一种新型冷却水处理方式在地铁车站空调系统中的应用研究

余 珏 ， 贾 淑 荣

（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广州，510000，2. 北京洁禹通环保科技有限公司，北京，100000）

据统计［2］，轨道交通工程是能耗大户，其中通风空调系统能耗占总能耗的40 %，而空调水系统在空调季的能耗占空调系统总能耗的70 %左右，是站级能耗的重中之重，因此，保障水系统始终运行在高效工作状态是空调系统降低能耗的主要方式之一。然而，对地铁车站空调系统运行能耗的影响因素研究主要集中在设备变频、风水联动控制等方面［1，3］，冷却水系统的水处理方式对系统能耗的影响往往被忽视。

当前，绝大多数城市轨道交通车站空调冷却水系统采用全程式水处理器或旁流式水处理器，基本原理为采用磁场吸附水体中的钙镁离子的物理法除垢［4］，且不具备加药功能，需要额外设置加药口进行人工加药。实例证明该种方法除垢效果不理想，排污用水量大，不能有效杀菌、灭藻，冷水机组冷凝器换热铜管、冷却水管路等依然存在大量的结垢、淤泥，严重影响系统能效。

因此，本文对苏州某地铁车站冷却水系统采用一种物理化学与加药方式相结合的新型智能水处理方式（简称“一体化水处理器”）进行实例研究，分析其除垢、杀菌、降耗的功效，也为后续地铁车站空调系统冷却水处理方案提供有效借鉴。

1 地铁车站空调冷却水处理存在的问题

水处理器是整个空调系统中一个投资费用小，但对系统高效节能运行至关重要的设备。本节从实际工程的设计、采购、运维三个阶段分析其存在的问题。

1.1 设计参数指标不明确

设计图纸或设备需求书中仅对水处理器的电源、工作压力、适应水质、除垢率、杀菌率、灭藻率、耐腐蚀性提出简要要求，对影响结垢的钙镁离子浓度、氯离子浓度、酸碱度、导电率等具体参数未提出明确的指标，导致设备采购时质量无法控制，实际使用的水处理器除垢效果较差。

水处理设备的加药功能未做要求，有加药要求的对药剂类型、配置比例、与城市的水质的匹配性也无明确指标。这为后期水处理器采购和实际作用埋下隐忧。

1.2 设备采购质量把控不严

施工单位采购时往往以经济利益为第一要素，水处理器设备只要满足基本的功能要求即可，对设计要求的匹配性不进行严格考量

1.3 运营维护不到位

对广州、上海、南京、重庆、苏州等城市轨道交通冷却水处理器使用情况进行调研发现，水处理器的运营维护基本没有重视，有的甚至因为水处理器的除垢杀菌效果差、排污水量大、阻力大等因素关闭。

这些城市绝大多数水处理设备都是单一物理性或电化学除垢设备，没有加药功能，药剂都是直接从冷却塔积水盘投入，或者运营加装加药设施，但对药剂的类型、比例、与水质是否匹配均未进行科学分析，这也是车站空调冷水机组、冷却塔、冷却管等结垢严重、能效低的重要原因。

基于上述三方面的弊病，作者提出在苏州某地铁车站试点新型的一体化水处理设备来加强除垢、杀菌、灭藻功能，效果良好。

图1 一体化水处理设备实际运行图

2 一体化水处理器简介

2.1 一体化水处理器组成

一体化水处理器由电化学水处理器主体、单筒单泵智能加药单元、电极组件、电源模块、在线水质监控系统、综合控制系统、云平台远程监控系统等组成。

2.2 一体化水处理器功能

一体化水处理器实现了防腐缓蚀、防垢除垢、杀菌灭藻、自动清垢排污、电导率检测、自动排污、自动反冲洗、自动加药等功能全覆盖，附加设备全自动在线清洁功能、远程智慧运维功能，具有高效节能、减少排污、绿色环保、智慧运维等特点。

解决了传统冷却水系统水处理设备各功能相互独立，功能匹配性不足，智能化不高等问题。

2.3 一体化水处理器原理

一体化水处理器工作时，使水体产生电气分解，将水的活性氧元素及部分氢元素分开，在水中产生一定量的活性氧自由基，O2-、 OH-、H2O2等，它可破坏生物细胞的离子通道，改变细菌、藻类的生存环境，因而具有很强的杀菌、抑藻效力。

由旁流型电化学水处理装置产生高频电流，通过收集器的阳极和阴极电极作用于水中，使水分子的物理特性发生变化，原来水中溶有盐类离子的大分子水裂变出活性小分子水，利用特殊金属材料做的收集装置，使水中裂变出来的钙、镁离子吸附于网状收集装置的阴极，并形成结晶，定期将它清除，从而降低水中钙、镁离子的含量，达到阻垢、软化水质的目的。

智能加药设备在运行过程中，在线监测循环水的电导率，超标立刻强制排水，保证水质稳定，定期化验、检测系统运行时水质的变化情况，针对水质变化及时进行加药量及强制排水量的调整，做到节水节药节电的效果。

3 一体化水处理器应用实例分析

3.1 工程简介

苏州某地铁车站为地下二层岛式站台车站，于2017年4月建成通车。冷水机房内设置2台制冷量均为579.6 kW的螺杆式冷水机组。冷冻水泵、冷却水泵、大系统空调设备均变频运行。水系统设置有节能控制系统，一台全程式冷却水处理器。

