江水源热泵系统应用中的江水水质分析.pdf

第 2 1卷 第 6期20 10年12月水 资 源 与 水 工 程 学 报Journal ofW aterResources&W ater EngineeringVo.l 21No.6Dec.,2010?收稿日期:2010?09?26;?修回日期:2010?10?21基金项目:国家 自然 科学 基金 项目(50838009,50678179);国 家?十一 五 科技 支撑 重大 项目(2006BAJ02A09,2006BAJ02A13-4)资助作者简介:贾遵锋(1984?),男,山东人,硕士,主要从事建筑节能研究。通讯作者:丁 勇(1975?),男,山东人,博士,副教授,主要从事可持续建筑环境与建筑节能研究。江水源热泵系统应用中的江水水质分析贾遵锋,丁 勇,贾 宇,连大旗(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)摘?要:水质状况不仅对江水源热泵系统的水处理方案、换热器形式的合理选择具有影响,还直接关系到系统的运行效果和使用寿命。研究针对重庆地区嘉陵江和长江的水质变化情况开展了全年逐月测试。结果表明:两江水的pH值、钙镁离子及硫酸根离子变化趋势具有一致性;相较于嘉陵江而言,长江水除铁离子含量和浊度值较高外,其它几种水质指标均低于嘉陵江水。为合理选择水处理系统,对比分析了两江水的各种水质指标与水热泵机组和换热器的允许值,发现在利用嘉陵江水作冷热源时,需采用过滤器或除砂设备着重处理 6-9月的浊度,采用电子水处理仪或离子棒水处理仪处理 12月、1月和 2月的钙镁离子;而对于长江水,需利用过滤器或除砂设备解决全年浊度水平过高问题。关键词:江水源热泵;江水水质;实测资料;水处理中图分类号:X824?文献标识码:A?文章编号:1672?643X(2010)06?0053?04Analysis of river water quality in the application ofriver source heat pump systemJIA Zun?feng,DING Yong,JIA Y?,LIAN Da?qi(Key Lab of ThreeGorges Reservoir Region s Eco-Environment,M inistry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)Abstract:The selection ofwater?treat m ent program and exchanger of river source heat pu mp system is di?rectly affected by water quality.In addition,the performance and lifespan of the system are also directlyaffected by water quality.The research on water quality ofYangtzeR iver and Jialing River in Chongqingis done by the annualmonthly testing.The results indicated that Yangtze River has lower value of waterquality than Jialing River except Iron and p H,but has the sa m e change trend as Jialing River on p H,Ca2+andMg2+,SO42-.A t the same ti me,base on the data,the comparative analysis of the t wo riverswater quality and the value allowed by air?conditioning unit and heat exchanger is done.And the analysisindicated