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中央空調系統通過冷凍水循環、制冷劑循環和 冷卻水循環，不斷將建筑物內的熱量傳遞到自然界 中，而獲得舒適的空間環境（圖 1）。冷卻水 x 系統 多為開放式系統，冷卻水通過在冷卻塔中蒸發飄逸 到大氣中而將熱量散發到周圍環境中。
中央空調水系統的用水通常分為兩類，即未經 過任何處理的自來水和軟化水。由于冷卻水用水量 大，一般都補充自來水。水中對設備產生影響的主 要因素為硬度、堿度、微生物、pH 值、Cl- 、氧含 量等。自來水因地區不同而水質變化較大，在水的 循環過程中，硬度和堿度不斷被濃縮，是造成結垢 的主要因素，而 Cl- 、低 pH、溶解氧、生物粘泥是 造成腐蝕的罪魁禍首。
按照我國有關規范，冷凍水要求補充軟化水。 而對于軟化水而言，失去了結垢性離子 Ca2+、Mg2+ 等，沒有結垢問題，同樣設備也失去了保護性結垢 層，其腐蝕性增強，從而加重了腐蝕穿孔現象。這 個規范要求是否合理，有關部門正在論證。
同時冷卻塔又是微生物和藻類滋生的場所，合 適的溫度、充分的氧氣和養分、充足的日照，過度 滋生的微生物進入循環水系統，造成系統堵塞和腐 蝕，不僅增加了額外的運行費用，同時也縮短了設 備的使用壽命。

1 冷卻循環水系統中存在的問題及危害
1.1 水垢問題 懸浮物和生物膜及水垢混合在一起，在熱交換 器列管表面形成沉積物，從而降低了冷凝器的熱交換效率。研究表面，1mm 水垢就能造成空調機組效 率下降 45%。

熱交換器上 0.25mm 厚的污垢或者結垢層，將 降低熱交換效率，增加能耗 10%。下式可以用來計 算一個冷卻循環水系統一年的能耗成本：
冷卻系統噸位×噸水電耗×負載系數×每年 工作時間×每度電成本=每年能耗成本
例如，400 冷噸×0.65kw/冷噸×0.7 負載系數 ×2500 小時/年×0.6 元/kwh=27.3 萬元/年
如果熱交換器上的污垢厚度為 0.25mm，運行 一年的電費將增加 2.73 萬元。
而且，冷卻系統本身產生顆粒物，例如腐蝕產 物、無機物沉淀（鐵的氧化物、硬度鹽類等等）、 微生物宿主、有機化合物的聚集體和其它的物質， 會加速腐蝕和腐蝕物的形成。
1.2 生物粘泥 今天每一個冷卻塔系統都會考慮不斷增長的 生物粘泥問題。ASHRAE 導則 12-2000 中說道，冷 卻塔系統最基本的處理建議是控制和防治生物粘 泥，而且指出控制生物粘泥的最簡單的成功方法是 保持系統清潔。ASHRAE2000 年 9 月號（44-49 頁） 中這樣寫道，“生物粘泥增長加劇的適宜條件包括 溫度 77-108 華氏度，結垢問題存在，有沉淀物和生 物膜…通常情況下，在多種復雜的微生物群落中滋 生猖獗，因為他們需要從周圍環境中獲得養分和保 護。”顯而易見，維持低含量的懸浮顆粒濃度，就 減少了生物粘泥生長的空間和養分。同時需要合適 的殺生程序提高生物粘泥的控制效率。
生物粘泥導致的熱交換損失甚至大于無機水 垢造成的熱交換損失。美國 CTI（冷卻塔技術研究 所）的報告顯示，生物膜（粘泥）的熱傳導率只有 碳酸鈣垢的 1/5。




在反應室內壁（陰極）附近發生的主要化學反 應有：
2H2O (l) + 2e- → H2 (氣) + 2OH- (aq)
堿性溶液中發生的反應（陰極附近）
CO2(aq)+ OH- (aq) → HCO3 - (aq)
HCO3 - (aq) + OH- (aq) → CO3 2-(aq) + H20(液)
