中央空调系统通过冷冻水循环、制冷剂循环和 冷却水循环，不断将建筑物内的热量传递到自然界 中，而获得舒适的空间环境（图 1）。冷却水 x 系统 多为开放式系统，冷却水通过在冷却塔中蒸发飘逸 到大气中而将热量散发到周围环境中。
中央空调水系统的用水通常分为两类，即未经 过任何处理的自来水和软化水。由于冷却水用水量 大，一般都补充自来水。水中对设备产生影响的主 要因素为硬度、碱度、微生物、pH 值、Cl- 、氧含 量等。自来水因地区不同而水质变化较大，在水的 循环过程中，硬度和碱度不断被浓缩，是造成结垢 的主要因素，而 Cl- 、低 pH、溶解氧、生物粘泥是 造成腐蚀的罪魁祸首。
按照我国有关规范，冷冻水要求补充软化水。 而对于软化水而言，失去了结垢性离子 Ca2+、Mg2+ 等，没有结垢问题，同样设备也失去了保护性结垢 层，其腐蚀性增强，从而加重了腐蚀穿孔现象。这 个规范要求是否合理，有关部门正在论证。
同时冷却塔又是微生物和藻类滋生的场所，合 适的温度、充分的氧气和养分、充足的日照，过度 滋生的微生物进入循环水系统，造成系统堵塞和腐 蚀，不仅增加了额外的运行费用，同时也缩短了设 备的使用寿命。
1 冷却循环水系统中存在的问题及危害
1.1 水垢问题 悬浮物和生物膜及水垢混合在一起，在热交换 器列管表面形成沉积物，从而降低了冷凝器的热交换效率。研究表面，1mm 水垢就能造成空调机组效 率下降 45%。

热交换器上 0.25mm 厚的污垢或者结垢层，将 降低热交换效率，增加能耗 10%。下式可以用来计 算一个冷却循环水系统一年的能耗成本：
冷却系统吨位×吨水电耗×负载系数×每年 工作时间×每度电成本=每年能耗成本
例如，400 冷吨×0.65kw/冷吨×0.7 负载系数 ×2500 小时/年×0.6 元/kwh=27.3 万元/年
如果热交换器上的污垢厚度为 0.25mm，运行 一年的电费将增加 2.73 万元。
而且，冷却系统本身产生颗粒物，例如腐蚀产 物、无机物沉淀（铁的氧化物、硬度盐类等等）、 微生物宿主、有机化合物的聚集体和其它的物质， 会加速腐蚀和腐蚀物的形成。
1.2 生物粘泥 今天每一个冷却塔系统都会考虑不断增长的 生物粘泥问题。ASHRAE 导则 12-2000 中说道，冷 却塔系统最基本的处理建议是控制和防治生物粘 泥，而且指出控制生物粘泥的最简单的成功方法是 保持系统清洁。ASHRAE2000 年 9 月号（44-49 页） 中这样写道，“生物粘泥增长加剧的适宜条件包括 温度 77-108 华氏度，结垢问题存在，有沉淀物和生 物膜…通常情况下，在多种复杂的微生物群落中滋 生猖獗，因为他们需要从周围环境中获得养分和保 护。”显而易见，维持低含量的悬浮颗粒浓度，就 减少了生物粘泥生长的空间和养分。同时需要合适 的杀生程序提高生物粘泥的控制效率。
生物粘泥导致的热交换损失甚至大于无机水 垢造成的热交换损失。美国 CTI（冷却塔技术研究 所）的报告显示，生物膜（粘泥）的热传导率只有 碳酸钙垢的 1/5。



1.3 腐蚀问题 一种局部的腐蚀，通常发生在储罐和输水系统 中，有高活性的局部阳极电位引起的。 腐蚀是离 子浓度不对等或者氧浓度差异所致。 经常发现在 高温区、晶格缺陷处、切削部位、表面划痕或裂纹 处。 点蚀是金属损坏的最常见因素。 一个穿孔能 够毁掉一台关键的热交换器，从而能够导致整个工 厂停产。
菌会在生物膜深处氧稀缺的地方繁殖。一 些能够够代谢不锈钢中的碳、一些能够生 成硝酸、硫酸或者有机酸，从而加速腐蚀。菌 群下面潮湿的表面氧的消耗，会导致形成“微分通 风电池”，从而引起电流腐蚀。水系统中超过 70% 的腐蚀是由微生物加速或者导致的。微生物，象细 菌，在所有腐蚀方面比以前认为的作用更大。