t wo pivotal points.One is that the turbidity should be removed by filter or grit equip ment fromJune to September.The other is that Ca2+and Mg2+should be removed by electronic or ion bar watertreat ment equipment in January,February and Decemberwhen Jialing River is used as cooling and heat?ing source.Another iswhenYangtzeRiver is used as cooling and heating source,we just only takemoreattention on the turbidity all of the year.Key words:river source heat pump;riverwater quality;actualm easurement data;water treat ment0?前?言在江水源热泵系统应用中,江水水质的优劣不仅影响系统水处理方案、换热器形式的合理选择,还直接关系到系统的运行效果和使用寿命,劣质的水源将因致使系统机组、管道及附属设备等的堵塞或冲蚀、腐蚀及结垢而影响系统的正常运行,降低系统运行效率,甚至缩短机组使用寿命 1-3。因此,做好水质分析,掌握水质变化情况是合理选择水处理方案、降低系统造价、保证系统良好运行的关键 4。在实际工程中,水质分析工作应由这一领域的专家来承接,通过正确的测试和分析,确定哪些材料会受到水质的不利影响,以采取相应的措施将水质对系统的影响降到最低 5-6。相较于岩土源热泵系统,由于江水源热泵系统的水源主要源于降水和冰雪融水,且不断与大气、土壤和岩石等环境介质接触、相互作用,其水质的化学成分、化学性质和物理性质千差万别,且随时间而不断变化 6。因此,通过短暂的测试与分析是不能够正确掌握江水水质的年变化情况,做到合理选择水处理系统,降低系统初投资费用及后期运行维护费用 7。在此情况下,研究针对重庆地区长江和嘉陵江水质的年变化规律,开展了周期性数据的实地测试及分析,为重庆地区江水源热泵空调系统的设计提供基础数据。1?水质测试指标选择水质的优劣与水体中所包含杂质的情况密切相关,系统设计需了解水体中所含杂质的状况,以便于选择使用合适材料制造的系统部件以适应当地水质。根据文献 8-10的相关规定,作为水源热泵空调系统水源的基本要求是:水质澄清、水源充足稳定、不结垢、不腐蚀、不滋生微生物、回灌顺畅。在构建地表水源热泵系统时,为准确掌握水源水质的变化规律,便于系统的设计及运行维护,应对地表水中引起腐蚀与结垢的主要矿物成分、水生生物、固体含量以及盐碱量等进行勘察 5,各参数允许值如表 1所示。根据研究分析,在影响水源热泵系统运行效果和使用寿命的各种水质指标中,其重要程度依次是含砂量和浑浊度、钙镁离子总量、矿化度、酸碱度(p H 值)、氯离子、硫酸根离子以及细菌、微生物含量 10。据此,选取了 p H 值、钙镁总硬度、铁离子、氯离子、硫酸根离子和浊度六个对江水源热泵空调系统影响较大的水质参数进行了长达一年的逐月测试与分析,以掌握重庆地区两江江水主要水质参数的年变化情况,为重庆地区江水源热泵技术的应用提供基础数据。?表 1?机组和换热器水质允许值汇总表NTU,mg/L类别机组允许值换热器允许值pH 值6.5 8.56.8 9.5钙镁离子!200 200铁离子 1.0 1.0氯离子 100!700 1000硫酸根离子 200!2500(SO42-+Cl-)浊度!20!10 20H2S 0.5Cu2+!0.2!0.1硅酸!50!175游离氯0.5 1.00.2 1.0氨氮!10石油 5!5CODcr!1002?水质变化规律分析选取重庆地区长江流域的朝天门码头、寸滩码头和嘉陵江流域的磁器口码头、朝天门码头、相国寺码头、北碚朝阳码头共 6个观测点,于 2008年 1月至 2008年 12月开展了水质数据的实测与分析。