水源热泵用江水水质综合评价

白雪莲 柴峰

摘要：

江水水质是利用江水源热泵技术时必须考虑的重要条件之一，也是影响江水源热泵系统效率的关键因素。通过对江水源热泵换热器结垢的水质影响因素进行分析，确定了主要水质指标及其取值。采用模糊综合评价法，利用实际监测数据，分析了作为水源热泵源水的江水水质类别。针对实际工程应用中需要检测相关国家标准规定的多个指标并同时满足的难度，提出了水质结垢潜能值的概念。作为水源热泵用水质综合评价指标，水质结垢潜能值既考虑了主要水质参数对水源热泵换热器结垢的综合作用，又能够简便快速地为工程应用中的水质判断和系统选择提供直接依据。

关键词：

水源热泵；模糊综合评价；水质参数；污垢

水源热泵作为一种可再生能源利用技术，具有高效、节能、环保等特点，因而日益受到关注。水质条件的好坏对水源热泵机组换热器结垢起着决定性作用。江水水质是江水源热泵利用时必须考虑的重要条件之一，也是影响江水源热泵系统效率的关键因素。因此在利用江水冷热资源时，需要明确作为热泵用水体的水质条件，为水体的可用性做出科学评判，并对其利用方式提出合理建议。对水质的评价方法即成为关键问题。目前，对水环境质量的评价方法主要有：专家评价法、指数评价法、效益评价法和模糊评价法 [14]。由于对江河水质进行评价会涉及到很多指标，且各指标之间也存在内在的联系，因此，可以认为河流水质是由多因素控制的、复杂的、非线性的模糊系统，对这类系统进行评价具有一定的模糊性。模糊综合评价作为定性分析和定量分析综合集成的一种常用方法，已在环境领域有广泛的应用， 在水质综合评价、大气环境综合评价等方面都已经有长期和深入的研究[513]。笔者采用模糊综合评价法对江河水质进行分类，在引起江水源热泵换热器结垢方面对水质的优劣进行定性或定量描述，以准确反映目前的水体质量，并在此基础之上从水源热泵换热器结垢潜能的角度，提出一种既能准确反映水质因素对结垢的影响，又能便于工程应用的综合评价指标。

白雪莲，等：水源热泵用江水水质综合评价

1影响污垢生长的水质参数

1.1水质参数分析

相关标准对机组换热器冷却水水质指标的要求很多。有研究结合换热器污垢热阻在线监测，并对污垢特性影响较大的水质参数做同周期离线监测，得到了不同水质参数与污垢热阻之间的关联度大小[14]，见表1。

通过与现行标准中水源热泵允许水质（地源热泵系统工程技术规范GB 50366，采暖通风与空气调节设计规范GB 50019，工业循环冷却水处理设计规范GB 50050）相比较发现，在利用长江水作为水源时，2010年11月至2011年9月的江水水质大部分都能满足要求，含沙量和浊度偏大是主要需要解决的问题。

1.2水质状况分类

结合以上分析及江水水质实际情况，选取PH值、铁离子、含沙量、浊度、电导率这5个对江水源热泵换热器污垢特性影响较大的水质参数作为水质评价的依据。

1）PH值

PH值对水中诸多指标起着控制作用，影响了Ca2+、Mg2+、Fe2+、游离CO2、总碱度等形成沉淀物质。文献[15]利用自制污垢热阻测定装置，配置模拟水，恒水温45 ℃下进行快速结垢实验。结果表明：随着PH值增大，污垢热阻增大，污垢增多，究其原因是PH值控制了碱度大小。

2）铁离子

铁离子容易与水中OH-结合形成胶体物质Fe（OH）2，若水中溶解氧含量充足，进一步被氧化形成红褐色Fe（OH）3，形成腐蚀污垢和颗粒污垢。文献[16]用通过考察铜、不锈钢和铸铁在不同条件下的腐蚀与结垢情况。结果表明：在不加缓蚀阻垢剂条件下，当水中铁离子含量大于0.5 mg/L时，结垢率超过设计限定值。

3）含沙量

江水中的细小泥沙颗粒沉降在换热器表面，逐渐形成污垢。因此在利用江河水作为江水源热泵源水时，含沙量是一个需要重点控制的水质指标。由之前的测试结果可以看出，江水含沙量在大部分时间不满足规范要求。江水源热泵系统常采用除沙装置对江水进行水处理。目前常用的旋流除沙器的除沙效率都在90%以上。根据除沙率的计算公式。考虑到机器的效率及其他综合因素，假设除沙效率为80%，则当江水含沙量大于100 mg/L、小于500 mg/L时，经过处理后可以满足规范要求。

