余 玨 ， 賈 淑 榮

（1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)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(jì)［2］，軌道交通工程是能耗大戶(hù)，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占總能耗的40 %，而空調(diào)水系統(tǒng)在空調(diào)季的能耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的70 %左右，是站級(jí)能耗的重中之重，因此，保障水系統(tǒng)始終運(yùn)行在高效工作狀態(tài)是空調(diào)系統(tǒng)降低能耗的主要方式之一。然而，對(duì)地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響因素研究主要集中在設(shè)備變頻、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制等方面［1，3］，冷卻水系統(tǒng)的水處理方式對(duì)系統(tǒng)能耗的影響往往被忽視。

當(dāng)前，絕大多數(shù)城市軌道交通車(chē)站空調(diào)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(chǎng)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(shè)置加藥口進(jìn)行人工加藥。實(shí)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(jī)組冷凝器換熱銅管、冷卻水管路等依然存在大量的結(jié)垢、淤泥，嚴(yán)重影響系統(tǒng)能效。

因此，本文對(duì)蘇州某地鐵車(chē)站冷卻水系統(tǒng)采用一種物理化學(xué)與加藥方式相結(jié)合的新型智能水處理方式（簡(jiǎn)稱(chēng)“一體化水處理器”）進(jìn)行實(shí)例研究，分析其除垢、殺菌、降耗的功效，也為后續(xù)地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)冷卻水處理方案提供有效借鑒。

1 地鐵車(chē)站空調(diào)冷卻水處理存在的問(wèn)題

水處理器是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中一個(gè)投資費(fèi)用小，但對(duì)系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行至關(guān)重要的設(shè)備。本節(jié)從實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、運(yùn)維三個(gè)階段分析其存在的問(wèn)題。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)不明確

設(shè)計(jì)圖紙或設(shè)備需求書(shū)中僅對(duì)水處理器的電源、工作壓力、適應(yīng)水質(zhì)、除垢率、殺菌率、滅藻率、耐腐蝕性提出簡(jiǎn)要要求，對(duì)影響結(jié)垢的鈣鎂離子濃度、氯離子濃度、酸堿度、導(dǎo)電率等具體參數(shù)未提出明確的指標(biāo)，導(dǎo)致設(shè)備采購(gòu)時(shí)質(zhì)量無(wú)法控制，實(shí)際使用的水處理器除垢效果較差。

水處理設(shè)備的加藥功能未做要求，有加藥要求的對(duì)藥劑類(lèi)型、配置比例、與城市的水質(zhì)的匹配性也無(wú)明確指標(biāo)。這為后期水處理器采購(gòu)和實(shí)際作用埋下隱憂(yōu)。

1.2 設(shè)備采購(gòu)質(zhì)量把控不嚴(yán)

施工單位采購(gòu)時(shí)往往以經(jīng)濟(jì)利益為第一要素，水處理器設(shè)備只要滿(mǎn)足基本的功能要求即可，對(duì)設(shè)計(jì)要求的匹配性不進(jìn)行嚴(yán)格考量

1.3 運(yùn)營(yíng)維護(hù)不到位

對(duì)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(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水處理器的運(yùn)營(yíng)維護(hù)基本沒(méi)有重視，有的甚至因?yàn)樗幚砥鞯某笟⒕Ч?、排污水量大、阻力大等因素關(guān)閉。

這些城市絕大多數(shù)水處理設(shè)備都是單一物理性或電化學(xué)除垢設(shè)備，沒(méi)有加藥功能，藥劑都是直接從冷卻塔積水盤(pán)投入，或者運(yùn)營(yíng)加裝加藥設(shè)施，但對(duì)藥劑的類(lèi)型、比例、與水質(zhì)是否匹配均未進(jìn)行科學(xué)分析，這也是車(chē)站空調(diào)冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻管等結(jié)垢嚴(yán)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(chē)站試點(diǎn)新型的一體化水處理設(shè)備來(lái)加強(qiáng)除垢、殺菌、滅藻功能，效果良好。

圖1 一體化水處理設(shè)備實(shí)際運(yùn)行圖

2 一體化水處理器簡(jiǎn)介

2.1 一體化水處理器組成

一體化水處理器由電化學(xué)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(xiàn)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)、云平臺(tái)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了防腐緩蝕、防垢除垢、殺菌滅藻、自動(dòng)清垢排污、電導(dǎo)率檢測(cè)、自動(dòng)排污、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)加藥等功能全覆蓋，附加設(shè)備全自動(dòng)在線(xiàn)清潔功能、遠(yuǎn)程智慧運(yùn)維功能，具有高效節(jié)能、減少排污、綠色環(huán)保、智慧運(yùn)維等特點(diǎn)。

