一種新型冷卻水處理方式在地鐵車站空調系統(tǒng)中的應用研究

余 玨 ， 賈 淑 榮

（1. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州，510000，2. 北京潔禹通環(huán)?？萍加邢薰?，北京，100000）

據(jù)統(tǒng)計［2］，軌道交通工程是能耗大戶，其中通風空調系統(tǒng)能耗占總能耗的40 %，而空調水系統(tǒng)在空調季的能耗占空調系統(tǒng)總能耗的70 %左右，是站級能耗的重中之重，因此，保障水系統(tǒng)始終運行在高效工作狀態(tài)是空調系統(tǒng)降低能耗的主要方式之一。然而，對地鐵車站空調系統(tǒng)運行能耗的影響因素研究主要集中在設備變頻、風水聯(lián)動控制等方面［1，3］，冷卻水系統(tǒng)的水處理方式對系統(tǒng)能耗的影響往往被忽視。

當前，絕大多數(shù)城市軌道交通車站空調冷卻水系統(tǒng)采用全程式水處理器或旁流式水處理器，基本原理為采用磁場吸附水體中的鈣鎂離子的物理法除垢［4］，且不具備加藥功能，需要額外設置加藥口進行人工加藥。實例證明該種方法除垢效果不理想，排污用水量大，不能有效殺菌、滅藻，冷水機組冷凝器換熱銅管、冷卻水管路等依然存在大量的結垢、淤泥，嚴重影響系統(tǒng)能效。

因此，本文對蘇州某地鐵車站冷卻水系統(tǒng)采用一種物理化學與加藥方式相結合的新型智能水處理方式（簡稱“一體化水處理器”）進行實例研究，分析其除垢、殺菌、降耗的功效，也為后續(xù)地鐵車站空調系統(tǒng)冷卻水處理方案提供有效借鑒。

1 地鐵車站空調冷卻水處理存在的問題

水處理器是整個空調系統(tǒng)中一個投資費用小，但對系統(tǒng)高效節(jié)能運行至關重要的設備。本節(jié)從實際工程的設計、采購、運維三個階段分析其存在的問題。

1.1 設計參數(shù)指標不明確

設計圖紙或設備需求書中僅對水處理器的電源、工作壓力、適應水質、除垢率、殺菌率、滅藻率、耐腐蝕性提出簡要要求，對影響結垢的鈣鎂離子濃度、氯離子濃度、酸堿度、導電率等具體參數(shù)未提出明確的指標，導致設備采購時質量無法控制，實際使用的水處理器除垢效果較差。

水處理設備的加藥功能未做要求，有加藥要求的對藥劑類型、配置比例、與城市的水質的匹配性也無明確指標。這為后期水處理器采購和實際作用埋下隱憂。

1.2 設備采購質量把控不嚴

施工單位采購時往往以經(jīng)濟利益為第一要素，水處理器設備只要滿足基本的功能要求即可，對設計要求的匹配性不進行嚴格考量

1.3 運營維護不到位

對廣州、上海、南京、重慶、蘇州等城市軌道交通冷卻水處理器使用情況進行調研發(fā)現(xiàn)，水處理器的運營維護基本沒有重視，有的甚至因為水處理器的除垢殺菌效果差、排污水量大、阻力大等因素關閉。

這些城市絕大多數(shù)水處理設備都是單一物理性或電化學除垢設備，沒有加藥功能，藥劑都是直接從冷卻塔積水盤投入，或者運營加裝加藥設施，但對藥劑的類型、比例、與水質是否匹配均未進行科學分析，這也是車站空調冷水機組、冷卻塔、冷卻管等結垢嚴重、能效低的重要原因。

基于上述三方面的弊病，作者提出在蘇州某地鐵車站試點新型的一體化水處理設備來加強除垢、殺菌、滅藻功能，效果良好。

圖1 一體化水處理設備實際運行圖

2 一體化水處理器簡介

2.1 一體化水處理器組成

一體化水處理器由電化學水處理器主體、單筒單泵智能加藥單元、電極組件、電源模塊、在線水質監(jiān)控系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)、云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

