論水質(zhì)納入空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制標的必要性

陶 端 佑

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，浙江 寧波 315010)

1 天然水中的雜質(zhì)

常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)由冷卻水、閉式循環(huán)水和補水組成，以上系統(tǒng)中的水大多來自城市給水管網(wǎng)，而城市給水則源自于水庫、河水和江水。天然水中溶解物質(zhì)主要是鈣、鎂、鉀、鈉等鹽類和一些溶解氣體，其中，溶解氣體主要有氧(O2)和二氧化碳(CO2)，而鈣和鎂則是以重碳酸鈣、重碳酸鎂鹽類的形式溶解于水中。

2 水質(zhì)指標

天然水中存在對空調(diào)系統(tǒng)有極大影響的溶解物質(zhì)，這里提出幾個指標[1]。

1)pH值：它是表示水的酸堿性指標。當(dāng)pH=7時，水呈中性；pH<7時，水呈酸性；pH>7時，水則呈堿性。

天然水的pH一般在6～8.5范圍內(nèi)。呈酸性的水會對金屬有腐蝕性，基于對鍋爐的安全性考慮，鍋爐給水都要求pH>7；而鍋爐水的pH值通常控制在10～12。

2)硬度：硬度是指溶解于水中能形成水垢的物質(zhì)中鈣、鎂的含量。溶解于天然水中的重碳酸鈣、重碳酸鎂常溫或受熱后能轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋砦镂龀觯矗?/p>

Ca(HCO3)2CaCO3↓+H2O+CO2↑

Mg(HCO3)2MgCO3+H2O+CO2↑

MgCO3+H2OMg(OH)2↓+CO2↑

3)溶解氧(O2):氣體能溶解于水中，諸如氧、氮和二氧化碳等氣體；水溫越高，則氣體溶解度越小，其中溶解氧會腐蝕金屬。

4)中央空調(diào)系統(tǒng)的水主要來自城市給水管網(wǎng)，再看國家頒布實施的GB 5749—2006生活飲用水衛(wèi)生標準[1]，其中和空調(diào)水有關(guān)的指標見表1。

表1 水質(zhì)常規(guī)指標及限值

從表1可看出，在城市給水的指標中，由于礦物質(zhì)元素對人體有益而存在，因此，生活飲用水是有一定硬度的水；pH指標范圍從弱酸性至堿性。也就是說城市給水管網(wǎng)中的水直接進入空調(diào)系統(tǒng)就會帶來腐蝕和結(jié)垢等問題。

3 空調(diào)系統(tǒng)的銹蝕和水垢

3.1 銹蝕

中央空調(diào)系統(tǒng)管道材質(zhì)以無縫鋼管、鍍鋅管為主，系統(tǒng)中的換熱部件(風(fēng)機盤管、組合式空調(diào)機箱、制冷主機冷凝器和制冷主機蒸發(fā)器)為黃銅管，低pH值、含溶解氧的水是造成腐蝕的主要因素。從檢修現(xiàn)場拍下的圖片(如圖1所示)看，制冷機冷凝器的銅管面目全非，銹蝕非常嚴重，大大降低機器使用壽命，貴重的設(shè)備竟然遭到如此破壞。

3.2 水垢

冷卻水系統(tǒng)通常為開式系統(tǒng)，水通過冷卻塔相當(dāng)于一個曝氣過程，溶解在水中的CO2會逸出，因此，水的pH值會升高。此時，重碳酸鹽在堿性條件下也會發(fā)生反應(yīng)。在換熱器的傳熱表面上，這些微溶性鹽很容易達到過飽和狀態(tài)而從水中結(jié)晶析出。另一方面，冷卻水和大氣直接接觸，空氣中的沙塵會進入水中形成污泥，水垢、污泥嚴重影響制冷機冷凝器工作(見圖2,圖3)。水垢的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)熱系數(shù)一般不超過1 kcal/(h·m2·℃)，而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為38.7 kcal/(h·m2·℃)。

3.3 污垢熱阻對制冷機的影響

污垢熱阻Rfou:污垢熱阻包括水垢、銹蝕以及其他污垢造成的總和。冷凝器中的污垢熱阻對冷水機組性能的影響參見圖4[2]，圖中設(shè)計選用污垢熱阻為0.44×10-4m2·K/W，εφ為制冷機組實際制冷量與設(shè)計制冷量之比；εp為制冷機組實際耗功率與設(shè)計耗功率之比；tc為冷凝溫度。可以看出，制冷機組制冷量隨污垢熱阻增加而呈線性降低，制冷機組耗功率和冷凝溫度隨污垢熱阻增加而呈線性增加。

