齊 潔，王春青*，常 利，潘 嵩，吳小芳，于 薇，王昊昱，卞彩俠

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118 2馬來亞大學(xué) 工程學(xué)院,吉隆坡 50603 3綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù) 北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124 4北華航天工業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河北,廊坊 065000 5北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144 6長春建筑學(xué)院,長春 130607

0 引言

隨著社會的發(fā)展,城市軌道交通因其便捷高速的特點(diǎn)逐漸成為公共交通運(yùn)輸?shù)闹饕绞?但同時它的能耗巨大,增長速度也特別快. 一些研究表明,在地鐵總能耗中,列車牽引系統(tǒng)能耗和非牽引系統(tǒng)能耗分別占總能耗的50 %和30 %左右[1-3],因此大部分的研究都集中于這兩個大系統(tǒng). 關(guān)于列車牽引系統(tǒng)的能耗分析由來已久,且都提出了不同的節(jié)能策略[4-6],對于非牽引系統(tǒng)的研究也在逐漸增多.文獻(xiàn)[7]對巴塞羅那地鐵站非牽引系統(tǒng)進(jìn)行了分解,并提出了節(jié)能建議.文獻(xiàn)[8]對廣州地鐵站的非牽引系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析,提出了節(jié)能措施但并無實(shí)際驗(yàn)證.除此之外,還有一些學(xué)者對能耗的影響因素進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[9]分析了多個地鐵站的能耗及不同因素的影響程度.Leung等[10]人對香港多個地鐵站能耗進(jìn)行了模擬分析,介紹了室外條件、建筑面積等對能耗的影響.文獻(xiàn)[11]研究了韓國不同地鐵站的能耗現(xiàn)狀和趨勢.這些研究分析的影響因素主要是一些使用期間不可控的,無法通過即時調(diào)節(jié)反饋達(dá)到節(jié)能的目的.因此,在能耗分析方面,本文選擇對非牽引系統(tǒng)中的環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行分項(xiàng)能耗分析,較之前的研究更詳細(xì)；在能耗的影響因素方面,本研究分析了一些可控因素如溫濕度、CO2濃度及溫差等對能耗的影響,并針對不同季節(jié)的影響因素進(jìn)行重要程度排序.

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 背景信息

本文以北京地區(qū)某地鐵站為對象,對其能耗和影響因素進(jìn)行分析.該站于2011年底投入使用,建筑面積為12 087.81 m2,敷設(shè)方式為地下非換乘站.該站共設(shè)上下兩層,車站的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備和水系統(tǒng)處理設(shè)備集中設(shè)置在車站兩端的設(shè)備管理用房內(nèi),該站具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 地鐵站公共區(qū)間結(jié)構(gòu)Fig.1 Common interval structure of the subway station

該站選用屏蔽門系統(tǒng),主要分析公共區(qū)間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)(大系統(tǒng))和車站空調(diào)水系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀,暫不考慮區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對本研究的影響.

1.2 測量方法的設(shè)計

本地鐵站環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行時間可以分為空調(diào)季和非空調(diào)季(即通風(fēng)季),根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果得到通風(fēng)季運(yùn)行時間為1月1日～5月28日和10月23日～12月31日計218 d,空調(diào)季運(yùn)行時間為5月29日～10月22日計147 d,因此需對通風(fēng)季和空調(diào)季分別測量. 本文通過與地鐵運(yùn)營公司溝通,得到了2018年各設(shè)備不同時刻的電表值和環(huán)境參數(shù)值,具體性能參數(shù)見表1.

表1 不同季節(jié)的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters in different seasons

1.3 能耗計算

設(shè)備日能耗由下式計算：

Qi=Ei+1-Ei

(1)

式中,Qi為第i天的能耗,kWh/d;Ei+1和Ei分別為第i+1天和第i天零時的電表值,kWh/d.