Ca2+(aq) 鈣離子可能形成
氫氧化鈣: Ca(OH)2(垢)
碳酸鈣: CaCO3(垢)
陽極附近發生的化學反應有：
生成氧氣
4HO- → O2(g) + 2H20 + 4e-
游離氯 Cl- – e- → Cl0
氯氣 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
臭氧 O2 + 2HO- – 2e- → O3(g) + H2O
自由基 OH- – e- → OH0
過氧化氫 2H2O – 2 e- → H2O2 + 2H+
氧自由基2H2O – 2e- → O0 + 2 H+



EST把部分水垢以固體形式在EST內部預先析 出排出冷卻系統之外，冷卻水的濃縮倍率可以做的 更高，從而節約大量的新鮮補充水。而且在整個電 解水處理過程中，無須添加任何化學藥劑，EST 刮 垢和清洗的排放水除了水垢和固體雜質之外，沒有 任何危害成分，因此簡單沉淀后可以用于景觀綠化 或者清洗用水。當然也就不會向水體排放任何污染 物了，節省大量的化學藥劑。因此，EST 技術成為 以色列環保部推薦的冷卻水和高硬度水處理的綠 色水處理技術。
3.3 EST 工作過程
EST 周期性自動刮垢和排污。清洗周期和清洗 時間取決于每天要去除的礦物質以及從冷卻塔中 排掉的水量，以維持冷卻塔中水系統的化學和微生 物平衡。礦物質平衡通過分析監測冷卻水的化學性 質來決定，從而在 PLC 上可以設置每天需要清洗的 次數。
清洗的第一步，進、出口閥門關閉，EST 底部 的排污閥門打開。刮刀在活塞的推動下在反應室內 自上而下運動，刮掉內壁軟的預先沉淀出來的水 垢，并和沖洗水一起從底部排出。排污的時候，進 水閥門打開，以便沖洗排放區域。大約 90-120 秒鐘 后，排污閥門關閉，刮刀回到反應室的頂部，出水 閥門打開，EST 重新工作。
4 美國科羅拉多紀念醫院中央空調冷 卻循環水 EST 應用案例
4.1 采用 EST 后醫院的冷卻水管理目標
醫院冷卻水管理的最基本的目標是自身空調 系統的可靠性，在腐蝕的情況下維持熱交換器 表面清潔，并且設備運行效率高，使用壽命長。
操作工人的安全性也是一個重要的因素，EST 讓工人們避免了處理或 暴露在危險化學品中的風 險。在控制軍團菌方面，EST 的控制能力被證 明非常有效。
環境督察是另外一個重要的區域管理目標。降 低水消耗已經成為工業和商業用戶的一個關鍵目 標。因為 EST 除掉了一大部分水中的結垢礦物質， 真正浪費的濃水排放水量大大減少。與此同時，醫 院管理部門也實現了盡可能節約每一加侖自來水 的目標。節約用水和清潔控制之間的平衡是正在尋 求的目標，特別是在補給水水質經常變動的情況 下。

4.2 冷凝器列管檢查
EST 安裝運行 15 個月后，2005 年 4 月醫院組織 了專家評估 EST 的使用效果。參與檢查的專家一致 同意在近年來打開檢查的凝結器中，這個采用 EST 處理、不用化學藥劑處理的冷凝器列管，比以往用 化學藥劑處理的冷凝器狀態差不多，甚至更好。到 場的每個人都同意這個凝結器列管的表面沒有水 垢，腐蝕和微生物得到了和化學藥劑一樣好的控制。

這兩張照片是冷凝器的管板和列管的照片攝 于 05 年 4 月 4 日。這個使用了 8 年的熱交換器的 銅管非常清潔，沒有軟的或者硬的垢。同時用光學 顯微鏡檢查了管子的內表面，發現熱交換器幾英尺 深處也很清潔。銅管上沒有腐蝕的跡象。一些管板和列管末端發現了節結（腐蝕斑），但是和用化學 藥劑的結果比較，滲透深度是的。
