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沈阳空调系统循环水处理技术研究及应用有哪些?

  沈阳空调系统循环水处理技术研究及应用有哪些?

  中国建筑设计研究院绿色设计研究中心

  我国是空调、供暖大国,特别是90年代以来,中央空调及集中供暖发展迅速,目前已成为大型工民建的主要供暖、制冷方式。

  水是采暖空调系统的冷媒及热媒的主要载体,水中的盐类物质、固形物杂质、细菌和溶解性气体等,在循环水系统运行过程中,随着系统温度、流速、金属材质的电极电位差和周围大气环境发生相互作用,引起采暖空调及工业循环水系统中各类换热器、散热器和各类管道阀门的结垢、腐蚀、菌藻等方面的问题,降低热交换率,腐蚀设备,危及生产和生活安全。循环水处理技术的核心是在有效控制循环水中的悬浮物、胶体及溶解物等水质指标的前提下及控制系统的污垢热阻值、腐蚀速率、细菌及悬浮物繁殖的基础上,提高系统运行浓缩倍数,降低系统补水量及排污量,进而降低系统的处理运行成本,缩短投资回收周期,达到节能减排的目标。因此,水质处理及控制直接影响到采暖空调及工业循环水系统的运行。

  国家大力倡导节能减排,建设节水型社会。国家发改委、水利部和建设部联合发布的《节水型社会建设“十一五”规划》中第四部分重点节水领域中明确提出的减少循环冷却水补水、提高循环冷却水浓缩倍数、开发循环冷却水高浓缩技术、高效冷却节水技术、大力推广冷却水循环工艺的水处理技术。

  1. 我国集中式采暖空调系统循环水处理行业市场前景广阔

  1.1 中央空调系统循环水处理市场

  目前,随着我国城市化的发展,中央空调行业迅速发展,中央空调循环水总量不断增加。

  中央空调行业与房地产市场密切相关,2010年全国商品房销售面积10.43亿平方米,比上年增长10.1%。其中,商品住宅销售面积7.30亿平方米,办公楼和商业营业用房销售面积3.13亿平方米。2011年上半年,全国商品房销售面积44419万平方米,同比增长12.9%。总体而言,房地产开发投资仍保持着较快的增长速度,中央空调行业伴随着房地产市场的快速增长而水涨船高。2010年办公楼和商业营业用房销售面积为3.13亿平方米,假设以5万平方米的建筑体为计算单位,共有6205座,按照90%的中央空调安装率计算,有5585座建筑体使用中央空调系统。办公楼和商业营业用房的冷热负荷以80瓦/平方米计算,总负荷为4500千瓦左右。中央空调冷却循环水循环水量为780平方米/小时,冷冻循环水循环水量为680平方米/小时,采暖循环水循环水量为340平方米/小时,根据估算得出,每座建筑体需要1套水处理系统,每套系统以26万计算,2010年全年循环水系统处理投资额为14.52亿元。

  2011年我国中央空调市场总量总容量为575亿元,且每年平均以10%的速度增长。我国中央空调系统循环水处理投资为中央空调系统投资的0.2%—0.3%,根据2011年中央空调市场容量总额计算,2011年中央空调系统循环水处理市场总容量约为11.5-17.2亿元。

  1.2 集中供暖循环水处理市场

  根据法律要求,寒冷地区与严寒地区要求供热,这两个气候区构成了我国的集中供暖地区。我们采暖的地区占到了我们国家总面积的二分之一以上,从房屋建筑面积上来说,也是占到了二分之一以上。

  目前我国采暖地区人口总数约为5.4亿人,2009年底,我国北方地区城镇民用建筑总面积约为79亿平方米,城镇集中供热面积38.4亿平方米,普及率48%。至2020年,北方城镇民用建筑面积约为149亿平方米,集中供热面积将达到75亿平方米,普及率50%。目前我国集中供热面积约为40亿平方米,每年以10%的速度增长。以供热面积为20万平方米的集中供热站计算,我国目前有2万个左右的供热站。20万平方米的集中供热站的循环水量大概为700立方米/小时。中高温采暖水系统,其末端采用散热器集中供热系统,每小时需要700立方米的循环水量,需要1套水处理系统,投资额为10-12万元,则我国目前采暖系统循环水设备市场保有量为20-24亿元。

