李 峰 鄭林濤

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,510006,廣州； 2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，510640，廣州//第一作者,高級工程師)

地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)模式及能耗分析*

李 峰1鄭林濤2

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,510006,廣州； 2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，510640，廣州//第一作者,高級工程師)

提出了一種地鐵車站溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)方案,分析了車站應(yīng)用全空氣空調(diào)系統(tǒng)、空氣-水空調(diào)系統(tǒng)與溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)等三種模式的熱工性能。以廣州地鐵某車站工程為例,模擬計算了三種空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗。結(jié)果表明,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率達(dá)24.37%,是值得推廣的一種車站空調(diào)系統(tǒng)模式。

地鐵車站; 空調(diào)系統(tǒng); 能耗計算

First-author′s address Guangzhou University,510006,Guangzhou,China

城市軌道交通的運行能耗總量相當(dāng)驚人。如何大幅降低其運行能耗,已成為我國城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展中必須解決的重要問題之一。

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占運行總能耗的 50%[1-3],其中車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占了相當(dāng)大的比例。在經(jīng)過多年的地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、運營技術(shù)經(jīng)驗積累后,車站空調(diào)系統(tǒng)的模式逐漸成熟及固定,但這種常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)模式有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間。

本文通過對地鐵車站通風(fēng)空調(diào)典型系統(tǒng)模式進(jìn)行分析,從實現(xiàn)功能、節(jié)能的角度,提出在車站應(yīng)用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng),并對比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),采用仿真分析計算空調(diào)系統(tǒng)及冷源的全年能耗。

1 系統(tǒng)模式

1.1 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)和防排煙系統(tǒng)(簡稱大系統(tǒng))、車站管理及設(shè)備用房空調(diào)通風(fēng)和防排煙系統(tǒng)(簡稱小系統(tǒng))、車站空調(diào)冷源水系統(tǒng)(簡稱水系統(tǒng))等組成。

常規(guī)大、小系統(tǒng)主要采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng),空調(diào)冷源采用水冷冷水機組,空調(diào)末端設(shè)備為組合式空調(diào)機組及風(fēng)機盤管,7 ℃/12 ℃的空調(diào)冷水作為系統(tǒng)中間載冷劑由冷水泵輸送至末端空調(diào)設(shè)備,由水冷表面式空氣冷卻器處理室內(nèi)余熱余濕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地鐵車站常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)

車站公共區(qū)一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，即回風(fēng)和新風(fēng)混合在空調(diào)箱中進(jìn)行集中處理后,再通過風(fēng)管送入車站公共區(qū),空調(diào)機組承擔(dān)車站公共區(qū)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。其特點是采用冷凝除濕的方法,將被處理空氣處理至低于室內(nèi)露點溫度(也必然低于室內(nèi)干球溫度),進(jìn)行熱濕聯(lián)合處理,同時去除區(qū)域內(nèi)的余熱和余濕。

1.2 空氣-水空調(diào)系統(tǒng)

地鐵車站內(nèi)熱環(huán)境控制的換熱媒介有三種,分別是空氣、水、制冷劑。如用空氣循環(huán)處理,則溫差10 ℃的1 m3/h空氣可帶走12 kJ熱量;而用水循環(huán)處理,溫差5 ℃的0.1 m3/h水可帶走2 090 kJ熱量,故輸送相同的熱量,所需水量遠(yuǎn)小于風(fēng)量(按體積計)。另外,地鐵車站呈狹長平面,冷水機組設(shè)置在端頭,與全空氣系統(tǒng)相比,從能量輸配的角度看，空氣-水系統(tǒng)將空氣處理設(shè)備化整為零,冷水管途經(jīng)公共區(qū)時“就地”取冷處理熱濕空氣,無“空跑”,可最大限度地減少風(fēng)側(cè)、水側(cè)二次輸配能耗及簡化系統(tǒng)設(shè)備。另外,空氣-水系統(tǒng)末端設(shè)備不需設(shè)置擋水段和消聲段,閥門、彎頭、三通等管件少,可使空氣側(cè)阻力進(jìn)一步減小。車站空氣-水空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 車站空氣-水空調(diào)系統(tǒng)

對于車站小系統(tǒng)而言,設(shè)備用房的空調(diào)運行時間長,采用空氣-水系統(tǒng)在空調(diào)季的節(jié)能潛力更大?？照{(diào)水管可布置于走道而不接進(jìn)機房,電氣安全有保障。

1.3 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著排除室內(nèi)余熱、余濕、CO2與異味的任務(wù)。由于排除室內(nèi)余濕與排除CO2、異味所需要的新風(fēng)量與變化趨勢一致,故可通過新風(fēng)同時滿足排余濕、CO2、異昧的要求。排除室內(nèi)余熱則通過其他的系統(tǒng)(獨立的溫度控制方式)實現(xiàn)。即可用較高溫度的冷源實現(xiàn)排除余熱。溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中,通常采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)控制系統(tǒng)(即雙冷源)分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度,從而避免了熱濕聯(lián)合處理所帶來的冷量損失。地鐵車站溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 地鐵車站溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)