雖然在第一次通過的列管內壁存在極少數的 可見的粘滑的污染物，但是第二次通過的列管和端 板上沒有任何生物膜污染。而且，沖洗管子排出的 水是非常干凈的，而且其中沒有任何可能存在于管 子內壁的明顯的碎片、水垢或者粘土。
在與良好化學藥劑維護實現的防腐、阻垢和微 生物控制相當或者超出原有結果的同時，紀念醫院 運用 EST 技術之后獲得了下述收益：（1）冷卻塔濃 水排放量每年減少 740,000 加侖（2,800m3/年）；（2） 在此 15 個月期間，絕對沒有購買任何水處理化學 藥劑， 操作工沒有處置和暴露于化學品中，不用 添加藥劑、控制添加量、濃水排放或者回收藥劑以 免影響環境；（3）無需退還裝載化學的儲罐了；（4） 無需保留冷卻水使用的化學品的“材料安全數據 表”（MSDS）了；（5）測試化學殘留量的次數大大 減少了。

4.3 EST 減少冷卻塔濃水排放
EST 從 2003 年 12 月 20 日投入運行，從 04 年 1 月到 8 月是研究 EST 的化學性能，所以濃水排放 量和使用化學藥劑時一樣。從 04 年 9 月中旬開始， EST 沖洗（濃水排放通過沖洗的次數來控制）次數 從每天 12 次降到每天 4 次。與此同時，從 9 月開 始日平均濃水排放量明顯下降。 2003 年的 10 個數 據平均結果，使用化學藥劑處理的日平均濃水排放 量為 2,580 加侖。而經過優化后的 EST 系統，從 04 年 9 月到 05 年 3 月的日平均濃水排放量為 528 加 侖。
因此日平均濃水排放量減少了 2,052 加侖。這 就等于說一年節省的濃水排放水量為 749,000 加侖 （2,835m3/年）。 當然這也是節約的新鮮補充水的 量 2,835m3/年。更為重要的是，安裝 EST 后排放的 水，經過簡單沉淀后，我們用于綠化和清潔，也相 當于每天另外節約 528 加侖的新鮮水。
紀念醫院冷卻塔日平均濃水排放量（GPD） 0 1000 2000 3000 4000 5000 Mar-03 May Jul Sep Nov Jan-04 Mar May Jul Sep Nov Jan-05 Mar 日平均排污量 EST 水處理減少的濃水排放量 圖表中給出的是兩年內每個月的日平均濃水 排放量。前 10 個數據是 2003 年的，代表當時用的 是化學水處理藥劑。中間缺失的三個數據是 2004 年早期安裝 EST 之后，新的流量計還沒有裝上。隨 后 2004 年和 2005 年的數據是 EST 運行后的濃水排 放量。
2004 年 9 月開始減少 EST 的清洗次數，排 放量大幅度下降。 冷卻塔日平均濃水排放量(gpd) 與補水電導率的關系 0 1000 2000 3000 4000 5000 Mar-03 May Jul Sep Nov Jan-04 Mar May Jul Sep Nov Jan-05 Mar 日平均排污量 補水平均電導率 X 10 自來水電導率對化學藥劑水處理濃水排放量的影響，而 EST 不受影響 180 本圖可以看出日平均濃水排放量（藍色）隨自 來水月平均電導率（紫色）變化的趨勢。