  2010年全国商品房销售面积10.43亿平方米。其中,商品住宅销售面积7.30亿平方米,集中供热的普及率为50%,2010年采暖总面积为3.6亿平方米,以供热面积为20万平方米的集中供热站计算,我国2010年新增1800座供热站,则采暖循环水处理设备的市场新增额约为2亿元。

  1.3 市场规模总量

  根据上面两个小节的分析可以看出,目前我国集中式采暖空调系统循环水市场规模约为35亿,且每年平均以10%的速度增长。

  目前,我国集中式采暖空调系统循环水处理行业内的的企业有1500余家,其中具有一定知名度且规模稍大的代表性企业市场占有率均不足5%。该行业内的竞争主要是技术竞争,具有自主知识产权和持续技术创新能力的企业,将在未来市场竞争中脱颖而出。

  2. 集中式采暖空调循环水处理领域特点

  2.1 补水水质多样化

  (1) 补水水源的多样化

  随着我国建设资源节约型社会战略实施,再生水用于采暖空调循环水系统的补充水源正在推广实施,补水水源从地表水、地下水、市政自来水拓展到中水、雨水及市政污水。

  (2)补水水质的多样化

  不同补水水源其水中各类水质指标差异巨大。同一地区同一性质补水水源水质也呈现多样化。如北京市政自来水,在南城表现为正硬水,硬度可一般在400-450mg/l,而北城则表现为负硬水,水质硬度一般在200-300mg/l。

  不同水质的水注入到循环水系统,随着系统的循环运行,循环水的运行水质差异性则表现的尤为充分。

  2.2 规范及标准尚未形成体系

  采暖空调循环水系统是公共建筑节能、节水的重点关注领域。任何一个专业领域的成熟与规范与该专业领域的规范和标准体系的建设息息相关。作为水处理专业领域,其标准和规范由三大类组成:设计规范、水质标准和产品标准组成。目前在我国采暖空调循环水系统水处理领域,产品标准有《水处理设备技术条件》、《射频式物理场水处理设备技术条件》、《电子式水处理器技术条件》、《全自动固定床钠离子交换器》,水质标准有《采暖空调系统水质标准》(正在国标委报批阶段),设计规范则为空白。

  2.3 应用研究缺失

  任何一项技术从理论到产品应用之间的应用研究是产品和处理技术先进性、成熟性的客观表现。应用研究既是对理论研究的促进和完善,也是对理论研究的技术验证和产品应用的首要前提。而我国在采暖空调系统水处理技术的理论和应用研究缺失较大。

  我国作为集中式采暖空调技术应用的大国,尚未有专业研究机构就采暖空调系统水质处理技术进行专门研究,专业实验室尚属空白。水处理设备的性能检验尚无专业检测机构。

  目前国内主要由专业性采暖空调水处理公司联合高校就此展开技术研究,但仍然停留在理论层面。对于不同处理工艺与系统工况、材质、环境、运行管理、补水水质等如何相互适应匹配,既能满足系统防垢、防腐、杀菌灭藻的运行要求,又能满足系统的节能减排高效运行尚处于起步阶段,根据笔者多年了解,目前个别企业已经建成专业实验室从事应用研究。

  3. 集中式采暖空调循环水系统处理技术研究与应用

  集中式采暖空调循环水处理技术的核心是在有效控制循环水中的悬浮物、胶体及溶解物等水质指标的前提下及控制系统的污垢热阻值、腐蚀速率、细菌及悬浮物繁殖的基础上,提高系统运行浓缩倍数,降低系统补水量及排污量,进而降低系统的处理运行成本,缩短投资回收周期,达到节能减排的目标。

  目前国内对循环水的处理主要分为两大类:静态处理与被动处理。

  静态处理主要是指采用单纯物理法处理技术对循环水进行全流量处理或者采用化学法处理技术对循环水进行旁流处理。静态处理技术目前在已经投入运行的系统中约占总市场份额的8%。

  被动处理主要是指日常对系统运行进行监控,当水质超过国家标准GB50050-2007之相关规定后,采用停机清洗方案对系统进行处理并更换循环水水体。被动处理技术在已经投入运行的系统中约占总市场份额的8%。