設(shè)備的季節(jié)能耗由下式計算：

(2)

式中,Qv/c為不同季節(jié)的能耗,下標(biāo)v表示通風(fēng)季,下標(biāo)c表示空調(diào)季, kWh/season;m為該季節(jié)內(nèi)測量次數(shù)，其值按測量天數(shù)計取;n為該季節(jié)的總天數(shù),d.電表在實(shí)際測量時可能會出現(xiàn)通訊或網(wǎng)絡(luò)故障等問題,將故障數(shù)據(jù)刪除,故m≤n.

qv/c=Qv/c/A

(3)

式中,qv/c為單位建筑面積的不同季節(jié)總能耗,其中下標(biāo)v代表通風(fēng)季、下標(biāo)c代表空調(diào)季,kWh/(m2·season);A為地鐵站建筑面積,m2，其值為12 087.81 m2.

設(shè)備全年能耗由下式計算:

Q=Qc+Qv

(4)

式中,Q為各設(shè)備全年總能耗, kWh/a.地鐵環(huán)控系統(tǒng)全年總能耗等于不同季節(jié)總能耗之和.

q=Q/A

(5)

式中,q為各設(shè)備單位建筑面積的全年總能耗,kWh/(m2·a).

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 能耗分析

2.1.1 總能耗分析

本文對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,由式(1)～式(5)計算得到地鐵站環(huán)控系統(tǒng)單位建筑面積全年能耗為17.82 kWh/(m2·a).

該系統(tǒng)涉及的環(huán)控設(shè)備主要包括風(fēng)機(jī)、水泵、冷水機(jī)組及冷卻塔,由式(1)～式(3)計算得到2018年單位建筑面積的不同季節(jié)能耗,結(jié)果見表2.

表2 不同季節(jié)的能耗

圖2(a)～圖2(c)為地鐵站不同季節(jié)每個用電設(shè)備分項(xiàng)能耗占比，其中圖2(a)為2018年每個用電設(shè)備分項(xiàng)能耗占全年各用電設(shè)備總能耗的比例,圖2(b)為2018年空調(diào)季每個用電設(shè)備分項(xiàng)能耗占空調(diào)季各用電設(shè)備總能耗的比例,圖2(c)為2018年通風(fēng)季每個用電設(shè)備分項(xiàng)能耗占通風(fēng)季各用電設(shè)備總能耗(0.82 kWh/m2)的比例.

(a) 2018年 (b) 2018年空調(diào)季 (c) 2018年通風(fēng)季圖2 地鐵站不同季節(jié)每個用電設(shè)備分項(xiàng)能耗占比Fig.2 Proportion of itemized energy consumption of each electric equipment in different seasons in subway station

2.1.2 月能耗分析

本站環(huán)控系統(tǒng)月能耗由式(2)～式(3)計算獲得,結(jié)果如圖3所示.圖3除給出每個月的能耗外,還給出每個月的室外平均溫度.由圖3可見,地鐵站環(huán)控系統(tǒng)通風(fēng)季的月能耗不隨室外溫度變化而變化,其值基本穩(wěn)定在0.06 kWh/m2左右;地鐵站環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)季的月能耗隨室外溫度變化而產(chǎn)生較大波動,峰值出現(xiàn)在8月份,其值為5.57 kWh/m2.

圖3 地鐵站環(huán)控系統(tǒng)月能耗與月室外平均溫度Fig.3 Monthly energy consumption and monthly average outdoortemperature of environmental control system in the subway station

圖4給出了環(huán)控系統(tǒng)各分項(xiàng)能耗逐月分析結(jié)果.由圖4可知,空調(diào)季冷水機(jī)組、水泵和冷卻塔的分項(xiàng)能耗明顯增加,其中冷水機(jī)組能耗增幅最大,其峰值出現(xiàn)在8月份,風(fēng)機(jī)能耗在0.004 kWh/m2～0.47 kWh/m2之間變化,空調(diào)季能耗雖有所增加但幅度不大,受季節(jié)影響相對較小.因此,由逐月分項(xiàng)能耗的變化規(guī)律可以看出,地鐵站環(huán)控系統(tǒng)的能耗變化可歸因于季節(jié)性運(yùn)行情況,主要是空調(diào)水系統(tǒng)的各個用電設(shè)備.