2003 年冷 卻塔采用的是化學藥劑處理。注意到濃水排放量是 隨電導率增加而增加的，雖然 2003 年 7 月和 8 月 兩個月例外，這期間熱交換器熱負荷非常高。注意 到后面的 7 個藍色的點（2004 年 9 月之后）和電導 率是相對一致的，這些點代表了優化后的 EST 濃水 排放量。 安裝 EST 之前，采用的化學藥劑處理， 冷卻 塔的濃水排放量用電導率儀自動控制。設定的排放 電導率為 1200-1500 uS。因此，當自來水的電導率 增加時，濃水排放量也會增加。通過水表的讀數計 算的濃縮倍率從 5（2003 年 3 月，電導率為 226uS） 到 16（2003 年 9 月份的平均電導率只有 103uS）。 和化學藥劑處理不同，EST 的濃水排放量由時 間控制，所以濃水排放量完全獨立于自來水的電導 率。因為每次沖洗用的水量基本上一樣（紀念醫院 的沖洗量約為 100 加侖），所以改變沖洗次數就改 變了濃水排放量。
計算濃縮倍率（濃縮倍率=蒸發量/排污量+1） 0 10 20 30 40 50 60 Mar-03May Jul Sep Nov Jan-04Mar May Jul Sep Nov Jan-05Mar 濃縮倍率 濃縮倍率 減少濃水排放量對濃縮倍率的影響 濃縮倍率顯示了自來水中的礦物質經過冷卻 塔蒸發（蒸發掉的只有水）之后被濃縮的程度。 像前面提到的，2003 年采用化學藥劑處理期間 的計算濃縮倍率相對比較低，只有 5~16 之間。2004 年 9 月中旬 EST 控制的濃水排放量減少之后，計算 濃縮倍率急劇增加。實際上，2004 年 9 月和 10 月 的計算 EST 濃縮倍率比 2003 年同期高出了 3 倍。 而且，在 04 年 9 月 16 日到 19 日期間基于硫酸根 分析得出冷卻塔的濃縮倍率為 54。這個 54 倍的濃 縮倍率與水表實際測量出來的同期月平均結果非 常接近。
因為冷卻塔補加水和濃水排放量都有水表測 量，而且醫院也提供了歷史數據，所以這里的濃縮 倍率通過這個公式計算：濃縮倍率 = (蒸發量 / 濃 縮排放量) +1。這個簡化的公式沒有把風吹飄灑損 失的量計算在內，但是目前新型高效率的冷卻塔飄 灑帶走的水量很少。 在過去，一個高負荷的冷卻塔的濃縮倍率無法 達到 20 倍的濃縮倍率，主要就因為飄灑。然而， 現在，紀念醫院三座馬力（Marley）NC 系列的冷 卻塔的飄灑只有循環量的 0.02%。事實上，結合較 好地運行冷卻塔，使其在低于額定的循環流量下運 行，還能夠進一步減少飄灑的量。另外，塔頂的風 扇不到高溫時候不開啟，通過人工到塔頂檢查 極少的飄灑脫離系統。
4.4 EST 對多種離子去除效果的影響
從化學的角度，對于任何選定的離子或者離子 集團，濃縮倍率都有下面的共識決定：冷卻塔冷卻 水濃度/補加水濃度。因此，如果冷卻水中的硫酸根 濃度為 600ppm，補加水中為 20ppm，濃縮倍率就 是 30。就正常情況來說，用化學藥劑處理的目標是 讓所有的物質都處于溶解狀態，因此大多數離子的 濃縮倍率應該相同。
181 水質分析顯示了對結垢離子的去除 例子 電導率 pH P-堿度 M-堿度 (CO3) 鈣離子 鎂離子 Silica SO4 Cl- 自來水 197 7.8 0 48 38 22 8 26 14 冷卻水 2422 8.6 36 320 273 299 73 622 300 倍率 13 7 7 14 10 24 23 上面分析的每一個數據都是 05 年 1 月 6 日到 05 年 3 月 17 日期間六組樣品的平均結果。測試結 果又分成 3 組，每組用不同的色系標示。紅色代表 去除效率，橙色代表去除效率處于第二位，藍 色和綠色代表去除效率最低。 碳酸鈣(CaCO3)在 EST 陰極形成預沉淀效果最 明顯，重碳酸鹽和碳酸鹽堿度測試結果為總堿度， 用甲基橙堿度標示；因為在陰極附近的高 pH 環境 下這兩種物質的溶解性最差，鈣和堿度濃度受影響 的程度最大。
