蔡珊瑜 高文佳

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,200092,上?！蔚谝蛔髡?高級工程師)

近年來,隨著我國經濟進入了新一輪快速增長期,各地都建設了一批綜合交通樞紐工程,如已建成的北京南站和目前正在新建的上海虹橋樞紐。這些大型綜合交通樞紐工程無一例外地將鐵路、城市地鐵、公路客運、道路公交等各種交通功能合理整合成一體,從而發(fā)揮其最大的交通功能,滿足當地經濟發(fā)展對交通的需要。結合長江三角洲地區(qū)的某個大型交通樞紐中的鐵路客站設計,針對車站的工程建造特點,通過對空調系統(tǒng)全年逐時運行工況的模擬預測分析,對空調系統(tǒng)冷熱源的組合形式從可實施性、經濟性、節(jié)能性、環(huán)保性等方面來進行分析和比選,得出合理方案,從而確定空調系統(tǒng)冷熱源形式的選用。

集中空調系統(tǒng)在建筑能耗中占很大比例,約為40%～50%,而其中冷熱源主機部分的所占運行能耗高達50%～60%[1]?？照{系統(tǒng)冷熱源形式的設計選用將直接影響車站的全年運行能耗。因此,對車站空調冷熱源設計方案的比選分析和合理選用,就顯得十分必要。

1 工程概況

本文所介紹的大型綜合城市交通樞紐采用“一心、兩軸、四區(qū)”的總體規(guī)劃格局。其核心區(qū)以鐵路客站為中心,在車站出站通廊下為地下三層島式地鐵車站,與鐵路站房呈十字交叉;國鐵出站通廊連接南北廣場;南北站場區(qū)域綜合了長途汽車站、道路公交車站、社會車場、出租車站的多種功能換乘交通體系,綜合形成了大型交通樞紐(見圖1、2)。本文中所研究的車站即為樞紐中心的鐵路站房部分。車站規(guī)模為14站臺面16線,旅客流線采用地上進站、高架候車、地下出站,樞紐車站設置南北站房,為高架線側站。站房南北跨度為180 m,東西長約230 m,總建筑面積約 62 500 m2。其2030遠景年車站高峰小時客流集散總量將達到15 750人次/h。

圖1 某交通樞紐總平面圖

根據站房功能要求,車站空調末端系統(tǒng)組成如下:高架候車區(qū)采用分層空調系統(tǒng),其他大空間區(qū)域以一次回風全空氣系統(tǒng)為主,辦公管理用房為空氣-水系統(tǒng),部分設備工藝用房采用變制冷劑流量系統(tǒng)。

圖2 某車站橫剖面圖

2 空調負荷特點及預測

工程所處地區(qū)在建筑熱工分區(qū)上屬于典型夏熱冬冷地區(qū)。最冷月平均溫度為 0～10℃,最熱月平均溫度在25～30℃;日平均氣溫≤5℃天數少于90 d,日平均氣溫≥25℃的天數在40～110 d之間。這個地區(qū)建筑物的空調負荷特點是冷負荷大于熱負荷。由于車站建筑為高大空間,建筑外立面材料通透性高,因此其圍護結構熱工性能差、蓄熱能力弱,自然通風及采光對室內溫濕度場影響度大,站房內客流的時段不平衡性強。這些特性使得室內冷負荷加大,同時也加大了冷熱負荷差異性。

由于南北站房建筑平面具有對稱性的特點,且南北站房的跨度長達近180 m,為了減少空調介質的輸送能耗,設計分析考慮在南北站房分別設置冷熱源中心。本文的比選僅以北站房作為目標。

在分析中利用 HDY-SMAD暖通空調負荷計算及分析軟件進行模擬計算預測。圖3、圖4為設計日逐時冷熱負荷數據。從圖中可見:北站房夏季設計日的逐時冷負荷最大綜合值為5 957.4 k W,出現(xiàn)在16:00;北站房冬季設計日的逐時熱負荷最大綜合值為3 575 k W,出現(xiàn)在6:00。

圖3 設計日逐時冷負荷

圖4 設計日逐時熱負荷

分析圖3、圖4的計算數據可見:該站房的冷熱負荷具有明顯的不均衡性,冬季空調負荷遠小于夏季冷負荷。經調研,長三角地區(qū)鐵路客站供冷季約為180 d,供熱季約為90 d;全年供冷平均日冷負荷約為設計日冷負荷的60%,全年供熱平均日熱負荷約為設計日熱負荷的 79%[2]。為此,計算分析得出:該鐵路客站的北站房全年空調總冷負荷約為10 367×103kWh,全年總熱負荷約為3 675×103k Wh?？梢钥闯?全年冷熱負荷差異極大,冷負荷占到全年負荷的74%,熱負荷只占到全年負荷的26%。

