王 琪，邱 琴，岳 鹏，车承丹

（1.上海建科检验有限公司，上海 201108；2.上海轻工业研究所有限公司， 上海 201108）

在工业用水中，冷却水占比 70%～80%。大型民用建筑大多装有中央空调，而绝大多数中央空调须使用冷却水。2019年我国中央空调整体行业规模或已逼近千亿元，被广泛应用于办公楼、酒店、购物中心等商业场所及学校、博物馆、轨道交通等市政场所。可以看出，冷却水作为我国关键耗水环节，具有很大的节水潜力。循环冷却水是减少冷却水最有效的措施。

循环冷却水系统是以水作为冷却介质，并循环使用的给水系统。按冷却介质接触方式分为间冷和直冷，按散热方式分为开式和闭式。闭式不暴露于空气中，水量损失小。开式水的再冷却过程中与空气接触，因此部分水蒸发吹散损失掉，各种离子含量被浓缩增加。循环冷却水若处理不当，会造成以下后果。① 导致冷却水低浓缩倍数排放，浪费水资源。② 滋生军团菌等致病菌，危害公共卫生健康。③ 含化学药剂的排放水直接进入雨水管道，污染水环境。

1 循环冷却水系统节水指标

1.1 浓缩倍数

开式循环冷却水系统如图1所示。由图1可知，在其中循环水量（Q）损失的水量包括以下4种情况：以水蒸气蒸发掉的蒸发损失量E；随着水蒸气携带未被截留下来的风吹损失量D；根据循环水质要求，需强制排放的高浓度污水，即强制排污量B；循环管道中渗漏水量F。

图1 开式循环冷却水系统示意图

为保持循环水量不变，则需加入补充水量Q'=E+D+B+F。当冷却塔系统运行正常且收水效果较好时，渗漏水量及风吹损失水量可忽略不计，则循环冷却水系统水量平衡式如式（1）所示。

循环冷却水盐度平衡如式（2）所示。

式中：CQ'—补充水盐浓度；

CQ—循环水盐浓度，一般认为排水水质与浓缩循环水水质相同。

浓缩倍数指的是在循环冷却水中，由蒸发而浓缩的物质含量与补充水中同一物质含量的比值，或指补充水量与排污水量的比值。其为开式循环冷却水系统的关键节水参数。可表示为浓缩倍数（N）=Q'（补充水量）/B（排污量）=CQ（浓缩后循环水水质）/CQ'（补充水浓度）。

1.2 浓缩倍数对节水效果的影响

补充水量、排污水量与浓缩倍数的关系见式（3）～式（6）。

式中：k—蒸发损失系数；

Q—循环水量，m3/h；

△t—温差，K。

补充水量、排污水量与浓缩倍数的关系如图2所示。

图2 补充水量、排污水量与浓缩倍数的关系

根据浓缩倍数与补充后水量之间的关系，浓缩倍数越高，补充水量越少，排污水量越少越节水，补充水量与排污水量之间始终相差蒸发量。当浓缩倍数达到6之后，补充水量趋于平缓。GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》条文说明 3.1.11 中列出了不同浓缩倍数系统的补充水量与排水量。当浓缩倍数从3倍提高到7倍时，补充水量可下降了 22%。由此可见，提高浓缩倍数是降低补充水用量、实现循环冷却水节水的重要途径。

2 循环冷却水处理常用方法

目前，对循环冷却水的处理方法主要是化学药剂法及其他有物理处理法、臭氧处理法等。

化学药剂法顾名思义是向循环冷却水系统中投加药剂。针对水处理中的结垢、腐蚀及微生物问题，投加的药剂包括阻垢剂、缓蚀剂、杀生剂或复合药剂等。该方法历史最久，也是最为普遍的处理方法，发展进程大致可分为两个阶段。第一阶段是单纯防止碳酸钙结垢阶段，第二阶段是综合处理污垢、腐蚀和菌藻。到目前为止，积累了较为成熟的使用经验，处理效果趋于稳定，可根据气候环境、供水水质及工艺设计调节药剂的投加量，浓缩倍数可达到 3～5，运行费用适中，常用于大型工业循环冷却水的处理。

物理水处理法是通过改变水分子结构或水分子的电子结构，达到水处理的目的，包括磁化法和静电法[1]。磁化法是将冷却水通过永久磁场形成磁化水，产生的晶体不形成水垢，而是可定期排除的粉末状物。阻垢效果较好，但处理效果不稳定，不能起到缓蚀、杀菌灭藻功能。在应用过程中需辅以旁滤、缓蚀及杀生的处理内容。静电法通过静电场作用，改变水分子结构，减少结构形成机会；另外在静电场下产生活性氧以破坏微生物细胞，同时产生致密的氧化膜，起到缓蚀的作用，被广泛应用于小型循环水处理系统中。

臭氧处理法是利用臭氧作为唯一的水处理剂，替代其他化学药剂处理循环冷却水，可以在较高的浓缩倍数下同时达到缓蚀、阻垢、杀菌灭藻的目的，且臭氧处理循环冷却水不存在任何环境污染、不增加水中的含盐量。控制臭氧投加浓度是臭氧处理法的关键，浓缩倍数可以达到 5～8。其主要工艺流程如图3所示。

