付 強 馮 煉 袁中原

地鐵車站變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析

付 強 馮 煉 袁中原

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

以重慶某地鐵車站為研究對象，采用EnergyPlus軟件建立地鐵車站的物理模型和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型，模擬了地鐵車站定風(fēng)量與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況。通過模擬結(jié)果分析，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗中，空調(diào)能耗約占全年能耗的60～70%，通風(fēng)能耗約占30～40%；變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年總能耗比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)約減少30%。

重慶地鐵；EnergyPlus；空調(diào)系統(tǒng)；能耗模擬

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的建設(shè)加快，城市常住及流動人口增加，城市機動車量不斷增多，城市規(guī)模不斷擴大，地鐵作為大規(guī)模的軌道交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)交通工具相比具有客運量大、快速便捷、安全等特點成為了城市交通運輸?shù)闹黧w[1]。地鐵環(huán)控系統(tǒng)由于運行時間長、運行功率大的特點成為了城市公共設(shè)施中的耗能大戶，根據(jù)對已有地鐵系統(tǒng)的運營數(shù)據(jù)分析得知，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗在總能耗中所占比重最大，通常為25%～35%，如果從用電量這方面考慮，這一比例更是高達(dá)60%～70%[2]。

總體來說，目前我國對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)研究工作較多，但是對于各地區(qū)、各類型的車站的實際用能情況目前尚欠缺系統(tǒng)的研究，缺少運營數(shù)據(jù)的支撐。我國幅員遼闊，氣候分區(qū)較多，每個地區(qū)的地鐵車站都有自身的能耗特點，同一節(jié)能措施在不同地區(qū)的節(jié)能效果不同，甚至?xí)?dǎo)致地鐵車站“費能”，因此地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗研究對降低地鐵運營成本，促進(jìn)地鐵長遠(yuǎn)健康發(fā)展有著重大意義。

1 重慶地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概況

重慶軌道交通6號線一期工程于2012年通車，全線長72.26km，線路一次跨越長江、兩次跨越嘉陵江，其中銅鑼山隧道和中梁山隧道長度分別為5630m和4316m，兩山地形陡峭，線路埋深大，最大埋深分別為340m和410m，另外紅土地站、光電園站、黃泥滂站、金山寺站以及北碚站埋深均超過40m，而目前國內(nèi)地鐵線路埋深多為30m以下，重慶軌道交通6號線多個車站連續(xù)埋深超過40m，這樣的情況在國內(nèi)是比較少見的[3]。

根據(jù)重慶的氣候和運力條件，重慶地鐵車站多采用屏蔽門系統(tǒng)方式控制車站內(nèi)部的環(huán)境，車站兩端設(shè)置軌排系統(tǒng)控制隧道區(qū)間的環(huán)境。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和隧道排風(fēng)系統(tǒng)[4]。

2 模型建立

2.1 地鐵車站物理模型建立

選取重慶6號線某典型地鐵車站為研究對象，該車站為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層；站廳層凈高4m，站臺層凈高4.5m。圖1為地鐵車站物理模型，該物理模型分為站廳層、站臺層，站廳層尺寸為80m×22m×4m，站臺層尺寸為120m×12m×4.5m。在建立物理模型的過程中進(jìn)行了一定程度的簡化：

（1）忽略廣告牌、閘機等附屬物，將站廳層、站臺層簡化為長方體；

（2）利用等面積原則將不規(guī)則的設(shè)備管理用房等效成長方體；

（3）屏蔽門簡化為絕熱壁面；

（4）屏蔽門漏風(fēng)量等效成滲透風(fēng)量[5]。

圖1 地鐵車站物理模型

2.2 室外氣象條件

重慶屬夏熱冬冷區(qū)，四季分明、無霜期長；空氣濕潤，降水豐沛；太陽輻射弱，日照時間短；多云霧，少霜雪；具有冬暖春早、夏熱秋涼的氣候特征。重慶年平均溫度為18℃。1月份氣溫最低，月平均氣溫為6℃～8℃，最低極限溫度為零下1.7℃。7月至8月份氣溫最高，多在27℃～38℃之間，最高極限氣溫可達(dá)41.9℃，重慶年平均相對濕度為80%，這些因素綜合作用形成了夏季高濕高熱的氣候特征。

2.3 室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》得到重慶地鐵室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)如下：

（1）室外設(shè)計參數(shù)：重慶夏季空調(diào)室外計算干球溫度為33.8℃，空調(diào)室外計算濕球溫度為31.5℃；夏季通風(fēng)室外計算干球溫度為28.6℃，冬季通風(fēng)室外計算干球溫度為7℃。

（2）室內(nèi)設(shè)計參數(shù)：夏季空調(diào)站廳干球溫度為30℃，站臺干球溫度為29℃，相對濕度均為60%；冬季站廳和站臺溫度不低于12℃。