像表中較低的濃縮倍率，是因為 EST 預沉淀和去除了很大一部分自來水中的鈣和堿度。 第二，象在冷石灰軟化工藝中一樣，鎂和硅在 陰極附近的堿性條件下也被預沉淀出來。盡管他們 的去除效率只有鈣的一半，但是降低的比例還是相 當穩定的。
電導率濃縮倍率降低原因在于總的離子 濃度的降低。這也和冷石灰軟化工藝中的化學反應 情況類似。 電解去除離子的另外一種方式是將氯離子轉 變成氯氣，然后當冷卻水流經冷卻塔時飄散掉。這 種去除離子的形式比硬度預沉淀去除的效果要低 很多，但是，這種降低依然是顯而易見的。然而， 毋容置疑的，循環水中余氯的含量實際上一直為 0.05~0.1ppm。 如上表所示，離子分析測試的結果，硫酸根濃 縮倍率。這里沒有考慮水的溫度和其它因素。 因此，因為硫酸根測試容易，所以用來實際檢測估 計濃縮倍率。
4.5 EST 對腐蝕的控制
雖然緩蝕劑可以和 EST 聯合使用，紀念醫院 也進行了多項努力，來評估不加藥劑的結果。直至 報告之日，還沒有發現明顯的腐蝕現象。然而，如 果嚴格控制腐蝕是紀念醫院的一個目標，緩蝕劑也 可以使用。 和標準的堿性化學處理程序一樣，EST 制造的 含碳酸鈣的堿性冷卻循環水的腐蝕性很低。在 2005 年 1 月 6 日到 3 月 17 日期間的 LSI 計算結果平均 為+2.0，參見表格“水質分析顯示了對結垢離子的 去除”。在 2004 年 10 月，LSI 達到了一個點， +2.4，然而在 2005 年 2 月中旬又到達一個低谷， +1.6。下表列出了腐蝕率，結合相應的平均 LSI 值， 可以看出低碳鋼在低 LSI 值情況下表現出比較高的 腐蝕傾向。 LSI 和腐蝕掛片分析 進水/出水 暴露時間（天） 平均 LSI 低碳鋼 銅 鍍鋅管 11/9/04 至 12/9/04 30 +2.25 1.8 mpy 0.25 mpy 12/9/04 至 1/6/05 28 +1.85 2.3 mpy 0.23 mpy 1/6/05 至 3/17/05 70 +1.85 2.6 mpy 0.58 mpy 年平均腐蝕速率 2.2 mpy 0.24 mpy 0.58 mpy 和工業標準的腐蝕速率比較（低碳鋼
4.6 EST 對微生物的控制
電解對水垢的影響已經做了清楚的描述。與此 同時，陰極和陽極的化學反應，配合特別的流量設 計，反復地將暴露于破壞性的環境中（反應室 內陰極附近強堿性環境和陽極強氧化性環境），每 次流經反應室就會暴露在極高和極低的 pH、電擊、 和其它幾種氧化消毒環境之中。 ? 暴露 EST 環境 10 次/天 EST 以旁流的方式安裝，也就是說，大約 110gpm 的冷卻水取出來經過 EST 處理后再回到系 統中去。旁流量設計時基于系統中所有的冷卻水每 天經過 EST 系統至少 10 次。因此，同樣地，每個 來自空氣中或者水中懸浮物里的，都會在 24 小時之內經過苛刻的 EST 環境大約 10 次。 ? pH 微生物對多種突然的環境變化很敏感。其中一 個尤其敏感的參數是 pH 值（水的酸度或者堿度變 化）。實際上，水的 pH 值哪怕簡單地改變很少幾個 單位，就能夠事實上消除某些微生物的生長。
