水源熱泵用江水水質(zhì)綜合評價

白雪蓮 柴峰

摘要：

江水水質(zhì)是利用江水源熱泵技術(shù)時必須考慮的重要條件之一，也是影響江水源熱泵系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。通過對江水源熱泵換熱器結(jié)垢的水質(zhì)影響因素進行分析，確定了主要水質(zhì)指標(biāo)及其取值。采用模糊綜合評價法，利用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了作為水源熱泵源水的江水水質(zhì)類別。針對實際工程應(yīng)用中需要檢測相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的多個指標(biāo)并同時滿足的難度，提出了水質(zhì)結(jié)垢潛能值的概念。作為水源熱泵用水質(zhì)綜合評價指標(biāo)，水質(zhì)結(jié)垢潛能值既考慮了主要水質(zhì)參數(shù)對水源熱泵換熱器結(jié)垢的綜合作用，又能夠簡便快速地為工程應(yīng)用中的水質(zhì)判斷和系統(tǒng)選擇提供直接依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

水源熱泵；模糊綜合評價；水質(zhì)參數(shù)；污垢

水源熱泵作為一種可再生能源利用技術(shù)，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點，因而日益受到關(guān)注。水質(zhì)條件的好壞對水源熱泵機組換熱器結(jié)垢起著決定性作用。江水水質(zhì)是江水源熱泵利用時必須考慮的重要條件之一，也是影響江水源熱泵系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。因此在利用江水冷熱資源時，需要明確作為熱泵用水體的水質(zhì)條件，為水體的可用性做出科學(xué)評判，并對其利用方式提出合理建議。對水質(zhì)的評價方法即成為關(guān)鍵問題。目前，對水環(huán)境質(zhì)量的評價方法主要有：專家評價法、指數(shù)評價法、效益評價法和模糊評價法 [14]。由于對江河水質(zhì)進行評價會涉及到很多指標(biāo)，且各指標(biāo)之間也存在內(nèi)在的聯(lián)系，因此，可以認(rèn)為河流水質(zhì)是由多因素控制的、復(fù)雜的、非線性的模糊系統(tǒng)，對這類系統(tǒng)進行評價具有一定的模糊性。模糊綜合評價作為定性分析和定量分析綜合集成的一種常用方法，已在環(huán)境領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用， 在水質(zhì)綜合評價、大氣環(huán)境綜合評價等方面都已經(jīng)有長期和深入的研究[513]。筆者采用模糊綜合評價法對江河水質(zhì)進行分類，在引起江水源熱泵換熱器結(jié)垢方面對水質(zhì)的優(yōu)劣進行定性或定量描述，以準(zhǔn)確反映目前的水體質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)之上從水源熱泵換熱器結(jié)垢潛能的角度，提出一種既能準(zhǔn)確反映水質(zhì)因素對結(jié)垢的影響，又能便于工程應(yīng)用的綜合評價指標(biāo)。

白雪蓮，等：水源熱泵用江水水質(zhì)綜合評價

1影響污垢生長的水質(zhì)參數(shù)

1.1水質(zhì)參數(shù)分析

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對機組換熱器冷卻水水質(zhì)指標(biāo)的要求很多。有研究結(jié)合換熱器污垢熱阻在線監(jiān)測，并對污垢特性影響較大的水質(zhì)參數(shù)做同周期離線監(jiān)測，得到了不同水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻之間的關(guān)聯(lián)度大小[14]，見表1。

通過與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中水源熱泵允許水質(zhì)（地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB 50366，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB 50019，工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范GB 50050）相比較發(fā)現(xiàn)，在利用長江水作為水源時，2010年11月至2011年9月的江水水質(zhì)大部分都能滿足要求，含沙量和濁度偏大是主要需要解決的問題。

1.2水質(zhì)狀況分類

結(jié)合以上分析及江水水質(zhì)實際情況，選取PH值、鐵離子、含沙量、濁度、電導(dǎo)率這5個對江水源熱泵換熱器污垢特性影響較大的水質(zhì)參數(shù)作為水質(zhì)評價的依據(jù)。