2.4 熱擾設(shè)定

（1）照明及設(shè)備散熱量

地鐵車站公共區(qū)照明負(fù)荷指標(biāo)一般按照20W/m2計算[6]，設(shè)備負(fù)荷一般按設(shè)備功率確定，廣告牌大型720W/臺，小型320W/臺，指示牌100W/臺，售票機1200W/臺，閘機500W/臺[7]。

（2）客流量

根據(jù)重慶市地鐵6號線工程客流預(yù)測，車站設(shè)計客流量以遠(yuǎn)期客流量控制，預(yù)計晚高峰17：00～19：00的客流為：上客量4360.9人/h，下客量為4362.5人/h，超高峰系數(shù)按1.2計算，全日各時段客流密度系數(shù)如表1所示。

表1 全日各時段客流密度系數(shù)表

（3）其他熱擾

在屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站中，土壤傳熱作用對車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的影響很小，一般不需要計算車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土壤的熱交換。文獻(xiàn)[8]中計算了站廳和站臺的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱為-34kW，占大系統(tǒng)總負(fù)荷的7%不到。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散濕量，可通過單位面積的散濕量進(jìn)行計算，按照以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，車站側(cè)墻、頂板、底板的單位面積散濕量按1～2g/(m2?h)計算，區(qū)間隧道壁面按4g/(m2?h)進(jìn)行計算[9]。

由于出入口的存在，室外的熱空氣會滲透到站廳里來，但是這部分滲透風(fēng)量的大小難以確定，一般出入口滲透負(fù)荷取200W/m2，面積取出入口截面面積。

2.5 空調(diào)運行時間

地鐵車站的運營時段為周一至周日6:00～23:00，車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在運營時段開啟。

3 全年能耗模擬分析

3.1 全年運行模式

地鐵車站全年運行模式根據(jù)室外空氣溫度來劃分[10]，根據(jù)重慶市典型年的氣溫變化情況，將5月～9月劃分為空調(diào)季，共5個月，其余為非空調(diào)季，共7個月。

在空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運營時段正常運行，當(dāng)室外空氣焓值大于室內(nèi)回風(fēng)空氣焓值，新風(fēng)機開啟，空調(diào)為小新風(fēng)工況運行；當(dāng)室外空氣焓值小于等于室內(nèi)回風(fēng)空氣焓值，新風(fēng)機關(guān)閉，空調(diào)全新風(fēng)運行。在非空調(diào)季節(jié)，由于室外空氣溫度較低，地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)停止運行，進(jìn)入通風(fēng)運作模式，新風(fēng)不經(jīng)過冷卻處理直接送到車站控制區(qū)域，即通過全通風(fēng)方式來消除車站的余熱，根據(jù)規(guī)范要求，通風(fēng)量需要滿足每位乘客不少于30m3/h的新風(fēng)量，且站廳層、站臺層的換氣次數(shù)不小于5次/小時。

3.2 空調(diào)季節(jié)能耗分析

模擬整個空調(diào)季節(jié)，地鐵車站公共區(qū)定風(fēng)量與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的能耗如圖2所示。由圖2可以看出，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的能耗組成包括：冷水機組能耗、風(fēng)機能耗、水泵能耗和冷卻塔能耗。

圖2 空調(diào)季節(jié)分項能耗

在空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量還是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)分項能耗中最大的都為冷水機組的能耗，分別為28.8萬kWh和25.6萬kWh，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的50%；其次是風(fēng)機能耗，分別為24.6萬kWh和14.1萬kWh，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的30%～40%；然后是水泵的能耗，分別為7.2萬kWh和6.5萬kWh，占比約為10%～15%；最后是冷卻塔的能耗，占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的5%。

在整個空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的總能耗分別為62.2萬kWh和47.7萬kWh，可見變風(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，空調(diào)季節(jié)能減少能耗14.5萬kWh，均月節(jié)能2.9萬kWh。

3.3 非空調(diào)季節(jié)能耗分析

非空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗僅為風(fēng)機能耗，定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)逐月能耗如圖3所示。

圖3 非空調(diào)季逐月能耗

由圖3可以看出，在非空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的逐月能耗基本不變，為4.9萬kWh；變風(fēng)量空調(diào)與定風(fēng)量相比，逐月能耗均有所下降，從10月開始地鐵車站進(jìn)入非空調(diào)季節(jié)，隨著室外空氣溫度的降低，逐月能耗逐漸降低，在次年2月達(dá)到最小值，隨后室外空氣溫度升高，逐月能耗又再次上升，在4月達(dá)到最大值。

在整個非空調(diào)季節(jié)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的總能耗分別為34.0萬kWh和17.0萬kWh，非空調(diào)季節(jié)共減少能耗17.0萬kWh，均月節(jié)能2.4萬kWh。