4）浊度

水的浊度体现了水中悬浮物的含量。悬浮物越多，越容易引起换热器结垢。天然河流中含有较多的物质成分，尤其以泥沙为主，而浊度受泥沙影响较大。在江水源热泵系统中，除沙器在去除水中泥沙的同时，对江水的浊度也进行了一定程度的处理。根据目前市场上厂家发布的产品样本来看，旋流除沙器除浊率一般在80%左右。综合考虑水处理装置对江水浊度的降低率，假定除浊效率为60%，则当江水浊度大于100 NTU、小于250 NTU时，经过处理后，可以满足规范要求。

5）电导率

电导率的定义为传导电流密度与电场强度之比。有研究表明[17]：电导率小于1 000 μs/cm 时，水质基本稳定；电导率小于1 500 μs/cm 而大于1 000 μs/cm 时，换热器轻微结垢；电导率大于1 500 μs/cm 时，冷却水对换热器表面的腐蚀率就增大，造成严重结垢。

根据以上分析，并结合相关标准对水质的要求[1819]，提出如表3所示指标分类等级。

2模糊评价应用分析

2.1评价集

模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。模糊评判数学模型的建立可归纳为以下几个步骤：1）找出评价因素集；2）划分评价等级；3）建立隶属函数，计算模糊评判矩阵；4）确定指标权重；5）进行模糊评判，得出模糊评判结果。该应用中，评价因子集中共设置5个评价因子，则建立的评价因子集U为：U=X1，X2，X3，X4，X5={PH值，铁离子，含沙量，浊度，电导率}。根据江水引起水源热泵机组换热器结垢的程度，将江水水质分为3类。一类：水质优，不仅满足标准的规定，而且不易引起换热器结垢；二类：水质良，某些指标不满足标准的规定，容易导致换热器结垢，但通过基本水处理装置后水质指标可以达到标准的要求；三类：水质差，水质指标不满足规范要求，且某些指标经基本水处理后依然不能满足规范规定，不宜采用直接式系统。故评价集为：B={一，二，三}。

2.2模糊关系矩阵

根据隶属度的确定方法，结合各等级的标准值，确定模糊关系矩阵。模糊关系矩阵主要是求出隶属度rij，采用降半梯形分布函数可求得隶属度，从而得到模糊关系矩阵。根据课题组不同时间对长江水质的测试结果（表2所示），选取以上5个指标值对长江水质进行综合评价。隶属度rij的计算公式为：

2.3权重的确定

权重是衡量评价因子集中某一因子对水质影响相对大小的量，权重系数大，则表明该因子对水质的影响程度大。可以用评价因子贡献率的方法确定权重向量。按照公式：Wi=Xi/Si。其中Xi 是i指标的实测值；Si是i指标的在各个级别（状态）标准值得均值。以测试时间20101115中指标为例：

因此，从水质方面来看，长江作为江水源热泵的源水时，水质达不到标准的要求，需要经过水处理后方可进入机组。而在汛期时，由于含沙量和浊度特别大，不利于直接式系统，容易引起换热器结垢。

3水质结垢潜能值

通过以上评价方法可以较为准确地得到江水水质的类别，判断其引起江水源热泵换热器结垢的可能性，从而确定江水作为水源热泵源水的利用方式。然而在实际工程应用中，利用以上公式计算较为繁琐。而如果根据相关标准规定检测多个指标并同时满足，也是有难度的，因此提出一个既能够准确反映水质参数对水源热泵换热器结垢的作用，又能够在实际工程中简便应用的方法，对于水源热泵用源水的水质判断和系统选择非常重要。

3.1定义

水质中各参数对换热器结垢有着直接的影响，但在目前的污垢研究方面，还没有一个准确的综合参数能够表达水质特性，反映水质对结垢的影响程度。在判断循环冷却水系统碳酸钙结垢时常用到Langelier指数和Ryznar指数，但这2个指数仅从PH值方面判断结垢情况，然而与普通循环冷却水不同，江水中引起换热器结垢的因素主要是水中的泥沙及其他金属离子，根据上述评价指标分析，定义江水水质综合参数时主要包括PH值、铁离子、含沙量、浊度和电导率。综合江水各水质参数对换热器结垢的影响程度及相关标准对各水质参数的限值规定，以及相关研究对各水质参数引起换热器结垢的临界值结果，将水质综合评价指标定义为水质结垢潜能值（Water Scaling Potential简称WSP），其定义式为：