论水质纳入空调系统节能控制标的必要性

陶 端 佑

(中国瑞林工程技术股份有限公司，浙江 宁波 315010)

1 天然水中的杂质

常规中央空调系统由冷却水、闭式循环水和补水组成，以上系统中的水大多来自城市给水管网，而城市给水则源自于水库、河水和江水。天然水中溶解物质主要是钙、镁、钾、钠等盐类和一些溶解气体，其中，溶解气体主要有氧(O2)和二氧化碳(CO2)，而钙和镁则是以重碳酸钙、重碳酸镁盐类的形式溶解于水中。

2 水质指标

天然水中存在对空调系统有极大影响的溶解物质，这里提出几个指标[1]。

1)pH值：它是表示水的酸碱性指标。当pH=7时，水呈中性；pH<7时，水呈酸性；pH>7时，水则呈碱性。

天然水的pH一般在6～8.5范围内。呈酸性的水会对金属有腐蚀性，基于对锅炉的安全性考虑，锅炉给水都要求pH>7；而锅炉水的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质中钙、镁的含量。溶解于天然水中的重碳酸钙、重碳酸镁常温或受热后能转变为沉淀物析出，即：

Ca(HCO3)2CaCO3↓+H2O+CO2↑

Mg(HCO3)2MgCO3+H2O+CO2↑

MgCO3+H2OMg(OH)2↓+CO2↑

3)溶解氧(O2):气体能溶解于水中，诸如氧、氮和二氧化碳等气体；水温越高，则气体溶解度越小，其中溶解氧会腐蚀金属。

4)中央空调系统的水主要来自城市给水管网，再看国家颁布实施的GB 5749—2006生活饮用水卫生标准[1]，其中和空调水有关的指标见表1。

表1 水质常规指标及限值

从表1可看出，在城市给水的指标中，由于矿物质元素对人体有益而存在，因此，生活饮用水是有一定硬度的水；pH指标范围从弱酸性至碱性。也就是说城市给水管网中的水直接进入空调系统就会带来腐蚀和结垢等问题。

3 空调系统的锈蚀和水垢

3.1 锈蚀

中央空调系统管道材质以无缝钢管、镀锌管为主，系统中的换热部件(风机盘管、组合式空调机箱、制冷主机冷凝器和制冷主机蒸发器)为黄铜管，低pH值、含溶解氧的水是造成腐蚀的主要因素。从检修现场拍下的图片(如图1所示)看，制冷机冷凝器的铜管面目全非，锈蚀非常严重，大大降低机器使用寿命，贵重的设备竟然遭到如此破坏。

3.2 水垢

冷却水系统通常为开式系统，水通过冷却塔相当于一个曝气过程，溶解在水中的CO2会逸出，因此，水的pH值会升高。此时，重碳酸盐在碱性条件下也会发生反应。在换热器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。另一方面，冷却水和大气直接接触，空气中的沙尘会进入水中形成污泥，水垢、污泥严重影响制冷机冷凝器工作(见图2,图3)。水垢的导热性很差，导热系数一般不超过1 kcal/(h·m2·℃)，而钢材的导热系数为38.7 kcal/(h·m2·℃)。

3.3 污垢热阻对制冷机的影响

污垢热阻Rfou:污垢热阻包括水垢、锈蚀以及其他污垢造成的总和。冷凝器中的污垢热阻对冷水机组性能的影响参见图4[2]，图中设计选用污垢热阻为0.44×10-4m2·K/W，εφ为制冷机组实际制冷量与设计制冷量之比；εp为制冷机组实际耗功率与设计耗功率之比；tc为冷凝温度。可以看出，制冷机组制冷量随污垢热阻增加而呈线性降低，制冷机组耗功率和冷凝温度随污垢热阻增加而呈线性增加。