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

2.3 一體化水處理器原理

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

由旁流型電化學(xué)水處理裝置產(chǎn)生高頻電流，通過(guò)收集器的陽(yáng)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(lái)水中溶有鹽類(lèi)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(lái)的鈣、鎂離子吸附于網(wǎng)狀收集裝置的陰極，并形成結(jié)晶，定期將它清除，從而降低水中鈣、鎂離子的含量，達(dá)到阻垢、軟化水質(zhì)的目的。

智能加藥設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)循環(huán)水的電導(dǎo)率，超標(biāo)立刻強(qiáng)制排水，保證水質(zhì)穩(wěn)定，定期化驗(yàn)、檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)水質(zhì)的變化情況，針對(duì)水質(zhì)變化及時(shí)進(jìn)行加藥量及強(qiáng)制排水量的調(diào)整，做到節(jié)水節(jié)藥節(jié)電的效果。

3 一體化水處理器應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 工程簡(jiǎn)介

蘇州某地鐵車(chē)站為地下二層島式站臺(tái)車(chē)站，于2017年4月建成通車(chē)。冷水機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)制冷量均為579.6 kW的螺桿式冷水機(jī)組。冷凍水泵、冷卻水泵、大系統(tǒng)空調(diào)設(shè)備均變頻運(yùn)行。水系統(tǒng)設(shè)置有節(jié)能控制系統(tǒng)，一臺(tái)全程式冷卻水處理器。

2018年7月，本站實(shí)測(cè)冷水機(jī)房綜合能效COP僅為3.7，主機(jī)實(shí)測(cè)COP約為5.47，能效偏低。2021年7月智能高效空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造正式上線(xiàn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)，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(cè)冷水機(jī)房綜合能效COP為5.17，主機(jī)平均COP為6.2。

3.2 水處理應(yīng)用效果分析

冷卻水處理效果直接影響冷水機(jī)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(shuō)明冷凝器換熱效率高，冷凝器未結(jié)垢；小溫差越大說(shuō)明冷凝器換熱效率低，冷凝器結(jié)垢越嚴(yán)重，冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗高。因此，水處理器應(yīng)用效果主要對(duì)水質(zhì)、主機(jī)冷凝器的小溫差、能耗、COP值進(jìn)行分析

（1）水質(zhì)分析

2021年7月一體化水處理設(shè)備正式投入運(yùn)行，在此之前從車(chē)站冷卻塔積水盤(pán)水質(zhì)取樣1次，投入運(yùn)行后水質(zhì)取樣6次，前后水質(zhì)結(jié)果如下表所示。

表1 一體化水處理設(shè)備投入運(yùn)行前后水質(zhì)變化情況對(duì)比

由上表可知，一體化水處理器運(yùn)行前水質(zhì)除PH值外，其他成分均超標(biāo)，很容易在水管及設(shè)備管壁上結(jié)垢；一體化水處理器運(yùn)行后水質(zhì)立馬有明顯的改善，隨著連續(xù)運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，除總硬度外，其他參數(shù)均有效控制在標(biāo)準(zhǔn)值以下，9月水質(zhì)趨于穩(wěn)定，說(shuō)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(gè)空調(diào)季)實(shí)測(cè)冷水機(jī)組冷凝器小溫差為3.76 ℃-5.02 ℃，2021年全程式水處理運(yùn)行基本處于關(guān)閉狀態(tài)，小溫差值會(huì)更大。一體化水處理器運(yùn)行后2臺(tái)冷水機(jī)組的冷凝器器小溫差值分別如圖所示。

圖2 1號(hào)冷水機(jī)組小溫差趨勢(shì)圖

圖3 2號(hào)冷水機(jī)組小溫差趨勢(shì)圖

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

（3）冷水機(jī)組COP分析

2018年（第二個(gè)空調(diào)季）實(shí)測(cè)冷水機(jī)組逐時(shí)平均COP為5.31，低于主機(jī)出廠(chǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)用戶(hù)工況的COP值6.103；2021年節(jié)能改造采用一體化水處理器運(yùn)行后冷水機(jī)組的逐時(shí)平均COP為6.025，與主機(jī)出廠(chǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)用戶(hù)工況COP值基本相當(dāng)，說(shuō)明排除風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)的因素，一體化水處理器對(duì)改善主機(jī)的運(yùn)行能效有較大的作用。具體結(jié)果分別如下圖所示。