1.4 军团菌问题 军团菌普遍存在于有水的环境中，军团菌本身 存活能力不强，冷冻与加热均能杀死该菌。它的存 活、繁殖温度条件为 20－58℃（最好 35－46℃）。为了防治冷却塔传播军团菌，许多国际或以疾病防 治中心名义，或以冷却水协会的名义发布了“冷却 塔防治军团菌守则（或指南）”。他们的共同点就是 要消除军团菌赖以生长的污垢、沉渣与粘泥，要求 每年（每季节）清洗填料，系统用化学杀菌。对于 疑有军团病发生的情况，则要求加强清洗杀菌工 作。由于清洗冷却塔及循环系统十分繁琐，费时费 工。检测军团菌的方法还不够灵敏、精确，所以至 今没有一个国家对冷却塔作出强制性操作规范。美 国和新加坡等则制定了冷却塔军团菌指导性文件。
冷却塔与空调系统是否有利于预防军团菌与 设备设计关系密切，一些不宜于机械清洗填料的冷 却塔应予以改造或更换。适宜于冷却塔杀菌的季铵 盐、唑啉酮类杀菌对于杀灭军团菌已被证实无效。 清理军团菌滋生的场所是防治军团菌的关键。
2 冷却循环水常用的处理方法
2.1 结垢控制 – 添加阻垢剂
冷却循环水系统中通常会沉积几种不同的水 垢，从而迫使要采取几种不同的控制方法：沉积抑 制剂控制目的是增溶剂预防水垢析出，也是晶体修 饰剂改变沉积物的自然状态而不会粘附在系统内 表面。分散剂和表面活性剂是荷电分子，它们吸附 悬浮固体颗粒，使它们相互排斥，使固体颗粒保持 在较小的颗粒状态。酸、磷酸盐和水溶性聚合物是 典型的无机垢抑制剂，冷却水中的钙硬度较高时结 垢控制尤其关键。
另外的方法就是将过饱和的沉积物从水中取 出一部分，这样就防止了沉积物的析出而实现阻垢 的目的。比如部分软化的方法或者电解除垢的方 法。
2.2 腐蚀控制 – 添加缓蚀剂 腐蚀是一个电化学过程，腐蚀就是金属从阳极 电位向阴极电位的电子转移过程中发生的氧化。阴 离子缓蚀剂减少阴极金属表面的可接触面积，阳离 子缓蚀剂则是减少可接触的阳极表面面积。有时候 同时需要这两种类型的缓蚀剂来抑制腐蚀。磷酸 盐、锌盐、钼酸盐和聚合硅酸盐是低碳钢的缓蚀剂， 而有机氮基复合物（偶氮化合物）则是铜质材料的 缓蚀剂。
或者是通过水中矿物质的特性，控制碳酸钙处 于过饱和的平衡状态，让少量的碳酸钙晶体析出在 设备和管道内表面，从而中断这个腐蚀的电化学过 程，达到控制腐蚀的目的。
2.3 微生物控制 – 添加杀菌灭藻剂 氧根自由基(OH•)、双氧水(H2O2)和次氯酸盐 （漂白剂，OCl- ）、以及氯气(Cl2)都是氧化剂，它们 能够杀死微生物。这几种化合物中，次氯酸钠处置 最容易，也更安全。一般用 13% 次氯酸钠溶液来 破坏微生物。双氧水是液体状态，皮肤接触后容易 引起烧伤。臭氧、双氧水和氢氧根自由基也可以用 来控制微生物滋生。所有这些物质都是强氧化剂。 典型的微生物抑制化合物包括氯和溴化合物，或者 臭氧，也包括几种有毒性的有机物，例如季铵盐、 甲醛、有机硫化物、溴基有机物等等。注：四氨基 化合物，与其说是杀菌剂，不如说是 抑菌剂（比 如，抑制微生物滋生，但是没有杀死微生物）。表 面活性剂也帮助杀菌剂减少生物膜。也可以通过电 解水本身产生上述氧化性杀菌物质，实现微生物控 制。
2.4 添加化学药剂处理中央空调冷却水存在 的问题 传统的化学药剂处理，就是使用标准的阻垢剂 和缓蚀剂，交互使用两种非氧化性杀生剂来控制微 生物污染。美国冷却塔研究所（CTI）建议交替使 用溴和氯来控制军团菌。这种处理技术对于中央空 调系统来说，主要存在的问题有（1）中央空调循 环水系统通常比较小，一般没有专业的水处理工程 师来管理，添加药剂不能根据补加水水质波动及时 调整，不能使得药剂发挥到最好水平；（2）持续的 剩余卤素的存在，导致管板上形成许多腐蚀结节； （3）在北方高硬度水质地区，使用化学药剂处理 技术，冷却水浓缩倍率一般较低，造成大量新鲜水 浪费；（4）化学药剂排入市政污水管网系统，造成 市政污水处理系统负荷增加。