国家颁布的GB/T 18430.1—2007蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组[3]第4.3.2.2条规定，名义工况的蒸发器水侧污垢系数为0.18×10-4m2·K/W，冷凝器水侧污垢系数为0.44×10-4m2·K/W，和美国ARI标准一致。也就是说依据如此高标准来设计制冷机的冷凝器和蒸发器。目前，比较奇特的是冷水机组冷却水系统大部分设计单位由给排水专业来配套设计，并且，执行的标准是GB/T 50050—2017工业循环冷却水处理设计规范[4]，其中，第3.1.5.4条规定设备传热面水侧污垢热阻值不应大于3.44×10-4m2·K/W；第3.1.6条规定闭式系统设备传热面水侧污垢热阻值不应大于0.86×10-4m2·K/W。显然，GB/T 50050—2017的污垢系数不能满足GB/T 18430.1—2007的要求，水质满足不了冷水机组的要求，其结果是空调系统运行头两年效果好，接下去出现制冷量快速衰减。

由图4并以GB/T 50050—2017污垢热阻3.44×10-4m2·K/W来分析冷水机组的运行状况，制冷量衰减约为10%，耗功率增加超过10%。如果以某城市中央空调总耗电量550亿度电计算，那么意味着白白浪费超过55亿度电，就会多出27.8 t碳排放量，这是一个惊人的数字。另一方面由于污垢热阻的增加，以制冷量使用两年后衰减10%计算，如江西某一商业建筑空调逐时负荷图分析(见图5)，一天当中只在14时～15时(共计2 h)出现峰值，由于主机冷量的衰减而导致满负荷运行时间加长，意味着自8时起至18时止(共计11 h)制冷机均处在满负荷工作状态，显然耗电量增加。

4 水质处理的经济分析

1)如果将开式冷却水循环系统改为闭式循环系统，那么，冷凝器水侧污垢系数会大大降低，同时提高冷水机组的制冷效果以及提高主机的使用寿命。仍以上述商业建筑为例，逐时负荷峰值为3 202 kW，选用一台制冷量为3 164 kW的离心式冷水机组，其耗电量为541 kW、冷却水量为643 m3/h,选用3台225 m3/h的冷却塔，用开式冷却塔和闭式冷却塔两种方案进行比较，各项对比参数如表2所示。

表2 开式冷却塔和闭式冷却塔方案比较

由表2可知，闭式系统造价高出81万元，按商业电价折算成一次性多用电81度(伴随着系统空调主机使用寿命期内)，初次装机功率高出80 kW，相对于冷水机组耗电量(541 kW)因污垢热阻引起耗功率增加超过10%(此时冷水机组耗电量为595 kW)以及满负荷长时间开机来说微不足道，完全值得选用闭式循环系统。

2)水质软化[1]。

水垢的形成是因为水中含有钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)，通常锅炉用水采用钠离子交换软化，其反应原理如下：

与水中碳酸盐硬度作用时：

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

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

与水中非碳酸盐硬度作用时：

2NaR+CaSO4=CaR2+Na2SO4

2NaR+CaCl2= CaR2+2NaCl

2NaR+MgSO4= MgR2+Na2SO4

2NaR+MgCl2= MgR2+2NaCl

从以上反应可见，经钠离子交换后，水中的钙、镁盐类都变成了钠盐，因此，除去了水中的硬度而变成软水，不会生成水垢。通常采用的是固定床钠离子交换设备，成本很低。

5 结语

目前国家现行规范对水质要求概况主要如下：

1)GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范第8.5.19条指出：空调冷热水的水质应符合国家现行相关标准(即GB/T 29044—2012采暖空调水质)规定。当给水硬度较高时，空调热水系统的补水宜进行水质软化水处理。第8.6.4.1条指出冷却水系统设计时应符合规定：应设置保证冷却水系统水质的水处理装置。第8.6.4.4条指出：当开式冷却水系统不能满足制冷设备的水质要求时，应采用闭式循环系统。

2)GB 50189—2015公共建筑节能设计标准第4.3.19.1条指出空气调节冷却水系统设计应符合规定：应具有过滤、缓释、阻垢、杀菌、灭藻等水处理功能。

3)GB 50411—2019建筑节能工程施工质量验收规范没有具体要求。

以上国家现行规范对水质要求没有强制性的要求，造成绝大多数设计师在方案中空缺，水质处理的目的就是防水垢、防锈蚀。闭式冷却水系统具有很高的节能意义，冷水机组是贵重设备应该加以保护，使其高效、经济运行。从节能角度来说水质应该纳入节能控制标的，并且在相关规范中加为强条执行。