交流丨空调循环水处理方式有可能变革吗?

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作者:陈谭 卓展工程顾问有限公司

这是一篇学习总结和探讨的文章。

从事机电(主要是空调)设计咨询超过20年了,一直以来,空调系统冷却循环水的处理方式从来都是化学加药的方式进行,这个已经成了基本不用考虑的常识了,由于冷却水需要解决的几个问题:阻垢、缓蚀、控制藻类微生物、外界空气中的粉尘杂物去除等功能需求,这个行业中从工业到民用,类似纳尔科这样的水处理巨头都已经提供的终极解决方案了,其他似乎不需要我们再多做考虑了。
如果不是近期接触到的一种独特的物理方式的水处理供应商的专业解答,可能笔者本人也是同样以为空调冷却循环水处理的解决也只有是毫无疑问的加药方式。
从化学方式到物理方式,这不仅仅是一种工艺方式的变化,其实背后是整个行业产业链的博弈,它的影响远不是我们在纸面看到的那么一点而已。作为顾问,我们置身事外,可以轻装上阵,本着事务最基本最本真的方向来看,化学加药和物理方式到底有什么区别?

传统化学加药方式
化学加药已经是这个行业的占据统治地位的水处理解决方案,它的优势就不在这里赘述了,既然想谈谈物理方式,那就看看化学加药现在需要面对什么样的困境?主要是环保压力、成本压力和我们长期以来忽视的运行中的问题。

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环保压力
这个大家很容易理解,目前中国面对极大的经济增长和环境保护之间的矛盾冲突和压力,但是政府仍然选择了非常艰难的两手都要抓的策略,在可预见的未来,对于环境污染方面细节性的要求会不断出现。有可能开始是比较温和的倡导性的指导性文件,等到观念培育期结束之后肯定是强制性的法规性文件会出台。这个逻辑我们不会陌生,但是这个和空调冷却水处理有什么关系?根据国家环保总局的土壤水质监测报告,中国现阶段城市水质污染最大的来源地并不是我们传统认知当中的工业排污,这个已经在之前的强力监管措施之下得到了非常有效的控制。
目前国内主要城市自然水体水质污染最主要的来源是空调系统循环水处理排污进入雨水管道造成的含磷类的污染物排放为最高。主要原因是在国内我们的空调系统循环水加药处理处在一个非常混乱的状态,在这个环节没有监管措施。导致空调水处理的供应商产品及系统供应混乱无序、系统运行基本按照人工感觉进行。空调循环水排放直接排入雨水管道进而直接进入自然生态,造成了对于环境的循环式污染,以往我们没有注意到这个地方产生了大量的污染,民用建筑的空调循环水排放在单点看来不算大,但是由于采用空调系统的楼宇基数非常大,当采用多点取样测量的时候才发现这个循环水排放已经是城市生态污染的最主要来源。
据悉,来自新加坡的这种物理方式处理已经存在二十多年了,新加坡作为单独的海港城市国家,从来对于环保都非常重视,目前新加坡将物理方式纳入绿色先进技术,如果业主采用,不仅可以提升绿色积分,还可以获得政府提供设备费用60%的补贴或400%的减税(The Productivity and Innovation Credict Scheme)。发达地区和国家的经验总是我们后发国家地区的捷径,如果不出意外,经过综合对比之后,也许化学加药的冷却水处理方式真的会面对挑战。

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成本问题
根据项目运行信息反馈,一个6000立方循环水量的冷却水系统需要的化学加药的年运行成本大体在几十万元,但是根据实际同体量项目物理方式的成本只有电耗,年运行成本大约只有2万元。在长期运行的情况下,这个对比结果就很直接了,当然这个是一个信息来源,我们暂且把它放在这儿。

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实际运行中的问题
这个部分作为业内人士都会很清楚,在这里不多做解释,类似加药控制不准确、补水消耗大、物业需要人员进行跟踪管理、水质问题带来的换热器结垢、换热设备定期清洗、效率下降、滋生藻类细菌带来的卫生防疫问题等等,只不过我们对这个太熟悉了反而会熟视无睹。

下面来看这种物理方式是怎么样的!