2.2 一體化水處理器功能

一體化水處理器實現(xiàn)了防腐緩蝕、防垢除垢、殺菌滅藻、自動清垢排污、電導率檢測、自動排污、自動反沖洗、自動加藥等功能全覆蓋，附加設備全自動在線清潔功能、遠程智慧運維功能，具有高效節(jié)能、減少排污、綠色環(huán)保、智慧運維等特點。

解決了傳統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)水處理設備各功能相互獨立，功能匹配性不足，智能化不高等問題。

2.3 一體化水處理器原理

一體化水處理器工作時，使水體產生電氣分解，將水的活性氧元素及部分氫元素分開，在水中產生一定量的活性氧自由基，O2-、 OH-、H2O2等，它可破壞生物細胞的離子通道，改變細菌、藻類的生存環(huán)境，因而具有很強的殺菌、抑藻效力。

由旁流型電化學水處理裝置產生高頻電流，通過收集器的陽極和陰極電極作用于水中，使水分子的物理特性發(fā)生變化，原來水中溶有鹽類離子的大分子水裂變出活性小分子水，利用特殊金屬材料做的收集裝置，使水中裂變出來的鈣、鎂離子吸附于網(wǎng)狀收集裝置的陰極，并形成結晶，定期將它清除，從而降低水中鈣、鎂離子的含量，達到阻垢、軟化水質的目的。

智能加藥設備在運行過程中，在線監(jiān)測循環(huán)水的電導率，超標立刻強制排水，保證水質穩(wěn)定，定期化驗、檢測系統(tǒng)運行時水質的變化情況，針對水質變化及時進行加藥量及強制排水量的調整，做到節(jié)水節(jié)藥節(jié)電的效果。

3 一體化水處理器應用實例分析

3.1 工程簡介

蘇州某地鐵車站為地下二層島式站臺車站，于2017年4月建成通車。冷水機房內設置2臺制冷量均為579.6 kW的螺桿式冷水機組。冷凍水泵、冷卻水泵、大系統(tǒng)空調設備均變頻運行。水系統(tǒng)設置有節(jié)能控制系統(tǒng)，一臺全程式冷卻水處理器。

2018年7月，本站實測冷水機房綜合能效COP僅為3.7，主機實測COP約為5.47，能效偏低。2021年7月智能高效空調系統(tǒng)節(jié)能改造正式上線運行，實現(xiàn)風水聯(lián)動，全程式水處理器改為旁流式一體化水處理器。經(jīng)第三方檢測冷水機房綜合能效COP為5.17，主機平均COP為6.2。

3.2 水處理應用效果分析

冷卻水處理效果直接影響冷水機組冷凝器銅管換熱效率。冷凝器銅管換熱效率的高低又集中體現(xiàn)在冷凝器出水溫度與冷凝溫度差值（即小溫差）上，小溫差越小說明冷凝器換熱效率高，冷凝器未結垢；小溫差越大說明冷凝器換熱效率低，冷凝器結垢越嚴重，冷水機組的運行能耗高。因此，水處理器應用效果主要對水質、主機冷凝器的小溫差、能耗、COP值進行分析

（1）水質分析

2021年7月一體化水處理設備正式投入運行，在此之前從車站冷卻塔積水盤水質取樣1次，投入運行后水質取樣6次，前后水質結果如下表所示。

表1 一體化水處理設備投入運行前后水質變化情況對比

由上表可知，一體化水處理器運行前水質除PH值外，其他成分均超標，很容易在水管及設備管壁上結垢；一體化水處理器運行后水質立馬有明顯的改善，隨著連續(xù)運行時間增長，除總硬度外，其他參數(shù)均有效控制在標準值以下，9月水質趨于穩(wěn)定，說明一體化水處理器除垢、殺菌、滅藻效果極佳。

（2）小溫差分析

2018年(第二個空調季)實測冷水機組冷凝器小溫差為3.76 ℃-5.02 ℃，2021年全程式水處理運行基本處于關閉狀態(tài)，小溫差值會更大。一體化水處理器運行后2臺冷水機組的冷凝器器小溫差值分別如圖所示。

圖2 1號冷水機組小溫差趨勢圖

圖3 2號冷水機組小溫差趨勢圖

由上圖可知，更換一體化水處理器后，1號主機的冷凝器小溫差平均值為1.9 ℃，2號主機的冷凝器小溫差平均值為2.67 ℃，相對于2018年全程式水處理器時的小溫差平均減小了2.13 ℃。按每減小1 ℃小溫差冷水機組能耗降低3 %估算，冷水機組共節(jié)約了6.39 %能耗。