  3.1 循环水系统水质影响因素分析

  循环水在运行过程中,水质处于动态变化之中,水质变化势必导致运行工况发生变化。循环水处理的任务就是通过有效的处理技术控制循环水水质,保障系统工况稳定运行。

  导致循环水水质变化因素如下:

技术名称
技术特点
优点
缺点
化学法
定时定量向循环水系统中投加水质稳定剂。
防腐、防垢、杀菌灭藻效果明显;应用范围广;
运行成本高;环境污染严重;操作运行管理复杂;
物理法
利用电场、磁场等物理作用,使水中产生自由电子或改变水分子结构等,以达到防垢、防腐、杀菌灭藻等效果。
运行成本低;对环境无污染;操作运行简单;
处理效果较差;受水质、环境等影响,应用范围受到限制;
动态物化法
依据水质监测数据,在射频式物理场水处理及水质保持的基础上,辅助化学法水处理技术,动态处理循环水水质。
防腐、防垢、杀菌效果好;
水质稳定,排污量小,运行成本低;应用范围广;
无环境污染,可满足排放要求。

  A:系统工艺

  系统工艺的主要影响因素包括水温、流速、工况(敞开式还是密闭式、冷却循环还是冷冻循环)等。这些影响因素在项目工艺设计时就已经确定,属于整套系统的固有条件。从水处理的角度分析属于静态影响因素。水温是系统的腐蚀及结垢的重要影响因素。流速会影响系统水力工况,是系统腐蚀的重要影响因素。

  B:金属材质.系统中的换热设备材质一般为不锈钢或铜,管材及阀门、水泵等材质一般为碳钢或铸铁。不同金属之间的电极电位差会导致系统的电化学腐蚀。从水处理的角度分析属于静态影响因素。

  C:补水水质.系统的补水中含有一定量的悬浮物、胶体及溶解性物质(如钙镁离子、氯根、硫酸根等等)。这些物质随着补水进入到循环水系统,造成系统的腐蚀、结垢及菌藻滋生等水质问题。补水水质一般是在一定的范围内波动,从水处理的角度分析属于动态影响因素。

  D:气象环境.冷却循环水系统的冷源供应装置为冷却塔。依靠水与空气进行热量交换达到降温的目的。气温、湿度及空气质量随着季节的变化而变化,导致系统水质发生波动,以及周围富营养源的输入导致系统菌藻滋生。从水处理的角度分析属于动态影响因素。

  E:排污控制.循环水在运行过程中,会产生腐蚀、结垢及菌藻滋生等水质问题。这类水质问题的产物如铁锈、复合垢及生物粘泥等对循环水水质造成二次污染,加速系统水质恶化。从水处理的角度分析属于动态影响因素。

  3.2 物理法处理技术

  物理法处理,如磁化、高压静电、高频及射频场等物理场处理技术。该类技术主要是将电能转换成磁场、电场及射频场并将其馈散到被处理介质-水,达到防垢、防腐及杀灭菌藻的目的。目前,物理法水处理技术已经发展到较高水平的射频式物理场水处理技术,该技术在国内外集中式空调及采暖系统的循环水处理领域得到广泛应用。物理法处理技术主要依据影响循环水的A、B、C三个因素对循环水水质进行静态化抑制处理。对于D、E及C的变化未能综合考虑,因而在处理工艺选择时,对于C、D、E三个因素相对稳定的工艺方可考虑。

  3.3 化学法处理技术

  化学法处理技术是向循环水系统投加水质稳定剂(缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂),达到控制循环水结垢、腐蚀及抑制菌藻滋生的目的。

  主要依据影响循环水的B、C两个因素对循环水水质进行静态化抑制处理。对于A、D、E及C的变化未能综合考虑,因而在处理工艺选择时,对于A、C、D、E相对稳定的场合方可考虑。