國家頒布的GB/T 18430.1—2007蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機組[3]第4.3.2.2條規(guī)定，名義工況的蒸發(fā)器水側(cè)污垢系數(shù)為0.18×10-4m2·K/W，冷凝器水側(cè)污垢系數(shù)為0.44×10-4m2·K/W，和美國ARI標準一致。也就是說依據(jù)如此高標準來設(shè)計制冷機的冷凝器和蒸發(fā)器。目前，比較奇特的是冷水機組冷卻水系統(tǒng)大部分設(shè)計單位由給排水專業(yè)來配套設(shè)計，并且，執(zhí)行的標準是GB/T 50050—2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范[4]，其中，第3.1.5.4條規(guī)定設(shè)備傳熱面水側(cè)污垢熱阻值不應(yīng)大于3.44×10-4m2·K/W；第3.1.6條規(guī)定閉式系統(tǒng)設(shè)備傳熱面水側(cè)污垢熱阻值不應(yīng)大于0.86×10-4m2·K/W。顯然，GB/T 50050—2017的污垢系數(shù)不能滿足GB/T 18430.1—2007的要求，水質(zhì)滿足不了冷水機組的要求，其結(jié)果是空調(diào)系統(tǒng)運行頭兩年效果好，接下去出現(xiàn)制冷量快速衰減。

由圖4并以GB/T 50050—2017污垢熱阻3.44×10-4m2·K/W來分析冷水機組的運行狀況，制冷量衰減約為10%，耗功率增加超過10%。如果以某城市中央空調(diào)總耗電量550億度電計算，那么意味著白白浪費超過55億度電，就會多出27.8 t碳排放量，這是一個驚人的數(shù)字。另一方面由于污垢熱阻的增加，以制冷量使用兩年后衰減10%計算，如江西某一商業(yè)建筑空調(diào)逐時負荷圖分析(見圖5)，一天當(dāng)中只在14時～15時(共計2 h)出現(xiàn)峰值，由于主機冷量的衰減而導(dǎo)致滿負荷運行時間加長，意味著自8時起至18時止(共計11 h)制冷機均處在滿負荷工作狀態(tài)，顯然耗電量增加。

4 水質(zhì)處理的經(jīng)濟分析

1)如果將開式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)改為閉式循環(huán)系統(tǒng)，那么，冷凝器水側(cè)污垢系數(shù)會大大降低，同時提高冷水機組的制冷效果以及提高主機的使用壽命。仍以上述商業(yè)建筑為例，逐時負荷峰值為3 202 kW，選用一臺制冷量為3 164 kW的離心式冷水機組，其耗電量為541 kW、冷卻水量為643 m3/h,選用3臺225 m3/h的冷卻塔，用開式冷卻塔和閉式冷卻塔兩種方案進行比較，各項對比參數(shù)如表2所示。

表2 開式冷卻塔和閉式冷卻塔方案比較

由表2可知，閉式系統(tǒng)造價高出81萬元，按商業(yè)電價折算成一次性多用電81度(伴隨著系統(tǒng)空調(diào)主機使用壽命期內(nèi))，初次裝機功率高出80 kW，相對于冷水機組耗電量(541 kW)因污垢熱阻引起耗功率增加超過10%(此時冷水機組耗電量為595 kW)以及滿負荷長時間開機來說微不足道，完全值得選用閉式循環(huán)系統(tǒng)。

2)水質(zhì)軟化[1]。

水垢的形成是因為水中含有鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)，通常鍋爐用水采用鈉離子交換軟化，其反應(yīng)原理如下：

與水中碳酸鹽硬度作用時：

2NaR+Ca(HCO3)2= CaR2+2NaHCO3

2NaR+Mg(HCO3)2= MgR2+2NaHCO3

與水中非碳酸鹽硬度作用時：

2NaR+CaSO4=CaR2+Na2SO4

2NaR+CaCl2= CaR2+2NaCl

2NaR+MgSO4= MgR2+Na2SO4

2NaR+MgCl2= MgR2+2NaCl

從以上反應(yīng)可見，經(jīng)鈉離子交換后，水中的鈣、鎂鹽類都變成了鈉鹽，因此，除去了水中的硬度而變成軟水，不會生成水垢。通常采用的是固定床鈉離子交換設(shè)備，成本很低。

5 結(jié)語

目前國家現(xiàn)行規(guī)范對水質(zhì)要求概況主要如下：

1)GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范第8.5.19條指出：空調(diào)冷熱水的水質(zhì)應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標準(即GB/T 29044—2012采暖空調(diào)水質(zhì))規(guī)定。當(dāng)給水硬度較高時，空調(diào)熱水系統(tǒng)的補水宜進行水質(zhì)軟化水處理。第8.6.4.1條指出冷卻水系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)符合規(guī)定：應(yīng)設(shè)置保證冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)的水處理裝置。第8.6.4.4條指出：當(dāng)開式冷卻水系統(tǒng)不能滿足制冷設(shè)備的水質(zhì)要求時，應(yīng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)。

2)GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計標準第4.3.19.1條指出空氣調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合規(guī)定：應(yīng)具有過濾、緩釋、阻垢、殺菌、滅藻等水處理功能。

3)GB 50411—2019建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范沒有具體要求。

以上國家現(xiàn)行規(guī)范對水質(zhì)要求沒有強制性的要求，造成絕大多數(shù)設(shè)計師在方案中空缺，水質(zhì)處理的目的就是防水垢、防銹蝕。閉式冷卻水系統(tǒng)具有很高的節(jié)能意義，冷水機組是貴重設(shè)備應(yīng)該加以保護，使其高效、經(jīng)濟運行。從節(jié)能角度來說水質(zhì)應(yīng)該納入節(jié)能控制標的，并且在相關(guān)規(guī)范中加為強條執(zhí)行。