2018年7月，本站实测冷水机房综合能效COP仅为3.7，主机实测COP约为5.47，能效偏低。2021年7月智能高效空调系统节能改造正式上线运行，实现风水联动，全程式水处理器改为旁流式一体化水处理器。经第三方检测冷水机房综合能效COP为5.17，主机平均COP为6.2。

3.2 水处理应用效果分析

冷却水处理效果直接影响冷水机组冷凝器铜管换热效率。冷凝器铜管换热效率的高低又集中体现在冷凝器出水温度与冷凝温度差值（即小温差）上，小温差越小说明冷凝器换热效率高，冷凝器未结垢；小温差越大说明冷凝器换热效率低，冷凝器结垢越严重，冷水机组的运行能耗高。因此，水处理器应用效果主要对水质、主机冷凝器的小温差、能耗、COP值进行分析

（1）水质分析

2021年7月一体化水处理设备正式投入运行，在此之前从车站冷却塔积水盘水质取样1次，投入运行后水质取样6次，前后水质结果如下表所示。

表1 一体化水处理设备投入运行前后水质变化情况对比

由上表可知，一体化水处理器运行前水质除PH值外，其他成分均超标，很容易在水管及设备管壁上结垢；一体化水处理器运行后水质立马有明显的改善，随着连续运行时间增长，除总硬度外，其他参数均有效控制在标准值以下，9月水质趋于稳定，说明一体化水处理器除垢、杀菌、灭藻效果极佳。

（2）小温差分析

2018年(第二个空调季)实测冷水机组冷凝器小温差为3.76 ℃-5.02 ℃，2021年全程式水处理运行基本处于关闭状态，小温差值会更大。一体化水处理器运行后2台冷水机组的冷凝器器小温差值分别如图所示。

图2 1号冷水机组小温差趋势图

图3 2号冷水机组小温差趋势图

由上图可知，更换一体化水处理器后，1号主机的冷凝器小温差平均值为1.9 ℃，2号主机的冷凝器小温差平均值为2.67 ℃，相对于2018年全程式水处理器时的小温差平均减小了2.13 ℃。按每减小1 ℃小温差冷水机组能耗降低3 %估算，冷水机组共节约了6.39 %能耗。

（3）冷水机组COP分析

2018年（第二个空调季）实测冷水机组逐时平均COP为5.31，低于主机出厂时对应用户工况的COP值6.103；2021年节能改造采用一体化水处理器运行后冷水机组的逐时平均COP为6.025，与主机出厂时对应用户工况COP值基本相当，说明排除风水联动节能控制系统的因素，一体化水处理器对改善主机的运行能效有较大的作用。具体结果分别如下图所示。

图4 一体化水处理设备使用前主机COP值

图5 一体化水处理设备使用后主机COP值

3.3 社会经济效益分析

（1）社会效益分析

一体化水处理器的水质综合检测系统对水质进行连续监测、数字显示，从根本上解决了因水质情况复杂而传统水处理技术能耗浪费严重、排污量大、致病菌藻滋生、人工维护繁琐的技术问题；解决了地铁车站空调系统循环水处理点多分散、管理效率低、管控难到位的管理机制问题。

一体化水处理器是一种清洁无污染、可智能运维的节能-环保-智慧型水处理系统。有助于优化城市轨道交通公共场所周边环境，促进城市治理的现代化发展，促进智慧城市的建设与管理。

（2）经济效益分析

当水质恶化超标时，可声光报警并自动排污调解水质，设备运行灵活、方便、无需人员监守，最终实现通过水质调节达到延长系统使用寿命、降低电耗、水耗、人工数量、运维费用的效果。

从本站实际运行情况分析一体化水处理器全生命周期的经济效益，如下表所示。

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上表说明，常规水处理技术全生命周期的投资运营年费用为13500元•年-1，20年全寿命周期运维支出费用为270000元。一体化水处理设备投资运营年费用相对节省2650元•年-1，节省年电费17040元（电价按1元•kWh-1计算），全寿命周期净节省费用支出123800元。由此向一整条线路甚至是线网所有地铁车站推广应用具有长远的、重大的经济意义。

4 结论与建议

本文通过对城市轨道交通车站空调系统冷却处理设备在设计、采购和运维3个阶段存在的弊病进行分析研究，以苏州某地铁车站空调系统节能改造项目为依托，提出了采用集高效去除循环水中防垢除垢、缓解腐蚀、杀菌灭藻，设备自动在线清洁、水质智能监测及自动加药等功能于一体的一体化水处理设备进行冷却水水质处理。经一个完整空调季的应用，该水处理设备除垢、杀菌、灭藻效果明显，水质明显改善，主机冷凝器小温差从原先5 ℃降低到2 ℃左右，换热性能显著提升，主机COP大幅提高，运行能耗降低8 %左右，并已在苏州新建地铁车站全面推广应用。

然而，新型设备一个空调季的效果对全生命周期的应用分析具有较大局限性，针对地铁车站空调系统冷却水处理方式仍需重视和解决的问题提出以下建议：

（1）设计阶段应根据地铁车站所在地的水质情况及既有运营车站水系统的运维情况提出针对性的解决方案，并且提升思想上的认识，尤其是水处理器这类小设备大功效的设备。

（2）设备采购阶段，设备需求书编制时应针对设计方案进行充分市场调研，深入了解各类设备的功效后，对设备性能参数提出详细的指标要求，有意识的排除一些质量差的产品，避免采购时以经济性为唯一指标。

（3）运维阶段应严格按照设计要求、厂家运维要求执行，尤其是药剂与水质的匹配性、用量、加药频次应有足够的重视。