  3.4 动态物化法处理技术

  动态物化法水处理技术是在物理法水处理的基础上,辅助化学法水处理技术,采用自动化监测、监控技术,可以保证最佳的水质条件和最佳的药剂投加量。

  动态物化法水处理技术主要包括:强效过滤与物理法处理装置、专用环保型药剂与动态化学处理装置、水质实时监测系统和智能程序全自动控制系统。动态化学处理装置是一种可实现对循环水系统自动或定时加药,以减少人员劳动强度的设备。该装置可根据补水量的多少,比例式的自动加药或定时加药,还可以根据水中的pH值及补水量定量加药在线控制。

  3.5 不同处理方法的分析比较

  综合比较以上各种水处理方法,每种水处理方法都有各自的优缺点,如下表所示:

  技术名称技术特点优点缺点

  化学法定时定量向循环水系统中投加水质稳定剂。防腐、防垢、杀菌灭藻效果明显,应用范围广,运行成本高,环境污染严重,操作运行管理复杂,

  物理法利用电场、磁场等物理作用,使水中产生自由电子或改变水分子结构等,以达到防垢、防腐、杀菌灭藻等效果。运行成本低,对环境无污染,操作运行简单,处理效果较差,受水质、环境等影响,应用范围受到限制,

  动态物化法依据水质监测数据,在射频式物理场水处理及水质保持的基础上,辅助化学法水处理技术,动态处理循环水水质。防腐、防垢、杀菌效果好,

  水质稳定,排污量小,运行成本低,应用范围广,

  无环境污染,可满足排放要求。

  技术名称技术特点优点缺点

  化学法定时定量向循环水系统中投加水质稳定剂。防腐、防垢、杀菌灭藻效果明显,应用范围广,运行成本高,环境污染严重,操作运行管理复杂。

  物理法利用电场、磁场等物理作用,使水中产生自由电子或改变水分子结构等,以达到防垢、防腐、杀菌灭藻等效果。运行成本低,对环境无污染,操作运行简单,处理效果较差,受水质、环境等影响,应用范围受到限制。

  动态物化法依据水质监测数据,在射频式物理场水处理及水质保持的基础上,辅助化学法水处理技术,动态处理循环水水质。防腐、防垢、杀菌效果好。

  水质稳定,排污量小,运行成本低,应用范围广,无环境污染,可满足排放要求。

  3.6 动态物化法处理技术创新点

  综合分析上述三类处理技术,动态物化法处理技术具有如下五大创新特点:

  (1) 动态水质处理

  在系统工艺、金属材质等静态影响因素基础上根据补水水质、气象条件等动态影响因素,对循环水实施动态水质处理。

  (2) 物化结合处理

  以物理法处理技术为主,对循环水实施静态处理,辅以化学法对循环水进行动态处理,有效降低运行成本。

  (3) 水质保持

  循环水在运行过程中水质不断恶化,依据水质监测数据,有效去除循环水中的悬浮物、胶体及溶解物。

  (4) 智能化在线自动监控

  与物化处理技术配套,集成了在线监测装置并开发了远程监控系统及动态控制系统,在冷却水处理系统首次实现信号远程传输,跟据药剂浓度连续及时回馈信号,并转变为模拟量控制加药系统。

  (5) 高浓缩倍率运行

  利用物化结合水质处理技术,双排污水质保持技术及动态水质处理技术,有效解决循环水结垢、腐蚀、菌藻及杂质等问题。满足水质在高浓缩倍率下运行。高浓缩倍率水质稳定剂配方及在线监控系统、示踪水质在线监控系统、pH在线监控系统、自控杀菌灭藻剂浓度监控系统、计算机远程控制平台等组成工程化技术装置系统,使循环冷却水运行浓缩倍率提高到5倍以上。水质综合指标达到国际先进水平。

  4. 结语

  国家鼓励循环经济、支持可持续发展、强力推行节能减排、重视绿色环保产业发展。随着国家节能减排政策的大力推行,我国中央空调循环水、集中供暖循环水和工业冷却循环水处理市场前景广阔。

  我国集中式采暖空调循环水处理应用技术中,物理法、化学单独使用时,都存在一定的弊端。因此,在物理法的静态化处理循环水主要技术指标的基础上,辅以动态化化学处理解决补水水质动态变化的动态物化法水处理技术较好地解决了由于补水水质波动造成循环水水质不稳定的问题,是循环水系统治理领域技术的未来发展趋势。在中小型工业循环水处理领域也可以推广使用。

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