3 冷熱源方案

空調系統(tǒng)的冷熱源方式,應根據站房規(guī)模,結合當地能源結構及其價格政策、氣候特點、水文地質資料、環(huán)保要求等多方面比選分析后確定[3]。本工程所處地區(qū)的主要能源產品是電和天燃氣,項目周邊有可利用的熱電廠的余熱——飽和蒸汽(1.0 MPa,180℃)。

考慮到本工程地處典型的夏熱冬冷的氣候地區(qū),空調系統(tǒng)以供冷為主,但同時也需兼顧冬季供暖這一特點,經過初步比選分析,篩選出以下三種方案作進一步的比較。

3.1 方案一

夏季采用冷水機組+冷卻塔系統(tǒng)制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水換熱器制熱。

冷水機組可根據夏季最大冷負荷選型,宜配置大小機組,2臺大機組選用離心式,1臺小機組選用螺桿式。這種配置可以達到較高的COP值。一一對應配置冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔,并增加冷凍小泵、冷卻小泵備用泵各1臺,且2臺小泵亦可分別作為一臺大泵的備用。冬季制熱根據冬季最大熱負荷選型,配置2臺相同容量的汽水熱交換器,制備60℃空調熱水,對應配置3臺熱水泵。表1為方案 一的主要設備配置表。

表1 方案一主要設備配置表

3.2 方案二

夏季采用蒸汽雙效吸收式冷水機+冷卻塔系統(tǒng)制冷,冬季采用市政蒸汽+汽水換熱器制熱。

由于有可利用的蒸汽,故在考慮吸收式機組時本著優(yōu)先利用市政能源的原則,擬采用2臺蒸汽雙效型吸收式機組取代方案一中的2臺離心式冷水機組,夏季由這2臺蒸汽雙效型冷水機組與1臺螺桿式冷水機組共同制冷。冬季的制熱方式由于市政蒸汽的存在,為保證最高的能源利用率,故直接采用與方案一的相同方案,即利用市政蒸汽進行汽水換熱提供空調熱水。表2為方案二的主要設備配置表。

表2 方案二主要設備配置表

3.3 方案三

夏季采用地源熱泵+冷卻塔+冷水機組制冷,冬季采用地源熱泵制熱。

地源熱泵系統(tǒng)是以土壤或地下水、地表水為低溫熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的供熱空調系統(tǒng),根據地熱能交換系統(tǒng)形式的不同,分為地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵及地表水地源熱泵三種[4]。在本項目中,由于周邊無可利用的江湖等水域,也無可利用的地下水,故排除水源地源熱泵的可能性,僅分析地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

本項目中冷熱負荷差異極大,若只使用地源熱泵系統(tǒng),由于全年釋熱量和取熱量的極不平衡,若干年后土壤熱失衡的問題會越來越嚴重,導致系統(tǒng)不能正常運行,故需另設冷水機組系統(tǒng)來有效緩解土壤熱失衡問題。地源熱泵機組根據冬季最大熱負荷選型,宜配置2臺相同容量的地源熱泵主機,并對應配置用戶側循環(huán)水泵、土壤側循環(huán)水泵各2臺。夏季制冷工況時另行增配1臺離心式冷水機來補充不足部分的冷量,同時需配置冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔各1臺。夏季空調供冷,由冷水機組提供空調冷水,地源熱泵作為補充。冬季空調供熱,由地源熱泵提供空調熱水。表3為方案三的主要設備配置表。

表3 方案三主要設備配置表

4 方案比選分析

4.1 可實施性比較

由于方案一、方案二屬于已具有成熟度的系統(tǒng),因此,主機房的設置較為常規(guī)。而方案三則需要解決地源熱泵系統(tǒng)所需的大面積埋管場地,根據初步估算大約需要14 100 m2。而車站屬于線側上式站房,站房候車廳下部為列車股道,由于地埋管需連通,故較難在股道之間進行地埋管敷設。若在站場外另尋埋管場地,由于本項目位于老城區(qū),地下有眾多周邊市政管線,進行大面積的地埋管敷設時也存在相當難度,因此方案三的可實施性差于方案一、方案二。

4.2 經濟性比較

比較前提:

1)根據當地相關市政部門的征詢價格,電價暫按0.8元/k W·h計,蒸汽暫按193元/t計(2009年6月價),蒸汽增容費約35萬元/t;

2)表4中的主機年運行費用按供冷期180 d,供熱期90 d進行估算;

3)由于是對冷熱源方案進行比較,故只對冷熱源主機部分進行設備初投資及運行費用的比較,不包括空調末端設備部分。

表4 各方案經濟性比較

通過表4可見:方案二的主機設備初投資較高,年運行費用最貴,因此相對于方案一無投資回收期,經濟性最差;方案一的初投資最低;方案三年運行費用最低,但由于初投資過高,其設備投資回收期近11年,加之設備折舊,方案中所節(jié)省的年運行費用就失去經濟性優(yōu)勢。