圖4 一體化水處理設(shè)備使用前主機(jī)COP值

圖5 一體化水處理設(shè)備使用后主機(jī)COP值

3.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）社會(huì)效益分析

一體化水處理器的水質(zhì)綜合檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)字顯示，從根本上解決了因水質(zhì)情況復(fù)雜而傳統(tǒng)水處理技術(shù)能耗浪費(fèi)嚴(yán)重、排污量大、致病菌藻滋生、人工維護(hù)繁瑣的技術(shù)問(wèn)題；解決了地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水處理點(diǎn)多分散、管理效率低、管控難到位的管理機(jī)制問(wèn)題。

一體化水處理器是一種清潔無(wú)污染、可智能運(yùn)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(chǎng)所周邊環(huán)境，促進(jìn)城市治理的現(xiàn)代化發(fā)展，促進(jìn)智慧城市的建設(shè)與管理。

（2）經(jīng)濟(jì)效益分析

當(dāng)水質(zhì)惡化超標(biāo)時(shí)，可聲光報(bào)警并自動(dòng)排污調(diào)解水質(zhì)，設(shè)備運(yùn)行靈活、方便、無(wú)需人員監(jiān)守，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)水質(zhì)調(diào)節(jié)達(dá)到延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命、降低電耗、水耗、人工數(shù)量、運(yùn)維費(fèi)用的效果。

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

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上表說(shuō)明，常規(guī)水處理技術(shù)全生命周期的投資運(yùn)營(yíng)年費(fèi)用為13500元?年-1，20年全壽命周期運(yùn)維支出費(fèi)用為270000元。一體化水處理設(shè)備投資運(yùn)營(yíng)年費(fèi)用相對(duì)節(jié)省2650元?年-1，節(jié)省年電費(fèi)17040元（電價(jià)按1元?kWh-1計(jì)算），全壽命周期凈節(jié)省費(fèi)用支出123800元。由此向一整條線(xiàn)路甚至是線(xiàn)網(wǎng)所有地鐵車(chē)站推廣應(yīng)用具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的、重大的經(jīng)濟(jì)意義。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)城市軌道交通車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)冷卻處理設(shè)備在設(shè)計(jì)、采購(gòu)和運(yùn)維3個(gè)階段存在的弊病進(jìn)行分析研究，以蘇州某地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)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(shè)備自動(dòng)在線(xiàn)清潔、水質(zhì)智能監(jiān)測(cè)及自動(dòng)加藥等功能于一體的一體化水處理設(shè)備進(jìn)行冷卻水水質(zhì)處理。經(jīng)一個(gè)完整空調(diào)季的應(yīng)用，該水處理設(shè)備除垢、殺菌、滅藻效果明顯，水質(zhì)明顯改善，主機(jī)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(jī)COP大幅提高，運(yùn)行能耗降低8 %左右，并已在蘇州新建地鐵車(chē)站全面推廣應(yīng)用。

然而，新型設(shè)備一個(gè)空調(diào)季的效果對(duì)全生命周期的應(yīng)用分析具有較大局限性，針對(duì)地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)冷卻水處理方式仍需重視和解決的問(wèn)題提出以下建議：

（1）設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)地鐵車(chē)站所在地的水質(zhì)情況及既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站水系統(tǒng)的運(yùn)維情況提出針對(duì)性的解決方案，并且提升思想上的認(rèn)識(shí)，尤其是水處理器這類(lèi)小設(shè)備大功效的設(shè)備。

（2）設(shè)備采購(gòu)階段，設(shè)備需求書(shū)編制時(shí)應(yīng)針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分市場(chǎng)調(diào)研，深入了解各類(lèi)設(shè)備的功效后，對(duì)設(shè)備性能參數(shù)提出詳細(xì)的指標(biāo)要求，有意識(shí)的排除一些質(zhì)量差的產(chǎn)品，避免采購(gòu)時(shí)以經(jīng)濟(jì)性為唯一指標(biāo)。

（3）運(yùn)維階段應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求、廠(chǎng)家運(yùn)維要求執(zhí)行，尤其是藥劑與水質(zhì)的匹配性、用量、加藥頻次應(yīng)有足夠的重視。