論水質納入空調系統節能控制標的必要性

陶 端 佑

(中國瑞林工程技術股份有限公司，浙江 寧波 315010)

1 天然水中的雜質

常規中央空調系統由冷卻水、閉式循環水和補水組成，以上系統中的水大多來自城市給水管網，而城市給水則源自于水庫、河水和江水。天然水中溶解物質主要是鈣、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 水質指標

天然水中存在對空調系統有極大影響的溶解物質，這里提出幾個指標[1]。

1)pH值：它是表示水的酸堿性指標。當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。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變為沉淀物析出，即：

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

表1 水質常規指標及限值

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中的水直接進入空調系統就會帶來腐蝕和結垢等問題。

3 空調系統的銹蝕和水垢

3.1 銹蝕

中央空調系統管道材質以無縫鋼管、鍍鋅管為主，系統中的換熱部件(風機盤管、組合式空調機箱、制冷主機冷凝器和制冷主機蒸發器)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，貴重的設備竟然遭到如此破壞。

3.2 水垢

冷卻水系統通常為開式系統，水通過冷卻塔相當于一個曝氣過程，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生反應。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而從水中結晶析出。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)。水垢的導熱性很差，導熱系數一般不超過1 kcal/(h·m2·℃)，而鋼材的導熱系數為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計制冷量之比；εp為制冷機組實際耗功率與設計耗功率之比；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蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分：工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組[3]第4.3.2.2條規定，名義工況的蒸發器水側污垢系數為0.18×10-4m2·K/W，冷凝器水側污垢系數為0.44×10-4m2·K/W，和美國ARI標準一致。也就是說依據如此高標準來設計制冷機的冷凝器和蒸發器。目前，比較奇特的是冷水機組冷卻水系統大部分設計單位由給排水專業來配套設計，并且，執行的標準是GB/T 50050—2017工業循環冷卻水處理設計規范[4]，其中，第3.1.5.4條規定設備傳熱面水側污垢熱阻值不應大于3.44×10-4m2·K/W；第3.1.6條規定閉式系統設備傳熱面水側污垢熱阻值不應大于0.86×10-4m2·K/W。顯然，GB/T 50050—2017的污垢系數不能滿足GB/T 18430.1—2007的要求，水質滿足不了冷水機組的要求，其結果是空調系統運行頭兩年效果好，接下去出現制冷量快速衰減。

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，如江西某一商業建筑空調逐時負荷圖分析(見圖5)，一天當中只在14時～15時(共計2 h)出現峰值，由于主機冷量的衰減而導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，顯然耗電量增加。

4 水質處理的經濟分析

1)如果將開式冷卻水循環系統改為閉式循環系統，那么，冷凝器水側污垢系數會大大降低，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，閉式系統造價高出81萬元，按商業電價折算成一次性多用電81度(伴隨著系統空調主機使用壽命期內)，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系統。

2)水質軟化[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

從以上反應可見，經鈉離子交換后，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備，成本很低。

5 結語

目前國家現行規范對水質要求概況主要如下：

1)GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范第8.5.19條指出：空調冷熱水的水質應符合國家現行相關標準(即GB/T 29044—2012采暖空調水質)規定。當給水硬度較高時，空調熱水系統的補水宜進行水質軟化水處理。第8.6.4.1條指出冷卻水系統設計時應符合規定：應設置保證冷卻水系統水質的水處理裝置。第8.6.4.4條指出：當開式冷卻水系統不能滿足制冷設備的水質要求時，應采用閉式循環系統。

2)GB 50189—2015公共建筑節能設計標準第4.3.19.1條指出空氣調節冷卻水系統設計應符合規定：應具有過濾、緩釋、阻垢、殺菌、滅藻等水處理功能。

3)GB 50411—2019建筑節能工程施工質量驗收規范沒有具體要求。

以上國家現行規范對水質要求沒有強制性的要求，造成絕大多數設計師在方案中空缺，水質處理的目的就是防水垢、防銹蝕。閉式冷卻水系統具有很高的節能意義，冷水機組是貴重設備應該加以保護，使其高效、經濟運行。從節能角度來說水質應該納入節能控制標的，并且在相關規范中加為強條執行。