按照供应商的说法,此方式为纯粹的电导率监控、通电形成冷却塔集水盘内各个分割控制区域内形成比较稳定的电场,该电场以伸入接水盘的棒状阳极和对角区域连接的接水盘金属盘体为阴极。这样的电场产生特殊频率的电磁波,电磁波作用于循环水以及其中的离子、微生物、细菌等,对于水中的各种物质产生作用,实现对于循环水的水质控制管理,系统示意可以参考下面的图示:

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物理方法处理冷却循环水的示意

从示意图看出,此系统主要三个部分:接水盘内的电场产生电磁波区域、接水盘外管路上的电导率检测及排污控制部分、激励控制装置。可以看作三个单元:接水盘为工作单元、电导率检测为监控单元、激励控制是核心单元。其中电导率控制是系统稳定运行的关键点,不仅是数据监测,电导率监测还用来控制冷却水浓缩倍数。当电导率达到设定限值时,系统的电磁阀就会自动开启,排放冷却水。然后随着补充水注入,使系统内电导率下降至设定理想水平。例如补充水电导率400uS/cm,设计浓缩倍数是5倍,那么电导率设置限值就是2000us/cm,运行逻辑比较清晰,在水质比较好的地区,这个浓缩倍数可以达到7、8,有的甚至达到10,对比化学方式可以大幅度减少补水量消耗。


从示意和现场对照来看,这个单个的电场控制范围大约2~3个平方。按照供方的原理阐释,物理导电方式能够解决冷却水系统的以下几个作用机理方面的关键问题:
  1. 对于循环水中钙镁离子形成的不溶性物质,化学方式通常用其他酸性离子与钙镁离子结合形成可溶于水的可溶物,虽然阻止了结垢,但是增加了盐分,这个需要不断加水补充才能稀释并且保证系统运行。物理方式并不阻止弱酸及碱性离子和钙镁离子结合形成不溶于水的成分,关键在于电场通过对于离子加电形成电磁波,使碳酸盐的颗粒物属性发生改变,不再形成附着于高温管壁面的致密结合层,而在接水盘底部形成了松散的细粉末状不溶物,该不溶物沉淀在接水盘底部,定期通过排污直接排除系统之外,对于冷机、换热器等提高热交换效率有非常大的意义,同时排污补水的量也大大减少;


  2. 对于循环水由于直接和大气接触,有可能产生的细菌及藻类,通过大量实验,经过特定的频谱的直流电场电磁波作用,可以直接对于细菌和藻类的细胞进行灭杀,在实验室理化试验中发现,特定的电场可以直接破坏细菌藻类的细胞,造成细菌和藻类的细胞壁破裂,细胞无法完成复制和繁殖从而被直接杀死,细胞尸体随同前述不溶性粉末等随排污排除系统,藻类污染以及细菌产生的病菌传染危害及菌膜造成的传热阻隔等影响也有了有效的抑制,这部分对于细菌微生物的抑制作用(比如军团菌)在目前国内疫情影响的大背景下尤其有现实意义;


  3. 对于空气中的灰尘、絮状物等各类物质,由于没有参与不溶物的形成,有可能是藻类微生物形成的一种影响因素,随同电磁波对于藻类细菌微生物的处理一同被处理,并不能产生更新的影响和困扰,这个其实也是设备保洁管理的一部分;


  4. 在防止结垢以及微生物藻类生成方面的同时,此种电场方式在实验中也发现了很好的对于金属的钝化效果,形成相对致密的Fe3O4磁铁层,对于金属管道及换热部分均有防腐蚀的保护作用。这个需要进行特定频谱的电场激发才能实现,这是在主要目的是解决结垢以及防止微生物滋生目的之外的意外收获,同时也解决了很多人担心顾虑的电化学腐蚀的可能;


  5. 由于电场形成电磁波,可能会有担心是否存在辐射危害,国家环保局规定电磁辐射保护限制最小频率为10万赫兹,根据供应商反馈,该产品产生电磁波的频率远低于该限制,低了2~3个数量级,不属于电磁辐射范围,其量级等同于电脑产品,而且其工作环境为人员不经常出现的区域,因此安全性没有问题;