如前文討論的，陽極附近會形成高濃度的氫氧 根，從而在反應室內壁附近造成極高的堿性環境， pH 值達到 13。相反，在陽極附近，一直維持著低 pH 的酸性環境。 因此，寄生在冷卻水懸浮物上面的適應了 輕微弱堿性環境，pH 值在 8.5 到 9.0 之間。這個 pH 值是使用 EST 處理冷卻循環水時控制的范圍。于 是，因為冷卻水切向進入和離開反應室，不斷地循 環就會反復將置于低 pH 值區和高 pH 值區。 結果就是每次通過反應室時都經歷了多次變 化的 pH 值環境。 ? 暴露在電流中 EST 在反應室中維持大約 7.5 安培 30 伏特的直 流電流。因此，每次經過反應室時都會暴露在 7.5 安培的電流中。
? 產生氯氣、臭氧和氧自由基 由于陰極發生的化學反應，少量的氯離子轉化 成游離氯，因此循環水中余氯維持一個較小的濃 度，約 0.1ppm。這個余氯，就像向水中添加漂白粉 一樣，通過氧化作用殺死。同時，在陰極還產 生了臭氧和氧自由基，這兩個氧化性物質，和氯類 似，具有殺生劑的作用。
4.7 軍團菌檢測結果
在 05 年 3 月 8 日取水樣（經過一夜）送到 Pittsburg, PA 的獨立實驗室進行軍團菌檢測。檢測 報告結果是所送樣品軍團菌檢測結果顯陰性或者 樣品中沒有檢出軍團菌。
4.8 EST 處理系統可靠性觀察
類似 2005 年 4 月 6 日的情況，醫院冷卻塔系 統的運行狀況比得上以前用化學水處理時的結果。 在正常的操作參數下，冷凝器的可實現溫度保持得 很好。 在安裝 EST 情況下，即使循環量比建議的低， 系統的運行參數看起來都很好。2005 年 1 月 18 日， EST 進水管到上安裝了流量計，那的流量只有 45gpm，可是建議的流量卻是~110gpm。2005 年 2 月 2 日，改造管道后，流量增加到 120gpm。從那 天起，冷卻塔填料一直很干凈，而且冷卻塔池滯流 區看起來更好了。
5 結論
中央空調冷卻循環水處理是維護中央空調系 統正常運行的一項重要工作。合理的水處理技術不 僅能夠充分中央空調系統效率，同時也能節省 系統運行成本，延長設備使用壽命。美國紀念醫院 的經驗證明，EST 是一項綠色的中央空調冷卻循環 水處理新技術，在維護系統正常運行的前提下，節 約新鮮水，降低微生物風險，減少維護費用等方面， 與傳統的化學藥劑處理比較來說，是冷卻水處理領 域的一項進步。
EST控制允許的日平均排放量從化學藥劑處理 時的 2580gpd 降低到 582gpd。這相當于每年節省科 羅拉多泉城自來水 740,000gpy。節省自來水消耗的 同時，系統的效率沒有明顯的損失，冷卻器的列管 看起來很干凈，而且沒有水垢。節省水的同時，實 現了不向環境中排放任何化學藥劑。減少濃水排放 的結果，濃縮倍率從使用化學藥劑時的 16 倍，增 加到使用 EST 時的 60 倍。而且濃縮倍率增加 沒有造成工作效率明顯的變化。自來水經常性的電 導率波動，導致了化學藥劑處理時的不可忽略的水 量消耗。用 EST 控制之后，這種消耗得到了根除。
低碳鋼的腐蝕率測試結果，平均腐蝕率略微高 于 2 mpy。這里，這個腐蝕率是可以接受的，但是 如果必要的話，還能夠通過機械的或者化學的方法 加以改善。閑置期增加冷凝器循環水的流量，會使 得熱交換器的腐蝕節結降到。雖然銅質掛片試 驗分析結果顯示平均腐蝕率為 0.24 mpy，熱交換器 列管看起來非常好。如果需要進一步控制腐蝕，可 以配合加極微量的緩蝕劑。 微生物得到很好的控制，基本沒有生物粘泥污 染的問題。同時軍團菌檢測結果表明，軍團菌在使 用 EST 之后，不用任何其它化學藥劑的情況下，也 得到了很好的控制。