3.4 全年能耗分析

3.4.1空調(diào)能耗與通風(fēng)能耗

將地鐵車站公共區(qū)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)能耗與通風(fēng)能耗進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

圖4 全年總能耗對比

由圖4可以看出，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗為96.2萬kWh，其中通風(fēng)能耗和空調(diào)能耗分別為34.0萬kWh、62.2萬kWh；變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗為64.7萬kWh，其中通風(fēng)能耗和空調(diào)能耗分別為47.7萬kWh、17.0萬kWh。相比于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗減少31.5萬kWh，節(jié)能率約為32.7%。

無論是定風(fēng)量還是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)能耗占比約為60～70%，通風(fēng)能耗約為30～40%，可見空調(diào)能耗是節(jié)能的重點。

3.4.2全年分項能耗

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年分項能耗包括冷水機組能耗、風(fēng)機能耗、水泵能耗與冷卻塔能耗。由于水系統(tǒng)只在空調(diào)季節(jié)開啟，因此冷水機組、水泵和冷卻塔的全年能耗均為空調(diào)季節(jié)時能耗，而風(fēng)機一年四季均開啟，其全年能耗為空調(diào)季節(jié)與非空調(diào)季節(jié)能耗之和，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與變風(fēng)量全年分項能耗如圖5所示。

圖5 全年分項能耗對比

由圖5可以看出，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與定風(fēng)量相比，全年水泵和冷卻塔的能耗基本一致，分別為7.2萬kWh、1.7萬kWh；對于冷水機組能耗，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)略比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)少，分別為28.8萬kWh和25.6萬kWh；而對于風(fēng)機能耗則從58.6萬kWh減少到31.1萬kWh，減少能耗27.5萬kWh。

在全年各分項能耗中，風(fēng)機能耗占比最大，其次是冷水機組能耗，然后是水泵和冷卻塔的能耗，可見全年風(fēng)機的能耗較高，存在著巨大的節(jié)能潛力，采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能大大減少全年風(fēng)機能耗。

4 結(jié)論

本文對重慶某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)建立能耗數(shù)值模型，分析了定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年的能耗情況，得到的結(jié)論如下：

（1）地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗中，空調(diào)能耗約占全年能耗的60～70%，通風(fēng)能耗約占30～40%，空調(diào)能耗是節(jié)能的重點。

（2）在空調(diào)季節(jié)，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗包括冷水機組能耗、風(fēng)機能耗、水泵和冷卻塔的能耗，冷水機組能耗占比約為空調(diào)季節(jié)總能耗的50%，風(fēng)機能耗占比約為30%～40%，水泵能耗占比約為10%～15%，冷卻塔能耗占比約為5%。

（3）相比于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗約減少30%，說明無論是空調(diào)季節(jié)還是非空調(diào)季節(jié)，風(fēng)機實現(xiàn)變風(fēng)量運行能大大減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

[1] 李曦.地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗對比分析與研究[D].南昌:華東交通大學(xué),2014.

[2] 趙杰.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

[3] 張鯤.重慶軌道交通6號線一期工程深埋隧道活塞通風(fēng)設(shè)計分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2016,(2):149-152.

[4] 董書蕓.北方城市地鐵活塞風(fēng)對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律及其有效利用[D].天津:天津大學(xué),2008.

[5] 董書蕓.寒冷地區(qū)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,9(2):57-61.

[6] 高煌.淺談地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].山西建筑,2011,37(9):135-136.

[7] 齊江浩,趙蕾,王君,等.西安地鐵車站環(huán)境實測及公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷計算分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2016, 13(6):1206-1211.

[8] 郭永楨.屏蔽門系統(tǒng)車站環(huán)控大系統(tǒng)冷負(fù)荷分析計算[J].科技交流,2001,(4):65-72.

[9] 蔡珊瑜.地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的確定[J].城市軌道交通研究,2004,7(2):55-56.

[10] 徐波.地鐵安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)舒適性與能耗性研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

Simulation Analysis of Energy Consumption of VAV Air Conditioning System in Subway Station

Fu Qiang Feng Lian Yuan Zhongyuan

( School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper takes the Chongqing subway station as the research object, uses the EnergyPlus to establish the physical model of the subway station and the model of the ventilation and air conditioning system, and simulates the annual energy consumption of the constant air volume and the variable air volume air conditioning system of the subway station. Through the simulation results, the air conditioning energy consumption accounts for about 60～70% of the annual energy consumption in the ventilation and air conditioning system of the subway station, and the energy consumption of ventilation is about 30～40%, and the total energy consumption of the variable air volume air conditioning system is about 30% less than that of the constant air volume air conditioning system.

Chongqing subway station; EnergyPlus; Air conditioning system; Energy consumption simulation

1671-6612（2019）01-021-4

TU962

A

付 強（1993.02-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1172028353@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2018-04-13