1）PH值

PH值對水中諸多指標(biāo)起著控制作用，影響了Ca2+、Mg2+、Fe2+、游離CO2、總堿度等形成沉淀物質(zhì)。文獻[15]利用自制污垢熱阻測定裝置，配置模擬水，恒水溫45 ℃下進行快速結(jié)垢實驗。結(jié)果表明：隨著PH值增大，污垢熱阻增大，污垢增多，究其原因是PH值控制了堿度大小。

2）鐵離子

鐵離子容易與水中OH-結(jié)合形成膠體物質(zhì)Fe（OH）2，若水中溶解氧含量充足，進一步被氧化形成紅褐色Fe（OH）3，形成腐蝕污垢和顆粒污垢。文獻[16]用通過考察銅、不銹鋼和鑄鐵在不同條件下的腐蝕與結(jié)垢情況。結(jié)果表明：在不加緩蝕阻垢劑條件下，當(dāng)水中鐵離子含量大于0.5 mg/L時，結(jié)垢率超過設(shè)計限定值。

3）含沙量

江水中的細小泥沙顆粒沉降在換熱器表面，逐漸形成污垢。因此在利用江河水作為江水源熱泵源水時，含沙量是一個需要重點控制的水質(zhì)指標(biāo)。由之前的測試結(jié)果可以看出，江水含沙量在大部分時間不滿足規(guī)范要求。江水源熱泵系統(tǒng)常采用除沙裝置對江水進行水處理。目前常用的旋流除沙器的除沙效率都在90%以上。根據(jù)除沙率的計算公式。考慮到機器的效率及其他綜合因素，假設(shè)除沙效率為80%，則當(dāng)江水含沙量大于100 mg/L、小于500 mg/L時，經(jīng)過處理后可以滿足規(guī)范要求。

4）濁度

水的濁度體現(xiàn)了水中懸浮物的含量。懸浮物越多，越容易引起換熱器結(jié)垢。天然河流中含有較多的物質(zhì)成分，尤其以泥沙為主，而濁度受泥沙影響較大。在江水源熱泵系統(tǒng)中，除沙器在去除水中泥沙的同時，對江水的濁度也進行了一定程度的處理。根據(jù)目前市場上廠家發(fā)布的產(chǎn)品樣本來看，旋流除沙器除濁率一般在80%左右。綜合考慮水處理裝置對江水濁度的降低率，假定除濁效率為60%，則當(dāng)江水濁度大于100 NTU、小于250 NTU時，經(jīng)過處理后，可以滿足規(guī)范要求。

5）電導(dǎo)率

電導(dǎo)率的定義為傳導(dǎo)電流密度與電場強度之比。有研究表明[17]：電導(dǎo)率小于1 000 μs/cm 時，水質(zhì)基本穩(wěn)定；電導(dǎo)率小于1 500 μs/cm 而大于1 000 μs/cm 時，換熱器輕微結(jié)垢；電導(dǎo)率大于1 500 μs/cm 時，冷卻水對換熱器表面的腐蝕率就增大，造成嚴(yán)重結(jié)垢。

根據(jù)以上分析，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)的要求[1819]，提出如表3所示指標(biāo)分類等級。

2模糊評價應(yīng)用分析

2.1評價集

模糊綜合評價是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法。模糊評判數(shù)學(xué)模型的建立可歸納為以下幾個步驟：1）找出評價因素集；2）劃分評價等級；3）建立隸屬函數(shù)，計算模糊評判矩陣；4）確定指標(biāo)權(quán)重；5）進行模糊評判，得出模糊評判結(jié)果。該應(yīng)用中，評價因子集中共設(shè)置5個評價因子，則建立的評價因子集U為：U=X1，X2，X3，X4，X5={PH值，鐵離子，含沙量，濁度，電導(dǎo)率}。根據(jù)江水引起水源熱泵機組換熱器結(jié)垢的程度，將江水水質(zhì)分為3類。一類：水質(zhì)優(yōu)，不僅滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而且不易引起換熱器結(jié)垢；二類：水質(zhì)良，某些指標(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，容易導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢，但通過基本水處理裝置后水質(zhì)指標(biāo)可以達到標(biāo)準(zhǔn)的要求；三類：水質(zhì)差，水質(zhì)指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，且某些指標(biāo)經(jīng)基本水處理后依然不能滿足規(guī)范規(guī)定，不宜采用直接式系統(tǒng)。故評價集為：B={一，二，三}。