3 冷却循环水电解水处理技术
3.1 电化学水处理方法
电化学水处理方法是以电化学的基本原理为 基础，利用电极反应及其相关过程，通过直接和间 接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等综合作用，对水中的硬度、重金属、悬浮物、胶体、 、藻类、色度、硝酸盐等污染物有效去除。由 于电化学无需向水中投加药剂、水质净化效率高、 无二次污染、使用方便、易于控制，在工业水处理、 生活污水处理和回用、饮用水净化等方面，表现出 巨大的发展潜力。
水（H2O）是最基本的电解质，液态的水可以 发生电离反应生成 H+ 和 OH- ：

在直流电流的作用于下，两极会发生化学反 应，这种过程称之为电解。电解是将电能转化成化 学能的过程。电解水处理过程中所发生的化学变化 与水中的化学组成、物质浓度、电极材料等因素密 切相关，两极上析出物质的量和通过的电量成正比。
在水处理中，针对具有不同化学组成的水质条 件，通过改变不同的电极材料、电极布置方式、反 应室结构、电极作用过程和催化氧化还原措施等， 可以获得不同的电解净水效果。
电解水处理的特点:
• 电解是在外部电流作用下一个电子导体 （特种金属制成的电极）和一个离子导体（水中的 电解质）之间发生的系列化学反应。
• 电解制造了一个氧化反应和还原反应分 别进行的环境。
• 电解过程可以控制和测量，从而可以精确 预知处理后水的水质。
• 不用任何化学药剂，因此没有污染。
• 环境友好。
• 处理效果不随被处理水的条件或组成而 发生变化。
• 被批准用于饮用水的处理。
3.2 EST 工作原理
EST 通过旁流处理的方式，取一定比例的冷却 循环水流过 EST 反应室，以便拿掉适当的矿物质和 杀死，然后回到冷却塔中。通过精确的分析测 试，通过 EST 的结垢矿物质含量得到了可以看得见 的降低。在 EST 中发生的这种实际的化学反应，区 别于任何一种其他的机械式和电磁式的处理方式。
通过电解，水中的矿物质在 EST 反应室内壁上 沉淀出来并通过机械装置去除，这就是 EST 的工作 原理。反应室中维持一定的工作电流。结果是，在 阴极（反应室内壁）附近形成高浓度的氢氧根，这 种升高的 pH 环境（pH 大约为 13），让易结垢的矿 物质预先结垢，并从水中析出。实际上，阴极附近 局部的高氢氧根浓度形成的化学环境，和用石灰处 理形成的冷石灰软化环境类似。冷石灰软化处理主 要用来给水去除钙、镁和硅。
与此同时，电流也将一小部分的氯离子转化成 游离氯，部分氢氧根氧化成微量臭氧。这两个产物 提供了杀生效应，结合安培电流及局部高的和低的 （阳极）pH 区域，维持了 EST 之外的一个事实的 消毒环境。
根据水蒸发浓缩过程中带来的水中碳酸钙饱 和指数（LSI）的变化，将碳酸钙控制在过饱和状 态，在管道和设备内壁形成很薄的一层保护层，从 而保护管道和设备不和冷却水中的溶解氧接触，防 止腐蚀现象的发生。同时，EST 可以除掉冷却水中 的铁、铜离子以及其他重金属离子，随排垢时一起 排出冷却循环系统之外，而这些离子是加速腐蚀的 罪魁祸首。
在反应室内壁（阴极）附近发生的主要化学反 应有：
2H2O (l) + 2e- → H2 (气) + 2OH- (aq)
碱性溶液中发生的反应（阴极附近）
CO2(aq)+ OH- (aq) → HCO3 - (aq)
HCO3 - (aq) + OH- (aq) → CO3 2-(aq) + H20(液)
Ca2+(aq) 钙离子可能形成
氢氧化钙: Ca(OH)2(垢)
碳酸钙: CaCO3(垢)
阳极附近发生的化学反应有：
生成氧气
4HO- → O2(g) + 2H20 + 4e-
游离氯 Cl- – e- → Cl0
氯气 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