以上是从基本原理出发解释为什么物理方法能够解决空调系统冷却循环水水质管理的问题,或者很多人现在还是不能接受和理解,不要紧,包括笔者自己,一开始和供应商接触的时候也是抱着“到底要看看你们有什么猫腻”的心态进行沟通,因为物理方式的水质管理其实不是一个新话题,十几年前就有类似“永磁体”方式的高磁通量模块的方式,但是始终没有产生多大的浪花,经过与供应商的沟通,首先去除了之前的完全不信任心理,因为供方提供了前述所有疑问的从专业理论层面的解释,这些解释至少在逻辑层面是经得起推敲的,但是对于我们顾问来说,仅有理论的东西远远不够,还需要足够的实物来验证,供应商很欢迎我们能考察,随即安排了一次针对性的考察,是2020年1月10号,现在看来,幸亏当时看的及时,否则现在疫情严重的情况下是什么也看不了的,我们对于新事物的了解也会延缓至少几个月的时间。


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下面简单谈一谈当天考察的大致情况,去了两个地方:华为上海浦东研发中心、万国数据浦东某数据中心。其中华为中心为改造,之前采用常规化学方法处理,由于使用中成本高、污染、物业管理隐性成本等原因,于2018年完成改造,目前已经运营一个完整季节,物业为仲量联行,物业对于目前效果比较认可。万国数据为新建项目,原初设计采用化学加药方式,在建设过程中,业主方认同供应商的工艺处理方案,建设过程中进行了调整,可以理解为新建项目,已经运行一个空调夏季和秋冬季。以下为考察现场:

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图一   入口

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图二   办证

华为研发中心建筑整体低调,不太容易找到标示,另外管理比较严格,是供应商协同物业部门办理了考察证件,且对人数有严格要求,可能大厂都这样。

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图三   冷却塔内

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图四 塔内 PVC管远端

放大部分端头为阳极

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图五   塔内 不溶性物

以松散粉末状沉淀

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图六 塔内 小喷嘴为

原化学加药管嘴   已废弃

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图七 填料部分

未改造前状况堪忧

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图八 水质超乎想象

以上图三至图八为冷却塔水质状况,从现场看,冷却塔接水盘内水质非常好,清澈、透明,远超笔者之前的想象。不溶性物质确实以松散粉末状沉淀于接水盘底部,这个运行状况超出了我们常规对于冷却塔的循环冷却水状况的理解和印象,确实不错!

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图九 根据电导率检测

补水装置

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图十 同图九

随着系统运行,水中离子浓度会升高,含盐循环水电导率也会随之变化,需要根据离子浓度和系统液位变化适时判断并及时补充原水,上述为包含电导率检测仪的补水装置。

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图十一 检测与激励控制装置

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图十二 细节

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图十三 检测装置屏显信息

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图十四 激励控制装置

图十一至图十四为该产品系统的核心部分,分为几个大约400X1000X1500的柜体,每台冷却塔设置一个激励控制柜,多台塔合用一台检测显示柜。所有的核心均在这几个柜子,背后是大量的实验室测试研发工作。这部分是该系统的核心部分。

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图十五 物业信息

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图十六 同上

图十五及十六为物业单位的标示,为此前化学加药方式的某产品停止使用的标识。这个不代表化学加药一定不可以,只不过在本案中可能由于各种原因被弃用。


离开华为中心,随即去看了浦东万国数据某中心。

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图十七 万国数据

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图十八 冷却塔架空布置,三台

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图十九 采用水蓄冷罐


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图二十 首层架空层和冷却塔

之间的设备管道夹层

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图二十一 排污管在夹层

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图二十二 排污管在夹层

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图二十三 检测激励控制柜

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图二十四 细节

万国数据和华为一样,管理严格,只不过由于数据中心为地上建筑,冷却塔设备也是设置在室外,并且架空,采用了水蓄冷方式,由于是新建而且室外架空,安装、设计配合等也比较容易实现,视觉观看是比改造要更美观的。控制模块、电源、排污管道、线缆等都能做到有序排布,较为规整。