图3 臭氧处理工艺流程

3 现有标准要求

我国针对循环冷却水现行有效的标准主要有3个，但各标准适用的范围有差异，节水指标的要求、测试方法、计算方法不一致。

（1）GB/T 50050—2017 《工业循环冷却水处理设计规范》针对工业领域循环冷却水处理设计，重点突出了节水、节能和保护环境。标准要求间冷开式系统的设计浓缩倍数不宜 ＜ 5.0，且不应 ＜ 3.0。浓缩倍数的计算方式如式（7）所示。

（2）GB/T 31329—2014《循环冷却水节水技术规范》针对间冷开式循环冷却水系统，采用化学处理技术，提出在保证系统安全、节能的前提下，提高循环冷却水的浓缩倍数。要求当采用地表水、地下水或海水淡化水为补充水水源时，浓缩倍数应 ≥ 5，当采用再生水作为补充水水源时，浓缩倍数应 ≥ 3。浓缩倍数的计算方式如式（8）所示。

此外，也可采用在系统中相对稳定的其他离子。当采用化学处理技术时，提高浓缩倍数的方法为水质软化、脱盐或部分脱盐、加酸处理技术。

（3）GB/T 32107—2015《臭氧处理循环冷却水技术规范》针对间冷开式循环冷却水系统，采用臭氧处理技术的工艺设计（含臭氧水注入方式），水中臭氧浓度、臭氧发生装置设计，但未规定采用臭氧处理时的浓缩倍数。

4 浓缩倍数的计算及检测方法

浓缩倍数的计算方法一般有3种。第1种方法中，浓缩倍数=补充水量/(排污水量+风吹损失水量)。由于补充水量、排污水量及风吹损失水量难以实时监测，因此该方法多用于设计阶段。第2种方法采用稳定离子的浓度与补充水中该离子浓度的比值表示，选用的离子浓度不受结垢、加热等条件影响。常用稳定离子法包括 Cl-、Ca2+、Na+、K+测定。其中，Cl-有人为添加的因素，因此用 Cl-表示浓缩倍数的浓缩倍数会偏高。一般来说，Ca2+是结垢因素，循环水在运行过程中或多或少会出现结垢现象，尤其在高浓缩倍数的情况下，因此用 Ca2+测定出来的浓缩倍数会偏低[2]。K+在水中的溶解度相当大，在运行过程中不会析出，同时补充水的 K+也基本稳定[3]，因此用 K+测定出来的浓缩倍数较准确，使用也较为广泛。如 GB/T 31329—2014 中循环冷却水浓缩倍数采用 K+质量浓度计算。第3种方法为电导率计算。电导率在线监测技术可实时获得数据，设备稳定可靠，应用广泛，电导率计算浓缩倍数最为简便，一般电导率的浓缩倍数比最大浓缩倍数低。

在某轨交车站的 A 1～A4站点采用臭氧处理技术，B 1～B5站点采用加药处理技术，采用电导率计算出平均浓缩倍数如表1所示。

表1 不同处理方法浓缩倍数指标对比

如表1所示，以循环冷却水和补充水的电导率计算出的臭氧处理浓缩倍数达到 6.7～7.5，远高于化学加药处理浓缩倍数的 2.7～3.4。由此可见，使用臭氧技术处理循环冷却水节水效果显著。臭氧处理循环冷却水技术是以臭氧为唯一药剂投加，臭氧可自行分解不残留。该技术虽不改变冷却水的蒸发和漂移量，但是不使用其他化学药剂，可降低循环处理水中颗粒物和残余化学试剂的总负荷，能够提高循环水的浓缩倍数，减少排水量和补充水量。

近年工程应用项目中应用臭氧处理技术，不同测试方法计算出的浓缩倍数如表2所示。

表2 不同测试计算方法浓缩倍数对比

电导率所得的浓缩倍数为 6.3～15.6。K、Na、Cl 计算所得的浓缩倍数比较接近，为 9.1～37.4，约为电导率所得的浓缩倍数的 1.4～2.4 倍。

5 结语

（1）浓缩倍数是重要的节水指标。随着浓缩倍数的增加，补充水量、排污水量不断减少，越少越节水；当浓缩倍数达到6之后，补充水量趋于平缓。提高浓缩倍数是降低补充水用量、实现循环冷却水节水的重要途径。因此，现有标准的修订及新标准的制定应重点关注节水，增加节水性能指标—浓缩倍数。

（2）目前循环冷却水的处理大多采用化学药剂法，同时臭氧处理技术、物理水处理等方法在小型中型循环冷却水系统中示范应用的效果良好。目前针对新兴方法的节水指标尚无明确要求，因此，应以发展的眼光综合考虑现有的处理技术，对现行标准进行修订，或针对新兴处理技术制定标准，明确节水指标要求。

（3）浓缩倍数的测试及计算方法多样，但结果差异性较大。现有标准中未明确指标要求与对应的计算方法，可操作性不强。因此建议针对新型处理方法，进一步研究不同计算方法的浓缩倍数指标要求，并给定可操作性的测试方法，制定标准。