图1图 6是以流域的不同检测点的水质数据的平均值进行的分析整理并与水质允许值进行的对比,其中水质允许值为水源热泵机组与换热器水质要求指标的交集,其允许值分别为 p H:6.8 8.5;钙镁离子:200 mg/L;铁离子:1 mg/L;氯离子:100mg/L;硫酸根离子:200mg/L;浊度:!10 NTU。54?水 资 源 与 水 工 程 学 报?2010年?对比分析两江水各种水质参数的年变化曲线得知,两江水在铁离子、氯离子和浊度三个指标的年变化规律方面具有较大差异,而在 p H 值、钙镁离子以及硫酸根离子方面具有随时间同增同减的特点,其变化趋势具有一致性。但相较而言,嘉陵江水的 pH值、钙镁离子和硫酸根离子含量较长江水的高,其平均值分别约高 1%、13%、14%;而铁离子、氯离子含量和浊度值较长江水小,其平均值分别约低 14.6%、8.9%、365%。这是由于嘉陵江属于雨水补给型河流 13,流域内多为丘陵山地,植被较好,但水源冲刷面多侏罗纪砂页岩和碳酸岩,岩性软弱,易分化,经冲刷携带钙镁、卤化物等矿物离子及污染物等进入江河,造成其水质中 pH 值、钙镁离子、硫酸根离子和氯离子含量较高;而长江为雨水降水和高山冰雪融水型河流,其水源冲刷面的岩性较硬,不易溶解,但因植被相对差,且水量大、流速快、对沿岸冲刷大,携带大量泥沙和铁离子,致使其水质中铁离子含量和浊度值较高 14-15。其次,对比各水质变化曲线与允许值发现,在全年变化范围内,除浊度外,长江水的其它水质指标均满足机组和换热器的水质要求;而对于嘉陵江,除浊度远大于机组和换热器允许值外,钙镁离子含量也不满足机组和换热器对水质的要求。因此,在利用两江江水的江水源热泵空调系统中,应着重处理的共同水质问题是浊度水平过高的问题,尤其是 8、9月份的嘉陵江水和 5-10月份的长江水,更应注重浊度问题的解决,除此之外,嘉陵江水还需解决钙镁离子不满足水源热泵机组和换热器要求的问题。但根据图 2与图 6得知,需处理的水质指标并不是全年均不满足机组和换热器的水质要求,针对此情况,我们可以采取针对水质超标时间段进行着重处理的水处理策略,避免水处理设备或药量的过多使用,降低水处理系统的运行维护费用。据此,为找到钙镁离子和浊度的水质分析与水质处理的重点,研究针对钙镁离子和浊度的年变化特点进行了重点分析。(1)由图 2可见,嘉陵江钙镁离子含量在 4月份降到最低,约 1.8 mg/L,而在最低值两侧缓慢上升,分别于 12月和 1月达到极大值,整体上呈现两头高中间低的特点。因此,在利用嘉陵江水作冷热源时,应着重分析 12月和 1月份的钙镁离子含量,以准确判断嘉陵江水的钙镁离子是否需要水质处理。此外,在全年范围内,仅 12月、1月和 2月份的嘉陵江水的钙镁离子含量不满足水源热泵机组与换热器的水质要求,因此,在对嘉陵江水进行水质处理时,须针对 12月、1月和 2月份的嘉陵江水的钙镁离子进行着重处理,而对于其它月份的嘉陵江水不需对钙镁离子进行处理,以减少水处理设备或药品的使用,降低水处理系统运行维护费用。(2)由图 6可得,在全年变化区间内,嘉陵江水含砂量呈单峰波动,整体保持在 30 mg/L以下,但8、9月呈上升趋势,9月达到波峰约 750 mg/L;长江江水含砂量呈现近似两个波峰,枯水期维持在 40mg/L以下,丰水期为 150 mg/L以上,其中分别在 6月和 10月出现波峰,分别约为 2 900 mg/L 和 630mg/L。总体而言,两江江水夏秋季节的含砂量高,春冬季节的含砂量低,但对比两江江水浊度与水源热泵机组与换热器允许值发现,长江江水浊度常年高于水源热泵机组与换热器允许值;而对于嘉陵江,6月-9月的浊度值高于水源热泵机组与换热器允许值,其余月份浊度值低于水源热泵机组与换热器允许值 16。因此,利用长江水作冷热源时,需常年着重处理浊度过大的问题;而利用嘉陵江水作冷热源时,仅须需着重处理 6月-9月浊度过大问题,而其余月份可直接利用嘉陵江水。3?水质处理通过钙镁离子和浊度值的年变化规律的对比分析,针对利用嘉陵江水的江水源热泵空调系统而言,3月-5月、10-11月的江水可不经任何处理而被直接利用,仅需于 6月-9月着重处理浊度过大问题,于 12月、1月和 2月份重点处理钙镁离子含量过高问题;相较于嘉陵江,利用长江水作冷热源时,仅需常年注重浊度的处理。