2.2模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)隸屬度的確定方法，結(jié)合各等級的標(biāo)準(zhǔn)值，確定模糊關(guān)系矩陣。模糊關(guān)系矩陣主要是求出隸屬度rij，采用降半梯形分布函數(shù)可求得隸屬度，從而得到模糊關(guān)系矩陣。根據(jù)課題組不同時間對長江水質(zhì)的測試結(jié)果（表2所示），選取以上5個指標(biāo)值對長江水質(zhì)進行綜合評價。隸屬度rij的計算公式為：

2.3權(quán)重的確定

權(quán)重是衡量評價因子集中某一因子對水質(zhì)影響相對大小的量，權(quán)重系數(shù)大，則表明該因子對水質(zhì)的影響程度大。可以用評價因子貢獻率的方法確定權(quán)重向量。按照公式：Wi=Xi/Si。其中Xi 是i指標(biāo)的實測值；Si是i指標(biāo)的在各個級別（狀態(tài)）標(biāo)準(zhǔn)值得均值。以測試時間20101115中指標(biāo)為例：

因此，從水質(zhì)方面來看，長江作為江水源熱泵的源水時，水質(zhì)達不到標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要經(jīng)過水處理后方可進入機組。而在汛期時，由于含沙量和濁度特別大，不利于直接式系統(tǒng)，容易引起換熱器結(jié)垢。

3水質(zhì)結(jié)垢潛能值

通過以上評價方法可以較為準(zhǔn)確地得到江水水質(zhì)的類別，判斷其引起江水源熱泵換熱器結(jié)垢的可能性，從而確定江水作為水源熱泵源水的利用方式。然而在實際工程應(yīng)用中，利用以上公式計算較為繁瑣。而如果根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測多個指標(biāo)并同時滿足，也是有難度的，因此提出一個既能夠準(zhǔn)確反映水質(zhì)參數(shù)對水源熱泵換熱器結(jié)垢的作用，又能夠在實際工程中簡便應(yīng)用的方法，對于水源熱泵用源水的水質(zhì)判斷和系統(tǒng)選擇非常重要。

3.1定義

水質(zhì)中各參數(shù)對換熱器結(jié)垢有著直接的影響，但在目前的污垢研究方面，還沒有一個準(zhǔn)確的綜合參數(shù)能夠表達水質(zhì)特性，反映水質(zhì)對結(jié)垢的影響程度。在判斷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)碳酸鈣結(jié)垢時常用到Langelier指數(shù)和Ryznar指數(shù)，但這2個指數(shù)僅從PH值方面判斷結(jié)垢情況，然而與普通循環(huán)冷卻水不同，江水中引起換熱器結(jié)垢的因素主要是水中的泥沙及其他金屬離子，根據(jù)上述評價指標(biāo)分析，定義江水水質(zhì)綜合參數(shù)時主要包括PH值、鐵離子、含沙量、濁度和電導(dǎo)率。綜合江水各水質(zhì)參數(shù)對換熱器結(jié)垢的影響程度及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對各水質(zhì)參數(shù)的限值規(guī)定，以及相關(guān)研究對各水質(zhì)參數(shù)引起換熱器結(jié)垢的臨界值結(jié)果，將水質(zhì)綜合評價指標(biāo)定義為水質(zhì)結(jié)垢潛能值（Water Scaling Potential簡稱WSP），其定義式為：