臭氧 O2 + 2HO- – 2e- → O3(g) + H2O
自由基 OH- – e- → OH0
过氧化氢 2H2O – 2 e- → H2O2 + 2H+
氧自由基2H2O – 2e- → O0 + 2 H+



EST把部分水垢以固体形式在EST内部预先析 出排出冷却系统之外，冷却水的浓缩倍率可以做的 更高，从而节约大量的新鲜补充水。而且在整个电 解水处理过程中，无须添加任何化学药剂，EST 刮 垢和清洗的排放水除了水垢和固体杂质之外，没有危害成分，因此简单沉淀后可以用于景观绿化 或者清洗用水。当然也就不会向水体排放任何污染 物了，节省大量的化学药剂。因此，EST 技术成为 以色列环保部推荐的冷却水和高硬度水处理的绿 色水处理技术。
3.3 EST 工作过程
EST 周期性自动刮垢和排污。清洗周期和清洗 时间取决于每天要去除的矿物质以及从冷却塔中 排掉的水量，以维持冷却塔中水系统的化学和微生 物平衡。矿物质平衡通过分析监测冷却水的化学性 质来决定，从而在 PLC 上可以设置每天需要清洗的 次数。
清洗的第一步，进、出口阀门关闭，EST 底部 的排污阀门打开。刮刀在活塞的推动下在反应室内 自上而下运动，刮掉内壁软的预先沉淀出来的水 垢，并和冲洗水一起从底部排出。排污的时候，进 水阀门打开，以便冲洗排放区域。大约 90-120 秒钟 后，排污阀门关闭，刮刀回到反应室的顶部，出水 阀门打开，EST 重新工作。
4 美国科罗拉多医院中央空调冷 却循环水 EST 应用案例
4.1 采用 EST 后医院的冷却水管理目标
医院冷却水管理的最基本的目标是自身空调 系统的可靠性，在腐蚀的情况下维持热交换器 表面清洁，并且设备运行效率高，使用寿命长。
操作工人的安全性也是一个重要的因素，EST 让工人们避免了处理或 暴露在危险化学品中的风 险。在控制军团菌方面，EST 的控制能力被证 明非常有效。
环境督察是另外一个重要的区域管理目标。降 低水消耗已经成为工业和商业用户的一个关键目 标。因为 EST 除掉了一大部分水中的结垢矿物质， 真正浪费的浓水排放水量大大减少。与此同时，医 院管理部门也实现了尽可能节约每一加仑自来水 的目标。节约用水和清洁控制之间的平衡是正在寻 求的目标，特别是在补给水水质经常变动的情况 下。

4.2 冷凝器列管检查
EST 安装运行 15 个月后，2005 年 4 月医院组织 了专家评估 EST 的使用效果。参与检查的专家一致 同意在近年来打开检查的凝结器中，这个采用 EST 处理、不用化学药剂处理的冷凝器列管，比以往用 化学药剂处理的冷凝器状态差不多，甚至更好。到 场的每个人都同意这个凝结器列管的表面没有水 垢，腐蚀和微生物得到了和化学药剂一样好的控制。

这两张照片是冷凝器的管板和列管的照片摄 于 05 年 4 月 4 日。这个使用了 8 年的热交换器的 铜管非常清洁，没有软的或者硬的垢。同时用光学 显微镜检查了管子的内表面，发现热交换器几英尺 深处也很清洁。铜管上没有腐蚀的迹象。一些管板和列管末端发现了节结（腐蚀斑），但是和用化学 药剂的结果比较，渗透深度是的。
虽然在第一次通过的列管内壁存在极少数的 可见的粘滑的污染物，但是第二次通过的列管和端 板上没有任何生物膜污染。而且，冲洗管子排出的 水是非常干净的，而且其中没有任何可能存在于管 子内壁的明显的碎片、水垢或者粘土。
在与良好化学药剂维护实现的防腐、阻垢和微 生物控制相当或者超出原有结果的同时， 运用 EST 技术之后获得了下述收益：（1）冷却塔浓 水排放量每年减少 740,000 加仑（2,800m3/年）；（2） 在此 15 个月期间，绝对没有购买任何水处理化学 药剂， 操作工没有处置和暴露于化学品中，不用 添加药剂、控制添加量、浓水排放或者回收药剂以 免影响环境；（3）无需退还装载化学的储罐了；（4） 无需保留冷却水使用的化学品的“材料安全数据 表”（MSDS）了；（5）测试化学残留量的次数大大 减少了。