4.3 節(jié)能性比較

機組性能系數是機組的產冷量或產熱量與所耗能量之比,這個參數是反映主機設備是否節(jié)能的重要指標。

方案一、方案二采用板式熱交換器直接制備熱水,效率高達90%～95%;方案三的地源熱泵的制冷系數約為4.0～4.6,見表5。

表5 各種機組制冷性能系數

各種機組直接消耗的能源種類不同,有直接消耗一次能源天然氣的,也有直接消耗二次能源電能的,還有的消耗高溫蒸汽的。

對于采用電能作動力的機組,其能源利用率以消耗一次能源指標來比較更為合理。

從圖5可見:消耗1 MJ的天然氣,冷水機組制冷量為2.65～2.90 MJ,地源熱泵可產生2.00～2.25 MJ冷量,或生產2.00～2.3 MJ熱量。

由于方案一和方案二中可利用熱電廠一次能源發(fā)電后的附屬產品——余熱高溫蒸汽,因此,從能源的利用率角度來說是最高的。

圖5 一次能源消耗表

4.4 環(huán)保性比較

方案二中的直燃機都是直接消耗一次能源天然氣的設備,均會有煙氣產生。煙氣的主要成份為高溫水蒸氣及NO x,對大氣環(huán)境會造成一定的污染。直燃機在夏季的煙氣排放會加劇城市的熱島效應。方案一中不存在尾氣的排放。方案三也不存在廢氣排放的問題,同時方案三中冷卻塔的容量也是三個方案中最小的,因此,對夏季大氣環(huán)境的熱污染也是相對最小的。但是由于大規(guī)模的地源熱泵在長期運行之后,會對這一區(qū)域的水文地質中的水溫、土壤溫度、生物環(huán)境等造成一定的影響,而目前國內對已運行工程的監(jiān)測數據采集較少,因此,對環(huán)境的影響也缺乏研究。

5 結語

根據工程所處地區(qū)氣候特點、建筑形態(tài)、使用業(yè)態(tài)等特點,預測分析空調冷熱負荷,提出三種不同冷熱源形式,并從經濟型,節(jié)能型,環(huán)保型等不同角度來進行比較研究,得出:

1)從經濟性角度,方案一的設備初投資最低,其年運行成本略高于方案三;方案三的設備初投資過高,導致回收期太長,在經濟性上沒有優(yōu)勢;方案二的初投資和運行費均高于方案一,也沒有優(yōu)勢 。

2)從節(jié)能型角度,由于項目周邊有可被利用的熱電廠余熱,故盡量利用余熱的方案是對一次能源利用率的最大化;若在沒有可利用的廢熱時,制冷工況消耗相同的一次能源,方案一的冷水機所提供的冷量高于地源熱泵,地源熱泵在制熱工況可突顯其節(jié)能優(yōu)勢。

3)從環(huán)保角度,由于方案二中吸收式直燃機在制冷工況要排放高溫煙氣,這方案的冷卻塔配置也最大,需消耗最多的水源,加劇了城市熱島效應。方案一中冷水機組的制冷工況沒有尾氣排放,冷卻塔也小于方案二。方案三的地源熱泵目前對大氣的環(huán)境影響是最小的,由于目前缺乏對地源熱泵系統(tǒng)長期運行后影響監(jiān)控數據,因此對水文地質的影響還無法評估。

4)在方案的可操作性上,方案三地源熱泵系統(tǒng)所需的大面積地管埋區(qū)域較難實現(xiàn)。

故經過綜上比選及研究,最終推薦方案一。

綜合考慮長江三角洲地區(qū)的鐵路站房空調系統(tǒng)冷熱負荷差異性大,并兼顧該地區(qū)的能源結構及其現(xiàn)行價格,采用方案一在實施性上可行,經濟性上最優(yōu);加之項目周邊有熱電廠的余熱高溫蒸氣可利用,因此對一次能源的利用率也盡合理,故對此方案可進行深化實施。

[1]GB 50189—2005 公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[2]孫兆軍.上海虹橋高鐵站房冷熱源方案比選介紹[C]∥鐵路暖通空調學術年會論文集.北京:中國勘察設計協(xié)會建筑環(huán)境與設備分會鐵道專業(yè)委員會,2008.

[3]馬友才,張銀安,劉華,等.新建鐵路客運站房暖通空調設計綜述[J].暖通空調,2009(3):1.

[4]蔣能照,劉道平.水源·地源·水環(huán)熱泵空調技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[5]王靜偉,賀利工,涂旭煒.地鐵車站通風空調大系統(tǒng)的節(jié)能設計[J].城市軌道交通研究,2009(5):38.