圖4 地鐵站環(huán)控系統(tǒng)每個用電設(shè)備月能耗Fig.4 Monthly energy consumption of each electric equipmentin the environmental control system of the subway station

2.2 影響因素分析

2.2.1 通風(fēng)季能耗影響因素分析

通風(fēng)季能耗影響因素可分為以下3類:

第1類:站臺濕度、站廳濕度、新風(fēng)濕度和回風(fēng)濕度,以站廳、站臺濕度的平均值為公共區(qū)域濕度,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中回風(fēng)濕度基本等于公共區(qū)域濕度,新風(fēng)濕度與公共區(qū)域濕度的相關(guān)性為0.964,都可用公共區(qū)域濕度來代替,故第1類參數(shù)為公共區(qū)域濕度;

第2類:站臺溫度、站廳溫度、新風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度,以站廳、站臺溫度的平均值為公共區(qū)域溫度,回風(fēng)溫度用公共區(qū)域溫度代替,新風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度與公共區(qū)域溫度的相關(guān)性系數(shù)均小于0.9,用公共區(qū)域溫度代替影響回歸結(jié)果,故第2類參數(shù)為公共區(qū)域溫度、新風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度;

第3類參數(shù)為公共區(qū)域CO2濃度即站廳、站臺CO2濃度的平均值.

將上述公共區(qū)域濕度、公共區(qū)域溫度、新風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度和公共區(qū)域CO2濃度5個影響因素與地鐵站環(huán)控系統(tǒng)的通風(fēng)季能耗進(jìn)行回歸分析,回歸公式如下：

Qi=C0+C1tis+C2tix+C3tig+C4φi+C5ρi

(4)

式中,Qi為通風(fēng)季第i天的能耗,kWh;C0為常數(shù)項(xiàng)的回歸系數(shù),kWh;C1為第i天送風(fēng)溫度的回歸系數(shù),kWh/℃;tis為第i天的送風(fēng)溫度,℃;C2為第i天新風(fēng)溫度的回歸系數(shù),kWh/℃;tix為第i天的新風(fēng)溫度,℃;C3為第i天公共區(qū)域溫度的回歸系數(shù),kWh/℃;tig為第i天的公共區(qū)域溫度,℃;C4為第i天公共區(qū)域相對濕度的回歸系數(shù),kWh/%;φi為第i天的公共區(qū)域相對濕度,%;C5為第i天公共區(qū)域CO2濃度的回歸系數(shù),kWh/ppm;ρi為第i天的公共區(qū)域CO2濃度,ppm.

各影響因素對通風(fēng)季能耗的回歸結(jié)果見表3.

表3 5個影響因素對通風(fēng)季能耗的回歸結(jié)果Table 3 Regression results of 5 influencing factors on the energy consumption in the ventilation season

對通風(fēng)季能耗影響最大的因素：

首先是送風(fēng)溫度,其與能耗呈負(fù)相關(guān),溫度每升高1℃可節(jié)能28 kWh,而實(shí)測送風(fēng)溫度變化區(qū)間3.56 ℃～19.57 ℃導(dǎo)致的能耗變化量超過400 kWh；

其次是新風(fēng)溫度,溫度每升高1 ℃增加能耗12.2 kWh,新風(fēng)溫度變化區(qū)間1.13 ℃～25 ℃產(chǎn)生的能耗變化量為292 kWh；

再次是公共區(qū)域溫濕度,溫度每升高1 ℃和濕度每升高1 %分別增加能耗19.5 kWh和2.2 kWh,公共區(qū)域溫濕度相應(yīng)的變化區(qū)間導(dǎo)致的能耗變化量為100 kWh～200 kWh；

最后是公共區(qū)域CO2濃度,其與能耗呈負(fù)相關(guān),當(dāng)濃度由下限441.74 ppm變?yōu)樯舷?12 ppm時,可節(jié)能78.4 kWh.