車站公共區(qū)的顯熱可以用高溫冷水機組解決,從而實現(xiàn)很高的壓縮機性能系數(shù)(COP)。以某磁浮變頻離心式高溫冷水機組為例，出水溫度14～18℃，COP可達(dá)到8以上。即組合式空調(diào)機組的表冷器采用冷水溫度為18 ℃/23 ℃,高溫冷水機組的進(jìn)出水溫度為18 ℃/25 ℃，車站公共區(qū)的新風(fēng)量僅為總通風(fēng)換氣量的10%～20%,可單獨處理到低溫、干燥狀態(tài),同時解決地下空間排濕。新風(fēng)機組為直膨機組(冷媒直接蒸發(fā)制冷水冷卻空調(diào)機組),新風(fēng)機組的冷卻水與空調(diào)箱表冷器冷卻水管路為串聯(lián),新風(fēng)機組冷卻水進(jìn)出水溫度為23 ℃/28 ℃,低于冷媒機組進(jìn)出水溫度額定工況30 ℃/35 ℃,故降低新風(fēng)壓縮機的冷凝溫度可提高新風(fēng)機的能效比。試驗水冷新風(fēng)機組的性能曲線見圖4,其COP可提高約20%。

圖4 新風(fēng)機組冷卻水溫與制冷COP的關(guān)系

對車站小系統(tǒng)而言,除管理用房有人員外,設(shè)備用房很少有人員,其室內(nèi)冷負(fù)荷主要由顯熱冷負(fù)荷構(gòu)成,因此采用高溫冷水機組可大幅提高機組的能效比。

圖3中,高溫冷水系統(tǒng)的總溫差為7 ℃,組合式空調(diào)箱及新風(fēng)機的冷水溫差為5 ℃,冷水環(huán)路為串聯(lián),中間有一旁通混水過程,其冷負(fù)荷的調(diào)節(jié)及水溫差的控制算法為PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)。由于溫差控制不能及時反映冷負(fù)荷的變化,水溫度變化總是滯后于室內(nèi)冷負(fù)荷變化,要達(dá)到系統(tǒng)要求的兩個串聯(lián)溫差及一個混水溫度控制,會使控制系統(tǒng)運算復(fù)雜、控制環(huán)節(jié)較多、成本較大。這是該系統(tǒng)的不足之處。

2 空調(diào)系統(tǒng)全年能耗計算

車站空調(diào)系統(tǒng)中,主要耗能設(shè)備為冷水機組、空調(diào)末端設(shè)備柜機及風(fēng)機盤管、水泵、冷卻塔。空調(diào)系統(tǒng)的能耗模擬采用順序模擬法,其中冷源設(shè)備的能耗模擬是關(guān)鍵。首先,計算車站的全年空調(diào)冷負(fù)荷；然后,對冷源設(shè)備采用回歸模型,通過設(shè)備廠家提供的性能數(shù)據(jù)分析回歸得到設(shè)備性能曲線，建立數(shù)學(xué)模型,利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行能耗仿真計算,計算步長為1 h,計算分析冷源設(shè)備的運行特性與能耗[4-5]。限于篇幅,水泵及冷卻塔的能耗模擬計算不再贅述。

2.1 全年逐時冷負(fù)荷計算

采用DeST—c軟件模擬計算廣州地鐵某車站大小空調(diào)系統(tǒng)全年逐時冷負(fù)荷。表1列出了計算全年冷負(fù)荷所設(shè)定的設(shè)備、人員和照明值。表2為地鐵站空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷率對應(yīng)的運行時間統(tǒng)計。圖5為地鐵站大小空調(diào)系統(tǒng)全年逐時冷負(fù)荷。

表1 地鐵站內(nèi)負(fù)荷計算的設(shè)備、人員和照明設(shè)定值

表2 車站冷負(fù)荷率對應(yīng)的運行時間統(tǒng)計表

圖5 廣州某地鐵站空調(diào)系統(tǒng)全年逐時冷負(fù)荷

2.2 冷水機組能耗模型的建立

鑒于冷水機組的復(fù)雜性,本文利用EnergyPlus軟件自帶的性能曲線來建立冷水機組的數(shù)學(xué)模型。該建模法的特點是不需要去分析冷水機組的復(fù)雜原理,只需要根據(jù)機組的實際運行結(jié)果對多項式的參數(shù)進(jìn)行擬合計算。冷水機組的性能曲線采用冷水螺桿機組的性能曲線,主要包括冷量隨溫度變化的曲線、EIR(COP的倒數(shù))隨溫度變化的曲線和部分負(fù)荷率的EIR曲線[4-6]。由某型冷水螺桿機測試性能參數(shù)(見表3)進(jìn)行回歸分析模擬。

表3 某型冷水螺桿機組設(shè)備參數(shù)

(1) 冷量隨溫度變化的性能曲線。數(shù)學(xué)回歸模型如下:

(1)

式中:

f1——制冷量系數(shù),額定工況下等于1;

Tcw,j——冷凍水出水溫度;

Tcond,c——冷卻水進(jìn)水溫度,即冷凝器入口水溫;

a,b,c,d,e,f——擬合所得系數(shù)。

(2) EIR隨溫度變化的性能曲線。EIR定義為 COP 的倒數(shù),即耗功率與制冷量的比值。EIR 性能曲線公式f2與式(1)相同，但擬合所得系數(shù)a～f與f1不同，f2表示了任意工況下,冷卻水、冷凍水溫與EIP的關(guān)系。

(3) 部分負(fù)荷率的EIR性能曲線。為了方便優(yōu)化,EnergyPlus[6]把耗功率與制冷量的比例因子與部分負(fù)荷率RPL之間的關(guān)系定義為:

(2)

其中RPL=Q/Qavail;

(3)

式中：

f3——EIR部分負(fù)荷系數(shù);

Q——實際負(fù)荷；

Qavail——額定工況下的負(fù)荷。

根據(jù)以上3條性能曲線,得到冷水機組任意工況下的耗功率曲線函數(shù),即冷水機組耗功率的數(shù)學(xué)模型為:

(4)

式中:

Pchiller——冷水機組耗功率;

CP,ref——冷水機組額定功率下的COP;

Pref——冷水機組額定工況下的輸入功率。

對于水冷式螺桿機組,冷凍水供水溫度取7 ℃,回水溫度取12 ℃,COP按設(shè)備額定工況下取值4.04。對于高溫水冷式螺桿機組,冷凍水供水溫度取18 ℃,回水溫度取26 ℃,COP值取7.5。

地鐵車站常規(guī)空調(diào)大、小系統(tǒng)均采用全空氣系統(tǒng),空調(diào)末端為柜式空調(diào)機,采用變風(fēng)量運行;空氣-水空調(diào)大、小系統(tǒng)均采用新風(fēng)系統(tǒng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng),空調(diào)末端為風(fēng)機盤管;地鐵車站溫濕度獨立控制空調(diào)大系統(tǒng)采用組合式柜機處理全空氣系統(tǒng)+新風(fēng)系統(tǒng),小系統(tǒng)采用新風(fēng)系統(tǒng)+干式風(fēng)機盤管。三種空調(diào)系統(tǒng)的全年運行能耗比較見表4。

表4 廣州地鐵某車站三種空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗統(tǒng)計表 萬kWh

3 結(jié)論

三種空調(diào)系統(tǒng)在地鐵公共區(qū)中應(yīng)用都能滿足使用要求,但其能耗高低不一。以往認(rèn)為空氣-水系統(tǒng)比全空氣系統(tǒng)節(jié)能高很多,但現(xiàn)在大系統(tǒng)空調(diào)柜機都采用變風(fēng)量運行,風(fēng)機能耗大幅減少,因此空氣-水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢不明顯。設(shè)備管理用房需考慮過渡季節(jié)的排熱降溫,保留通風(fēng)降溫功能是必要的,尤其是一些北方地區(qū)。

從能耗角度分析,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢,其與全空氣系統(tǒng)相比全年節(jié)能24.37%,而空氣-水系統(tǒng)與全空氣系統(tǒng)相比節(jié)能6.53%。按工程概算，空氣-水系統(tǒng)的投資費用最少,全空氣系統(tǒng)投資最大,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的投資介于二者之間。

[1] 董志周,吳喜平.地鐵車站熱環(huán)境分析[J].上海節(jié)能,2003(5):36-37.

[2] 朱建章.淺談地鐵環(huán)控設(shè)計[C]∥中國勘察設(shè)計協(xié)會.中國勘察設(shè)計協(xié)會建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)委員會第2屆技術(shù)交流大會記文匯編.長沙：中國勘察設(shè)計協(xié)會,2007,37:349-352.

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[5] 黃艷山.空調(diào)水系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化仿真研究[D].廣州:廣州大學(xué),2012.

[6] The US Department of Energy.Energy Plus V2.0 Manual [EB/OL].[2016-03-31].https://www. Energyplus .net/downloads.

Application of Metro Station Air Conditioning Mode and Analysis of Its Energy Consumption

LI Feng, ZHENG Lintao

In this paper, a solution of independent temperature/humidity control air conditioning system is proposed, three thermal performance functionsare analyzed: the station all-air air conditioning system, the air-water air conditioning system and the independent temperature-humidity control air conditioning system. Taking a practical engineering program at Guangzhou metro station as example, the annual energy consumption of the three air conditioning systems are simulated respectively. It is concluded that the independent temperature-humidity control air conditioning system has higher potential because its energy saving rate is 24.37% higher than the conventional air conditioning systems adopted in Guangzhou metro, therefore it is worth promoting.

metro station; air conditioning system; energy consumption calculation

*廣東省重大科技專項資助項目(2013A011402002)

TU 831.3+5: U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.01.009

2016-03-31)