到五级风力标准用于发电足够充裕。风轮、发电机组、蓄电池计算，装置主要向水泵供电。经计算水泵运行耗电量34.53 kWh，计算选取直径为0.08 m的风轮，功率为35 W的发电机组，选择输出电压为18 V的蓄电池与水泵适配。3.4散热量计算液滴碰壁前后与热壁面之间存在对流换热的过程[14]，在这个换热过程中，气固传热温差较小并且环境空气相对静止，因此在此过程中忽略气固传热，假设管道壁面放热全部传递给液滴：Q散=h×Tw- T∞×S接 (2)根据工程经验值，制冷量在500 kW以上的制冷机组，冷凝器出水管径一般为DN150，由于采用液滴喷洒的形式，乘以0.8的系数作为实际接触面积S接=0.8πDL=0.8×3.14×0.15×1=0.377 m2。计算得散热量：Q散≈2 100×(37- 12)×0.377≈19 793 W。4可行性及节能经济效益分析4.1技术可行性分析（1）风力发电的设计使冷却塔出风口的风能得到利用，节省能源和经济成本。并且风力发电技术如今已比较成熟，此项设计可行。（2）空调系统设备末端下装有接水盘，冷凝水经收集后汇入冷凝水管道，管道接入本装置中的冷凝水箱集中收集。结构简单且易于实现，集水箱的设计可以收集系统产生的冷凝水，减少污染和浪费。（3）运输采用金属管路的设计可以更好地抗压和支撑冷凝水的输送，保证了整个运输过程的稳定。而在运输管道上设置一层保温海绵的设计则可以起到优良的保温作用，使得运输过程的冷量损失减少，换热效率提高。（4）末端喷水管道的设计可以让冷凝水以细小水滴状喷出，增加冷凝水与冷却塔进水管道的接触面积，提升冷凝水的冷却降温效果。（5）冷凝水回收排放装置的设计及时收集喷淋管道喷出后的冷凝水，不仅能够防止冷凝水无组织排放对环境造成影响，另外还能暂时储存冷凝水实现二次利用。4.2应用可行性分析（1）响应节能减排政策，当前各种回收冷凝水的装置相继研发使用。本系统设计利用冷却塔的出风口风能发电辅助回收利用冷凝水，有效降低空调运行中的能耗。（2）本系统设计各装置功能分析都较为全面，并且设计选择的仪器与设备获取方便、组装简单，拥有较高的可靠性和实用性。4.3节能及经济效益分析（1）节能效益。在空调系统中，通过冷却水带走冷凝器的热量，冷却水再返回冷却塔散去热量，这部分散热需要冷却塔参与作用。通过计算，使用本装置能够节省制冷系统能耗3.6%，此效果符合节能减排的要求，E=Qϕl×100%≈3.6%。（2）经济效益。对本设计中所用到的设备、材料进行列举，各设备、材料价格取市面上常见产品的均价，结果如表3所示。对价格取中间值进行计算，装置成本合计463元。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.003.T003表3系统各部件价格设备或者材料价格设备或者材料价格风轮10~20元/个冷凝水收集箱×2100~120元发电机组带70~90元/个整流桥10~20元/个蓄电池100~130元/个软胶管10~15元自吸泵80~120元/个输配水管20~30元根据国家商业用电及用水标准，电费0.855 8 kWh，水费4.10元/m³，按每天工作10 h计算，则使用本装置节约电费及水费总和为：M=19.793×10×0.855 8+0.472×10×4.1≈189.4元/d。夏季工况冷却塔开启情况下，以一个月30 d计算，每月可节省5 682元。5创新性及应用前景分析5.1创新性本装置参考现有的空调系统节能方式以及采用冷却塔回收冷凝水的方式，在现有基础上进行创新，装置创新点如下：（1）利用冷却塔出风发电自给自足实现零能耗。冷却塔出风口风力大，装置利用出口处丰富的风力资源发电，将电力储蓄利用，不用额外输入电源。此部分利用冷却塔出风发电自给自足，整个系统实现零能耗。（2）空调系统低温冷凝水再利用。空调系统中产生大量低温冷凝水，本系统中摒弃传统的直接排放方式，将低温冷凝水集中收集，实现再利用。（3）对冷却水出水管散热冷却，提升冷却塔运行性能，降低系统能耗。冷凝水是一种良好的低温冷源，装置利用冷凝水的大量余冷，在冷却塔进水管处通过喷洒冷凝水进行降温，使得冷却塔回水温度降低。则冷却塔工作需要实现的冷却温差减少，从而减少冷却塔运行能耗。（4）输送管道末端采用喷孔，冷凝水呈小液滴喷出增强冷却效果。低温冷凝水对冷却水出水管的冷却不是单纯的滴落，而是通过喷孔喷出增大换热面积，增强冷却效果。（5）本装置冷凝水回收利用动力来源于冷却塔出口风力发电装置，所产生的作用反哺于空调系统，降低能源消耗，形成良性循环。5.2应用前景分析（1）政策导向性。装置应用于空调系统能达到节能效果，符合我国节能减排政策的要求。根据理论计算，本系统运行不需要额外输入能量，对环境友好。在国家宏观政策引导之下，工业生产、居民生活等重大耗能项目已开始寻求低能耗、高效率的运营模式，逐渐出现超低能耗建筑、零能耗建筑，本装置的应用能为空调这一大比重建筑耗能板块提供一种新型降耗的选择。（2）节能技术。本系统采用的技术手段及结构构造简单可靠，具有较强的实际应用价值。在冷凝水回收利用这一领域，已经进行了大量的设想和运用，冷凝水利用技术在市场上已趋于成熟，本系统提供的新型冷凝水回收利用技术可在已成熟的先进技术上再加以改造，实现多种技术综合利用的效果。（3）因地制宜。本系统采用的节水节能技术适用于南方湿热地区，可优化南方大型中央空调制冷机组的制冷效果。南方夏季制冷的需求量大，但由于南方湿热地区具有冷辐高的特点，导致制冷机组制冷效果有限、耗能量大。本系统将冷却水进行预冷，降低冷却塔的运行压力，从而对制冷机组整体的制冷效果进行优化。（4）节能潜力。本系统采用回收可用风能降低需用能耗的方式，达到能耗平衡，在大型的制冷机组的运用上能取得明显的节能效果。理论计算以衡阳市一商场为例，低温冷凝水经水泵输送至冷却水出水管，系统节能达到3.6%，在一定程度上减缓城市热岛效应，研究成果的推广应用可以带来较好的经济效应和社会效益。6结语在建筑领域的能源消耗中，暖通空调系统占据了很大的份额，研究相关技术和设备降低系统能耗对节能事业意义重大。本装置中冷凝水回收利用的动力来源于冷却塔出口风力发电装置，所产生的作用反哺于空调系统，这一举措不仅能够产生良好的社会和经济效益，同时推动可持续发展。