2.2.2 空調(diào)季能耗影響因素分析

由于地鐵站環(huán)控系統(tǒng)在空調(diào)季內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)需同時運(yùn)行,故空調(diào)季能耗的影響因素比通風(fēng)季的影響因素多2個,即冷凍水供回水溫差和冷卻水供回水溫差,共計7個因素.這7個因素與空調(diào)季能耗之間的回歸公式如下:

(5)

式中,Qi為空調(diào)季第i天的能耗,kWh;Δtid為第i天的冷凍水供回水溫差,℃;Δtiq為第i天的冷卻水供回水溫差,℃;C0′為常數(shù)項(xiàng)的回歸系數(shù),kWh;C1′～C7′為相應(yīng)因素項(xiàng)的回歸系數(shù),其單位與通風(fēng)季相應(yīng)回歸系數(shù)的單位相同.7個影響因素與空調(diào)季能耗的回歸結(jié)果見表4.

由表4可見,對空調(diào)季能耗影響最大的首先是公共區(qū)域的溫度,溫度每提升1 ℃能耗將增加514.2 kWh,當(dāng)溫度由下限24.49 ℃升至上限28.62 ℃時能耗增加量將超過2 000 kWh；其次是與能耗呈負(fù)相關(guān)的送風(fēng)溫度,溫度每降低1 ℃能耗增加118 kWh,相應(yīng)的溫度變化區(qū)間產(chǎn)生的能耗變化量為1 016 kWh；再次是新風(fēng)溫度和公共區(qū)濕度,它們均與能耗呈正相關(guān),這兩個因素相應(yīng)的變化區(qū)間產(chǎn)生的能耗變化量分別為500 kWh和800 kWh；最后是公共區(qū)域CO2濃度和兩個供回水溫差,這3個因素相應(yīng)的變化區(qū)間導(dǎo)致的能耗變化量均低于500 kWh.

表4 7個影響因素對空調(diào)季能耗的回歸結(jié)果Table 4 Regression results of 7 influencing factors on energy consumption of air conditioning season

此外,空調(diào)和通風(fēng)兩個季節(jié)的R2和調(diào)整后的R2雖然相對較大,但仍存在可改進(jìn)的空間,后續(xù)研究可通過獲得更詳細(xì)的環(huán)控小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來提高它，也可通過改變設(shè)備運(yùn)行時間或調(diào)整其他內(nèi)部設(shè)施等方法來改變不同的影響因素,從而獲得降低能耗的效果,還可提前預(yù)測能耗,分析其節(jié)能潛力.

3 結(jié)論與展望

本文采用實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合的方法,研究了地鐵站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗分布及溫濕度等可控因素對能耗的影響.由數(shù)據(jù)分析可知,本站環(huán)控系統(tǒng)單位建筑面積的全年總能耗為17.82 kWh/(m2·a),其中通風(fēng)季能耗占4.6 %、空調(diào)季能耗占95.4 %.空調(diào)季能耗中占比最大的是冷水機(jī)組能耗,超過了50 %.通風(fēng)季月能耗基本穩(wěn)定在0.06 kWh//(m2·month),其不隨室外溫度變化而變化,空調(diào)季月能耗易隨室外溫度變化而產(chǎn)生較大波動.回歸分析表明,不同季節(jié)能耗的影響因素除種類不同之外,相同因素在不同季節(jié)的重要程度也不盡相同.對通風(fēng)季和空調(diào)季能耗影響最大的因素分別是送風(fēng)溫度和公共區(qū)域溫度.本研究有助于更詳細(xì)地了解地鐵站環(huán)控系統(tǒng)能耗情況,為能耗預(yù)測提供參考依據(jù).

希望在今后的研究中能獲得更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)，如其他子系統(tǒng)或更多年度數(shù)據(jù)來提高回歸結(jié)果的精度,也可構(gòu)建一個修正的預(yù)測模型來預(yù)測某地鐵站的能耗.