。
如前文讨论的，阳极附近会形成高浓度的氢氧 根，从而在反应室内壁附近造成极高的碱性环境， pH 值达到 13。相反，在阳极附近，一直维持着低 pH 的酸性环境。 因此，寄生在冷却水悬浮物上面的适应了 轻微弱碱性环境，pH 值在 8.5 到 9.0 之间。这个 pH 值是使用 EST 处理冷却循环水时控制的范围。于 是，因为冷却水切向进入和离开反应室，不断地循 环就会反复将置于低 pH 值区和高 pH 值区。 结果就是每次通过反应室时都经历了多次变 化的 pH 值环境。 • 暴露在电流中 EST 在反应室中维持大约 7.5 安培 30 伏特的直 流电流。因此，每次经过反应室时都会暴露在 7.5 安培的电流中。
• 产生氯气、臭氧和氧自由基 由于阴极发生的化学反应，少量的氯离子转化 成游离氯，因此循环水中余氯维持一个较小的浓 度，约 0.1ppm。这个余氯，就像向水中添加漂白粉 一样，通过氧化作用杀死。同时，在阴极还产 生了臭氧和氧自由基，这两个氧化性物质，和氯类 似，具有杀生剂的作用。
4.7 军团菌检测结果
在 05 年 3 月 8 日取水样（经过一夜）送到 Pittsburg, PA 的独立实验室进行军团菌检测。检测 报告结果是所送样品军团菌检测结果显阴性或者 样品中没有检出军团菌。
4.8 EST 处理系统可靠性观察
类似 2005 年 4 月 6 日的情况，医院冷却塔系 统的运行状况比得上以前用化学水处理时的结果。 在正常的操作参数下，冷凝器的可实现温度保持得 很好。 在安装 EST 情况下，即使循环量比建议的低， 系统的运行参数看起来都很好。2005 年 1 月 18 日， EST 进水管到上安装了流量计，那的流量只有 45gpm，可是建议的流量却是~110gpm。2005 年 2 月 2 日，改造管道后，流量增加到 120gpm。从那 天起，冷却塔填料一直很干净，而且冷却塔池滞流 区看起来更好了。
5 结论
中央空调冷却循环水处理是维护中央空调系 统正常运行的一项重要工作。合理的水处理技术不 仅能够充分中央空调系统效率，同时也能节省 系统运行成本，延长设备使用寿命。美国医院 的经验证明，EST 是一项绿色的中央空调冷却循环 水处理新技术，在维护系统正常运行的前提下，节 约新鲜水，降低微生物风险，减少维护费用等方面， 与传统的化学药剂处理比较来说，是冷却水处理领 域的一项进步。
EST控制允许的日平均排放量从化学药剂处理 时的 2580gpd 降低到 582gpd。这相当于每年节省科 罗拉多泉城自来水 740,000gpy。节省自来水消耗的 同时，系统的效率没有明显的损失，冷却器的列管 看起来很干净，而且没有水垢。节省水的同时，实 现了不向环境中排放任何化学药剂。减少浓水排放 的结果，浓缩倍率从使用化学药剂时的 16 倍，增 加到使用 EST 时的 60 倍。而且浓缩倍率增加 没有造成工作效率明显的变化。自来水经常性的电 导率波动，导致了化学药剂处理时的不可忽略的水 量消耗。用 EST 控制之后，这种消耗得到了根除。
低碳钢的腐蚀率测试结果，平均腐蚀率略微高 于 2 mpy。这里，这个腐蚀率是可以接受的，但是 如果必要的话，还能够通过机械的或者化学的方法 加以改善。闲置期增加冷凝器循环水的流量，会使 得热交换器的腐蚀节结降到。虽然铜质挂片试 验分析结果显示平均腐蚀率为 0.24 mpy，热交换器 列管看起来非常好。如果需要进一步控制腐蚀，可 以配合加极微量的缓蚀剂。 微生物得到很好的控制，基本没有生物粘泥污 染的问题。同时军团菌检测结果表明，军团菌在使 用 EST 之后，不用任何其它化学药剂的情况下，也 得到了很好的控制。