（3）冷水機組COP分析

2018年（第二個空調季）實測冷水機組逐時平均COP為5.31，低于主機出廠時對應用戶工況的COP值6.103；2021年節(jié)能改造采用一體化水處理器運行后冷水機組的逐時平均COP為6.025，與主機出廠時對應用戶工況COP值基本相當，說明排除風水聯(lián)動節(jié)能控制系統(tǒng)的因素，一體化水處理器對改善主機的運行能效有較大的作用。具體結果分別如下圖所示。

圖4 一體化水處理設備使用前主機COP值

圖5 一體化水處理設備使用后主機COP值

3.3 社會經(jīng)濟效益分析

（1）社會效益分析

一體化水處理器的水質綜合檢測系統(tǒng)對水質進行連續(xù)監(jiān)測、數(shù)字顯示，從根本上解決了因水質情況復雜而傳統(tǒng)水處理技術能耗浪費嚴重、排污量大、致病菌藻滋生、人工維護繁瑣的技術問題；解決了地鐵車站空調系統(tǒng)循環(huán)水處理點多分散、管理效率低、管控難到位的管理機制問題。

一體化水處理器是一種清潔無污染、可智能運維的節(jié)能-環(huán)保-智慧型水處理系統(tǒng)。有助于優(yōu)化城市軌道交通公共場所周邊環(huán)境，促進城市治理的現(xiàn)代化發(fā)展，促進智慧城市的建設與管理。

（2）經(jīng)濟效益分析

當水質惡化超標時，可聲光報警并自動排污調解水質，設備運行靈活、方便、無需人員監(jiān)守，最終實現(xiàn)通過水質調節(jié)達到延長系統(tǒng)使用壽命、降低電耗、水耗、人工數(shù)量、運維費用的效果。

從本站實際運行情況分析一體化水處理器全生命周期的經(jīng)濟效益，如下表所示。

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上表說明，常規(guī)水處理技術全生命周期的投資運營年費用為13500元?年-1，20年全壽命周期運維支出費用為270000元。一體化水處理設備投資運營年費用相對節(jié)省2650元?年-1，節(jié)省年電費17040元（電價按1元?kWh-1計算），全壽命周期凈節(jié)省費用支出123800元。由此向一整條線路甚至是線網(wǎng)所有地鐵車站推廣應用具有長遠的、重大的經(jīng)濟意義。

4 結論與建議

本文通過對城市軌道交通車站空調系統(tǒng)冷卻處理設備在設計、采購和運維3個階段存在的弊病進行分析研究，以蘇州某地鐵車站空調系統(tǒng)節(jié)能改造項目為依托，提出了采用集高效去除循環(huán)水中防垢除垢、緩解腐蝕、殺菌滅藻，設備自動在線清潔、水質智能監(jiān)測及自動加藥等功能于一體的一體化水處理設備進行冷卻水水質處理。經(jīng)一個完整空調季的應用，該水處理設備除垢、殺菌、滅藻效果明顯，水質明顯改善，主機冷凝器小溫差從原先5 ℃降低到2 ℃左右，換熱性能顯著提升，主機COP大幅提高，運行能耗降低8 %左右，并已在蘇州新建地鐵車站全面推廣應用。

然而，新型設備一個空調季的效果對全生命周期的應用分析具有較大局限性，針對地鐵車站空調系統(tǒng)冷卻水處理方式仍需重視和解決的問題提出以下建議：

（1）設計階段應根據(jù)地鐵車站所在地的水質情況及既有運營車站水系統(tǒng)的運維情況提出針對性的解決方案，并且提升思想上的認識，尤其是水處理器這類小設備大功效的設備。

（2）設備采購階段，設備需求書編制時應針對設計方案進行充分市場調研，深入了解各類設備的功效后，對設備性能參數(shù)提出詳細的指標要求，有意識的排除一些質量差的產品，避免采購時以經(jīng)濟性為唯一指標。

（3）運維階段應嚴格按照設計要求、廠家運維要求執(zhí)行，尤其是藥劑與水質的匹配性、用量、加藥頻次應有足夠的重視。