对钙镁离子和浊度进行处理的目的主要是防止水源水系统的阀门、管件、换热器等设备及附件受到磨损,形成堵塞、污垢,妨碍系统的正常运行,影响机组的使用寿命。对于浊度的处理,常采用过滤器或除砂设备进行处理。其中,普遍使用的除砂设备是旋流式除砂器,具有体积小、除砂效率高的优点;而在场地面积允许的情况下,可选择投资较低的沉淀池进行沉淀除砂处理 1,2。对于钙镁离子的处理,目前常用的处理方法有物理方法和化学方法两种。其中,物理方法是采用电子水处理仪和离子棒防垢水处理设备,化学方法是采用防垢剂进行处理。由于使用防垢剂费用较高,且化学成分对环境略有影响,造成该方法的使用受到限制;相较而言,物理方法因具有运行维护费用低、不对环境造成影响、易于安装、使用效果较好的特点,而得到广泛应用 1。因此,综合考虑环境与55第 6期?贾遵锋,等:江水源热泵系统应用中的江水水质分析经济效益,在利用嘉陵江水作冷热源的江水源热泵系统中,宜采用电子水处理仪和离子棒防垢水处理设备进行钙镁离子的处理,以防止钙镁离子以正盐和碱式盐形式析出沉积在系统设备、管道表面,形成水垢,造成系统设备的堵塞、结垢,降低系统设备的传热效率,增加电耗。4?结?语通过对重庆地区嘉陵江和长江水质的全年逐月的实测与分析,基本掌握了两江水中对江水源热泵空调系统影响较大的几种水质参数的变化特征,并与水源热泵机组和换热器的水质允许值进行了对比分析,得到的主要结论如下:(1)经对两江江水中 6种水质参数的分析发现,两江江水的 pH值、钙镁总硬度以及硫酸根离子方面具有随时间同增同减的特点,其变化趋势具有一致性;而在铁离子、氯离子和浊度方面,两江水的变化趋势具有较大差异性。但相较而言,嘉陵江水的 p H 值、钙镁离子和硫酸根离子含量的平均值分别较长江水高约 1%、13%、14%,而铁离子、氯离子含量和浊度的平均值分别较长江水低约 14.6%、8.9%、365%。(2)通过对比各水质变化曲线与允许值发现,在利用两江水作冷热源时,应着重处理的共同水质问题是浊度水平过高的问题,而嘉陵江水而言,还需解决钙镁离子不满足水源热泵机组和换热器要求的问题。结合两江水钙镁离子和浊度水平的变化规律可得,在利用嘉陵江水的江水源热泵空调系统中,3月-5月、10-11月的江水可不经任何处理而被直接利用,仅需于 6月-9月着重处理浊度过大问题、于 12月、1月和 2月份重点处理钙镁离子含量过高问题;相较于嘉陵江,利用长江水作冷热源时,仅需常年注重浊度的处理。(3)经归纳总结文献中关于水质处理技术可得,针对浊度的处理,可采用过滤器或除砂设备,但由于重庆地区含砂量和中值粒径不断减少,造成其处理能效得不到保证,应针对重庆山城地区用地局促等因素,加强更为高效、适应能力更强的水处理技术的研究 17。而对于钙镁离子,宜采用电子水处理仪和离子棒防垢水处理设备进行处理。参考文献:1 赵 峰,邵林广,文远高.水源热泵空调系统的水质处理技术 J.工业安全与环保,2005,31(12):15-17.2 甄华斌,范新,徐继军,等.东营市某办公楼水源热泵空调系统冷冻站设计 J.暖通空调,2001,31(3):61-62.3 单金龙,丁 勇,李百战,等.水源热泵技术在实际工程中的应用分析 J.云南建筑,2009(4):21-25.4 丁 勇.浅层地热源热泵空调系统在公共建筑应用中的能效研究 D.重庆:重庆大学博士学位论文,2009:123-125.5 美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南M.徐 纬译.北京:中国建筑工业出版社,2001:16-17.6 吴明华.地表水源热泵在重庆地区的工程应用研究D.重庆:重庆大学硕士学位论文,2007:43-46.7 D ing Yong,Li Baizhan,L iu Hong.Current application ofgeother mal heat pump 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