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图二十五 正在运行的塔内

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图二十六 水质清澈

此处塔内水质同样非常好,没有随身带容器,用手抄起,非常清澈,忍不住尝试,无味,按照供应商说法基本接近饮用水水质,这个不知道,只有真正取样检测才能了解。

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图二十七 液面下棒状物为

塔内阳极

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图二十八 脚部为塔外阴极

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图二十九 补水电动水阀

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图三十 冷却塔

由于是新建建筑就采用了物理方式的水处理,与建筑的配合效果就比改造要好一些。根据供应商反馈,目前华为和万国数据两家业主方对于采用物理方式的水处理效果比较满意。源于几个方面比较吻合业主方的需求:
  1. 业主方对于要达到的水质控制管理效果有要求,这个不同于国内绝大部分民用建筑业主方对于冷却塔循环水控制通常不太关心。研发中心和数据中心属于关键场所,又是能耗大户,节能需要从多个方面入手,循环水控制也是一个重要部分。有效的循环水水质控制对于冷机能效的提升有非常大的帮助,这个在物业方面已经有了反馈;


  2. 业主方对于物业管理成本比较关注,原来采用化学方法需要有专门的物业人员定期不定期对于水质状况进行检测,通常实际是物业人员人为的工作,效果不好还增加人力,改为物理方法后基本不需要人员干预。


  3. 运行成本节约,以华为为例,按照华为中心大约6000立方的水量,按照标准的物理方法进行加药处理,每年的加药成本大约需要50万元左右,采用物理方法之后,每年的电耗成本大约只有2万元左右,差距比较明显,万国数据目前暂时还没有数据提供;

上述为供应商提供的相关信息以及现场了解的信息资料整合整理的部分,对于我们顾问来说,这是一个非常难得的学习和积累的过程,从顾问的角度,我们认为没有一本万利的事情,一件事物有优点的同时一定有缺点,经过和供应商的讨论,我们总结了几个有需要关注的地方,不成熟,供讨论:
  1. 初期成本较高,经沟通这两个项目每个系统大体上要在一百多万元,我们没有专门了解过化学加药方式的成本如何,但是百万级的成本显然超出了我们的心理预期,当然我们不是业主方,供应商也不会把底价给我们,但是作为一种新兴工艺系统,供应商需要赚取先期超额利润是可以理解的,但是较高价格会阻止系统工艺的快速传播:


  2. 在改造项目中,夏季开始阶段很容易出现藻类爆发的问题,这个需要业主方了解,华为项目就出现这个情况,需要人工清理,清理过之后就没有问题了;


  3. 可靠性,这个还需要更多项目以及更长时间的项目积累来回答,尽管供方表示该系统经过试验以及项目检验,成熟可靠;


环境污染治理问题---这个部分通常是业主方不太关心的,但是在国家层面需要关心。从行业发展的角度也应该了解。如果对于环保节能的方向是大势所趋,作为地产从业人员或者机构,未雨绸缪总是好的。比照于化学方式,物理方式不需要在冷却水中加注任何化学物质,对于环境的污染基本可以视作零污染,随着我们国内目前对于环保、生态、卫生诸方面的逐渐关注,以及国家面临环保减排、公共健康等方面的压力逐渐增大,物理方式有其天然的优势,作为地产行业的从业者,可以不用特别关心行业发展和社会发展趋势,但是需要注意不要和大趋势背道而驰,否则那真可能是时代抛弃你的时候是不会打招呼的。



以上是经过沟通、了解、考察、思考总结之后形成的简单成果总结,可能其中还有错误和未尽之处,由于时间仓促,暂时了解到这个层面,不管将来发展趋势怎样,我们很高兴看到一种新兴的工艺解决方案的出现,至少在我们所了解的层面,看起来它解决了我们曾经非常苦恼的结垢、污染、卫生、环保等方面的问题,而且似乎还具有非常大的潜在生命力。作为中立的顾问方,我们很愿意看到这样的系统方式能普及,作为传统化学加药方式的一种补充甚至有可能是替代的方式,我们很期待,空调系统循环水处理方式有没有可能因此发生变革?我们一起拭目以待。

卓展工程顾问(北京)有限公司上海分公司
陈谭
2020.03


文章分类: 暖通空调卓展原创
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